Access denied |
used Cloudflare to restrict access
Please enable cookies.
What happened?
The owner of this website () has banned your access based on your browser's signature (3bbac01ad1a15158-ua98).问：1。导航系统组成：
&&&&GPS&,车载部分，主控中心
主控中心由电台.调制解调器，计算机系统和电子地图组成，
电台：接收汽车上电台发出的位置信息，同时反&&馈汽车
调制解调器：负责反控命令和GPS信息的数/模转换
计算机系统：接收到汽车的位置信息后进行简单预处理，然后按决定的通信协议，包装该信息并送往工作站，
工作站：在矢量电子地图数据上显示汽车的位置，并提供空间查询功能
车载部分由GPS接收机，调制解调器，电台组成，还包括自律导航装置，车速传感器，陀螺传感器, CD---ROM驱动器，LCD显示器
答：……………… 上传我的文档
 下载
 收藏
 下载此文档
正在努力加载中...
机械工程测试技术-振动测试
下载积分：800
内容提示：机械工程测试技术-振动测试
文档格式：PPT|
浏览次数：28|
上传日期： 16:20:56|
文档星级：
全文阅读已结束，如果下载本文需要使用
 800 积分
下载此文档
该用户还上传了这些文档
机械工程测试技术-振动测试
关注微信公众号当前位置： >>
实验讲义-功能材料专业
功能材料专业实验大连民族大学物理与材料工程学院 光电子实验中心目录第一章 导电类型鉴别仪实验一 材料导电类型鉴别实验第二章 温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪实验二 电压型集成温度传感器（LM35）温度特性的测试第三章 半导体热电特性综合实验仪实验三 电阻温度计与非平衡直流电桥 实验四 半导体热电特性的研究第四章PN 结正向特性综合实验仪实验五 PN 结正向压降与温度关系第五章 传感器设计实验仪实验六 应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验 应变直流全桥的应用―电子秤实验 应变片交流全桥的应用(应变仪)―振动测量实验 实验七 压阻式压力传感器的压力测量实验 电容式传感器的位移实验 实验八 差动变压器的性能实验 差动变压器零点残余电压补偿实验 差动变压器的应用―振动测量实验 实验九 压电式传感器测振动实验 线性霍尔式传感器位移特性实验 磁电式传感器特性实验 实验十 热电偶的原理及现象实验第六章 光电特性综合实验仪实验十一 LED 伏安特性（V-I）测试 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量 实验十二 激光二极管（LD）伏安特性（V－I）的测量 激光二极管光谱特性测量第一章一、概述导电类型鉴别仪PN-12 型导电型号鉴别仪采用整流法(也称三探针法)和温差法(也称冷热探笔法来 判断单晶(或多晶)硅的导电类型(N 型或 P 型)，用 N 型和 P 型显示屏直接显示单晶(或 多晶)导电类型。 二、技术性能 1.可判断硅材料的电阻率范围： 整流法：10-2Ω ?Cm～104Ω ?Cm；温差法：10-4Ω ?Cm～105Ω ?Cm； 2.硅单晶直径及长度：不受限制； 3.显示方式：用 N 型和 P 型显示屏直接显示； 4.探头： 整流法：采用三根探针，用高速钢针； 温差法：采用冷热两根探笔，探笔材料为钨棒，热笔采用 PTC 发热体加热； (冷 笔保持室温，热笔可被加热到 60℃-150℃，温控仪设定) 5.电源及功耗：AC 220V±10%，50Hz 7.使用环境： 温度：室温；相对湿度：&80%；无强高频电磁场影响。 &20W 6.外型尺寸：125mm(宽)?145mm(高) ?245mm(深)图 1-1 PN-12 型导电类型鉴别仪实验一 材料导电类型鉴别一、 实验目的： 掌握判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。 二、 实验原理 半导体的导电过程存在电子和空穴两种载流子。多数载流子是电子的称 n 型半导 体；多数载流子是空穴的称 p 型半导体。测量导电类型就是确定半导体材料中多数载流子的类别。半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。在半导体器件的 生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。这里介绍两种 常用的测定导电类型的方法：整流法（三探针法）和温差法（冷热探笔法） 。 1. 整流法（三探针法）放 大 器交流电源电 子 开 关P-N显 示 器12 样3 品 稳 压 电 源三探针与单晶材料形成整流接触，交流电压加在探针 1、2 间(其中探针 2 接地)， 在探针 2、3 间测量电势。对 N 型材料 V32 具有正的直流分量，对 P 型材料 V32 具有负 的直流分量。 2. 温差法(冷热探笔法)：温控仪 热笔 放 大 器 冷笔 电 子 开 关P-N显 示 器稳压 电 源热笔和冷笔同时紧压样品被测面，两笔间就有温差电势产生 ( 微弱信号数毫伏左 右)，经过高输入阻抗直流放大器(约 1000 倍)将此电势放大，推动 P、N 显示屏显示 N 或 P，从而得知材料的导电类型。当材料为“ N”型时，热笔相对于冷笔产生正电势， “P”型时则为负电势。 三、 实验仪器及材料 PN-12 型导电类型鉴别仪，硅片 四、 实验步骤 1.参看图 1-2， 首先将整流法探笔和冷热笔分别通过四芯电缆插头和八芯电缆插头 与主机对应的插座连接。图 1-2 面板说明： ①设定键；②设定数字移动键；③设定值减少键；④设定值增加键; ⑤设定值显示器； ⑥测量值显示器；⑦控制输出指示灯；⑧自整定指示灯；⑨第一报警指示灯；⑩第二 报警指示灯2. 按下电源开关，预热 15 分钟，待仪器稳定后方可进行测量。一旦接通电源温 控仪即开始工作，下面说明温控仪设定温度操作：综合样品的电阻率与热电势的关系， 出厂时温控仪温度设定为 100℃， 可满足多数 测量需要。 3.被测样品的测量面须用金刚砂研磨或喷沙，并除去沾污。 4.用整流法测量，按一下整流法按钮，此时按钮点亮(接通电源时，仪器自动选择为整 流法)。此时将整流法探笔轻轻压在样品被测表面上，然后从 PN 显示屏观察即可知道 导电类型。测量过程中，应保证三根针都与被测面接触，否则可能产生误判断。最后 将样品的测试结果记录在下表中： 硅片 导电类型 （P/N） 5.采用温差法测量时，按一下温差法按钮，此时温差法按钮会点亮，此时将冷热笔紧 紧压在被测面上。然后从 PN 显示屏观察即可知道导电类型。在测试高阻（&104Ω ?Cm； ） 样品时如果灵敏度不够，可将热笔温度稍为提高，但不可超高 150℃ 6.测量过程中应注意零点的调整，否则会带来误判。最后将样品的测试结果记录在下 表中： 硅片 导电类型 （P/N） 样品 1 样品 2 样品 3 样品 1 样品 2 样品 3第二章温度传感器测试及半导体制冷控温实验仪FB820 型温度传感器温度特性实验仪包含五种不同的温度传感器， 可用于多种温度 传感器以及温度特性研究性试验，该仪器面板布局及功能图如下所示：图中： （1）加热功能指示； （2）加热、致冷功能转换按钮，释放位置为加热，按下为致冷 （3）致冷功能指示： （4）毫伏表作为电压表测量功能指示； （5）电压表、致冷电流表测量功能转换按钮，释放时为电压功能，按下时为致冷器工 作电流测量功能； （6） 致冷电流测量功能指示； （7）四位半电压、电流数值显示； （8）电压表 2V 量程指示； （9）电压表量程转换，释放位置为 20V 量程，按下时为 2V 量程； （10）电压表 20V 量程指示； （11）控温设定值显示； （13） 测量温度显示； （12）温度设置功能键； （14）致冷井致冷工作指示； （15）致冷井；（16）加热井加热工作指示； （17） 加热井； （18）加热器降温风扇开关； （19）加热器工作电压选择：电压分别为 0V, 16V, 24V(I max ? 2A) ，可控制加热速度快 慢； （20）PN 结温度传感器专用测试单元； （21）电压型 LM35 温度传感器专用测试单元； （22）集成电流型 AD590 温度传感器专用测试单元；（23）恒流源法 Pt100MF53-1 温度传感器测试单元； （27）分别为三路电源负极；（24）直流电桥法温度传感器测试单元， （需用户自备五盘电阻箱） ； （25） 、 （26）外接电阻箱接入端钮；1mA(Vmax ? 15V) 恒流源正极；（28） 2V(I max ? 100mA) 直流电源正极； （29） 20V(I max ? 100mA) 直流电源正极； （30） （31）致冷器工作电流调节（ I max ? 3.5A ） 。实验二 电压型集成温度传感器 (LM35) 温度特性的测试一、 实验目的 测量电压型温度传感器的温度特性 二、 实验原理 1.“温度”是一个重要的热学物理量，它不仅和我们的生活环境密切相关，在科 研及生产过程中，温度的变化对实验及生产的结果也是至关重要的，所以温度传感器 的应用更是十分广泛的。温度传感器是利用一些金属、半导体等材料与温度相关的特 性制成的。常用的温度传感器的类型、测温范围和特点见表 1。类型表 1 常用的温度传感器的类型和特点 传感器 测温范围 特 (?C) 铂电阻 铜电阻 镍电阻 半导体热敏电 阻 (PTC NTC CTC) 铂铑-铂 （ S ） 铂铑-铂铑（ B ） 镍铬-镍硅（ K ） 镍铬-康铜（ E ） 铁-康铜 （ J ） PN 结 温 度 传 感 器 IC 温度传感器? 200 ~ 650点热 电 阻? 50 ~ 150 ? 60 ~ 180准确度高、测量范围大 电阻率大、温度系数大、线性差、 一致性差-50～3150 ~ 1300 0 ~ 1600 0 ~ 1000 ? 20 ~ 750 ? 40 ~ 600 ? 50 ~ 150 ? 50 ~ 150热 电 偶 其 它用于高温测量、低温测量两大类、 必须有恒温参考点（如冰点） 体积小、灵敏度高、线性好、一致 性差 线性度好、一致性好2.电压型集成温度传感器（ LM 35 ）LM 35 温度传感器，标准 T092 工业封装，其准确度 压，且 可以构 了极高一般为 ? 0.5?C 。 （有几种级别）由于其输出为电 线性极好，故只要配上电压源，数字式电压表就 成一个精密数字测温系统。内部经激光校准保证的准确度及一致性，无须再校准。输出电压的温度系数 K V ? 10.0mV/ ?C ，利用下式可 计算出被测温度 t (?C) :U 0 ? KV t ? (10mV / ?C)t即：t(?C) ? U0 / 10mV（1）LM 35 温度传感器的电路符号见图 4，Vo 为输出端。实验测量时只要直接测量其输出端电压 U o ，即可知待测量的温度。 三、实验仪器FB820 型温度传感器温度特性实验仪 1 台及五种不同的温度传感器四、实验步骤 按图 14-3 接线。控温传感器 Pt100 铂电阻( A 级)已经装在致冷井和加热干井炉中 与其它井孔离中心相同半径的位置,保证其测量温度与待测元件实际温度相同。在环境 温度高于摄氏零度时，先把温度传感器放入致冷井中（图中实线所示） ，利用半导体致 冷把温度降到 0?C ，并以此温度作为起点进行测量，每隔 10 ?C 测量一次，直到需要待 测温度高于环境温度时，就把温度传感器转移到加热干井中，然后开启加热器，控温 系统每隔 10 ?C 设置一次，待控温稳定 2 min 后，测试传感器 (LM35) 的输出电压，数据 记入表 3：表 3 LM 35 温度特性测试数据 序号 1 0 2 10 3 20 4 30 5 40 6 50 7 60 8 70 9 80 10 90 11 100t (?C)U 0 ( V)得到数据用最小二乘法进行拟合得: A ? __________ ， r ? __________ __ 。(实验报告中具体给出利用最小二乘法的数据处理过程)
第三章 实验三半导体热电特性综合实验仪 电阻温度计与非平衡直流电桥直流电桥是一种精密的电阻测量仪器,具有重要的应用价值.按电桥的测量方式可 分为平衡电桥和非平衡电桥.平衡电桥是把待测电阻与标准电阻进行比较，通过调节电 桥平衡，从而测得待测电阻值，如单臂电桥（惠斯登电桥） 、双臂直流电电桥（开尔文 电桥） .它们只能用于测量具有相对稳定状态的物理量， 而在实际工程中和科学实验中， 很多物理量是连续变化的，只能采用非平衡电桥才能测量.非平衡电桥的基本原理是通 过桥式电路来测量电阻，根据电桥输出的不平衡电压，再进行运算处理，从而得到引 起电阻变化的其他物理量，如温度、压力、形变等. 一、目的要求 学习与掌握用非平衡直流电桥电压输出方法测量电阻在基本原理和操作方法. 学习与初步掌握非平衡电桥的设计方法；学习与掌握根据不同待测电阻值选择桥 式. 二、实验仪器 1. YJ-SB-1 半导体热电特性综合实验仪、2. Pt100 温度传感器、3.数字万用表（自 备） 、4.非平衡直流电桥及应用实验模板、5.热敏电阻温度传感器 . 三、实验原理 非平衡电桥原理如图 3 所示：B、D 之间为一负载电阻 Rg，只要测量电桥输出 Ug、Ig 即可得到 Rx 值. 电桥分类 等臂电桥：R1=R2=R3=R4. 输出对称电桥，也称卧式电桥： R1=R4=R，R2=R3=R@,且 R≠R@. 电源对称电桥，也称立式电桥： R1=R2=R，R3=R4=R@,且 R≠R@. 输出电压 当负载电阻 Rg+→∞， 即电桥输出处 此种情况. 根据分压原理，ABC 半桥的电压降为 US，通过 R1、R4 两臂电流为 US （ 1） I1 ? I 4 ? R1 ? R4 则 R4 上的电压降为US 图3 A R2 R1 I1 B R4=Rx I4 C I3 I2 R3 DUg于开路状态时，Ig=0，仅有电压输出，用 U0 表示，若后面接数字电压表或高阻抗放大器时属U BC ?R4 ?U S R1 ? R4 U DC ?（2）同理 R3 上的电压降为R3 ?U S R2 ? R3（3）输出电压 U0 为 UBC 与 UDC 之差U 0 ? U BC ? U DC ? R2 R4 ? R1R3 ?U S ( R1 ? R4 )(R2 ? R3 ) R1 R3 者 R ?R 2 4（5） （4）满足条件R1R3 ? R2 R4 或时，则电桥输出 U0=0，即电桥处于平衡状态，式（5）就称为电桥平衡条件.为了 测量的准确性，在测量的起始点，电桥必须调至平衡，称为预调平衡.这样可使输出只 与某一臂的电阻变化有关. 若 R1、R2、R3 固定，R4 为温度之函数 Rt=R（t）=Rx，则当温度从 t→t+Δ t 时，R4→R4+Δ R，因电桥不平衡而产生的电压输出为U 0 (t ) ? R2 R4 ? R2 ?R ? R1R3 ?U S ( R1 ? R4 )(R2 ? R3 ) ? ?R( R2 ? R3 )（6）若阻值变化很小，即Δ R&&Ri（i=1、2、3、4） ，则（6）式公母中含有Δ R 之项 可以略去，室温 t0 时预调平衡，则（6）式变为R2 ?R U 0 (t ) ? ?U S ( R1 ? R4 )(R2 ? R3 )（7）由此可得三种电桥的输出为 等臂电桥U 0 (t ) ? U S ?R U ?R 1 ? ? ? S? 1 ? R 4 R 1? ? 4 R （8） 2 R卧式电桥U 0 (t ) ? U S ?R U ?R 1 ? ? ? S? 4 R 1 ? 1 ? ?R 4 R 2 R（9）立式电桥U 0 (t ) ? U S ?RR? ?R 1 RR? ?R ? ? ? US ? ? 2 2 1 ? R ( R ? R?) R 1? ? ( R ? R?) R 2 R（10）显然，当Δ R&&Ri 时，三种电桥的输出均与成 ? R 线性比例关系 . 特别要强调 R 的一点是公式（7）--（10）中之 R 和 R@，均为预 调不衡后的电阻值 . 测量到 输出电压后，通过上述公式运算到Δ R（x）/R 或Δ R（t） ，从而求得 R（t）=R+Δ R（t）. 由（8）--（10）式可知，在 R、Δ R 相同的情况下，等臂电桥、卧式电桥输出 电压比立式电桥的输出电压高，因此灵敏度也高，但立式电桥测量范围大，可以通选 择 R、R@来扩大测量范围，R、R@差距愈大，测量范围也愈大. 3. 铂电阻 导体的电阻值随温度变化而变化，通过测量其电阻值推算出被测环境的温度，利用 此原理构成的传感器就是热电阻温度传感器.，能够用于制作热电阻的金属材料必须具 备以下特性： （1） 电阻温度系数要尽可能大和稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关 系； （2） 电阻率高，热容量小，反映速度快； （3） 材料的复现性和工艺性好，价格低； （4） 在测量范围内物理和化学性质稳定.目前，在工业应用最广的材料是铂铜. 铂电阻与温度之间的关系，在 0-630.74℃范围内用下式表示RT=R0（1+AT+BT2）（11）在-200-0℃的温度范围内为RT=R0[1+AT+BT2+C（T-100℃）T3]（12）式中，R0 和 RT 分别为在 0℃和温度 T 时铂电阻的电阻值，A、B、C 为温度系数，由 实验确定， A=3.℃-1， B=-5.℃-2， C=-4.℃-4.由式 （11） 和式（12）可见，要确定电阻 RT 与温度 T 的关系，首先要确定 R0 的数值，R0 值不同 时，RT 与 T 的关系不同.目前国内统一设计的一般工业用标准铂电阻 R0 值有 100Ω 和 500Ω 两种， 并将电阻值 RT 与温度 T 的相应关系统一列成表格， 称其为铂电阻的分度表， 分度号分别用 Pt100 和 Pt500 表示. 铂电阻在常用的热电阻中准确度 较高，国际温标 ITS-90 中还规定，将 具有特殊 构造的 铂电阻作为 13.℃标准温度计使用， 铂电阻广泛用于 -200-850 ℃范围内的 温度测量，工业中通常在 600℃以下. 4.测温不平衡电桥如图 4 所示， 电桥电路为输出对称电桥， （卧式电 桥） ，VBD 为电桥的输出端，用数字表可 直接测量电桥的输出电压. 四、实验内容 1、安装好实验仪器， 将装有金属电阻 Pt100 插入恒温腔中. 将 Pt100 温度传感器图4引线接入实验模板 Rt 之间， 调节 R11 使之为 100.0Ω ,然后用导线连接 Rt 与 R11,接入 5V 的工作电压，用数字万用表测量 VBD 输出端电压,调节 Rw 使电桥平衡(VBD=0). 2、用导线和专用电缆将实验装置与主机相连，打开主机电源开关，选择适当的功 能（制冷或加热）. 2、3、 打开制冷加热开关， 若选择的是制冷功能就逆时针调节 “制冷温度粗选” 和 “制冷温度细选”旋钮到底， “加热 制冷”功能选择开关上的指示灯发亮（制冷状态） ， 同时观察紫铜恒温体的温度（数字温度表）的变化，当数字温度表上的温度即将达到 所需温度（如 0.0℃）时顺时针调节“制冷温度粗选” 和“制冷温度细选”旋钮使指 示灯闪烁 （恒温状态） ， 仔细调节 “制冷温度细选” 使温度恒定在所需温度 （如 0.0℃） . 3、待恒温腔内的温度稳定在所需温度（0.0℃）后，调节实验模板的 Rw 使电桥平 衡(VBD=0). 4．重新选择所需温度 T2（10.0℃） 、T3（20.0℃） 、T4（30.0℃） 、T5（40.0℃） 、 T6（50.0℃） 、T7（60.0℃） 、T8（70.0℃） 、T9（80.0℃） 、T10（90.0℃） 、T11（100.0℃） 、 T12（110.0℃） ，测出各温度时，电桥的输出电压.测量出其对应的阻值 U10、U20、U30、U 40、 U 50、U 60、U 70、U 80、U 90、U 100、U 110. 5、改变工作电压，复以上步骤，比较电桥输出电压有何不同. 6、根据上述实验数据，绘出 V-t 曲线. 7、根据 V-t 曲线，用该电桥测量温度. 8、将 Pt100 温度传感器换成 NTC 温度传感器，重新组成电桥并测量.实验四半导体热电特性的研究半导体热电特性的研究一．实验目的1、 了解半导体制冷电堆的工作原理; 2、 了解半导体材料的帕尔贴效应； 3、 了解半导体材料的塞贝克效应.二．实验仪器 YJ-SB-1 半导体热电特性综合实验仪. 三．实验原理 半导体制冷与传统的压缩气体制冷方法不同的是 它没有制冷剂，无复杂的运动机械部件和管路.其优点 为外型尺寸小、重量轻、无机械运动摩擦、无噪声、可 精确控制、可平移调节温度工况与制冷量.不存在由于 制冷剂泄露而引起的气污染，其维护简单，使用管理方 便，在许多领域尤其是在医疗领域中有厂泛的应用. 1.半导体热电材料的制冷原理 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，主要是利图53 4吸热 金属片 A P 散热 N 散热1 2金属片 B1金属片 B1用热电效应中的帕耳帖效应达到制冷目的 .1834 年法国人珀尔帖发现了珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）,帕耳帖效应是指在两种不同材料构成的回路上加上直流电压，相 交的结点上会出现吸热或放热的现象.因此，在由 A 有最佳热电转换特性的半导体热电 材料组成的 P 一 N 结两端，加上一定的直流电压，利用半导体热电材料的特性就可以 实现制冷或制热功能. 如图 5 为半导体热电单元制冷原理图.当电流的极性如图 3 所示时， 电子从电源负 极出发，经金属片 B,、结点 4,P 型半导体、结点 3、金属片 A、结点 2,N 型半导体、结 点 1、金属片 Bz，再回到电源的正极.但是 P 型半导体的多数载流子为空穴，其空穴电 流方向与电子相反.而空穴在金属中所具有能量低于在 P 型半导体中所具有的能量.因 此空穴在电场的作用下由金属片 A 通过结点 3 到达 P 型半导体时，必须增加一部分能 量.但是空穴白身无法增加能量，只有从金属片 A 处吸收能量，并且把这部分热能转变 成空穴的势能，因而使金属片 A 处的温度降低.而当空穴沿 P 型半导体经结点 4 流向金 属片 B，时，由于 P 型半导体中空穴能量大于金属 B,中空穴的能量，因而空穴要释放 出多余的势能，并巨将其转变为热能释放出来，则使金属片 B,处温度升高.而图 中 右 半部分是由 N 型半导体与金属片 A 和金属片 B:相连.N 型半导体的多数载流子为电子， 而电子在金属中的势能低于在 N 型半导体中所具有的势能.在电场的作用下，电子从金 属片 A 通过结点 2 到达 N 型半导体时必然要增加势能，而这部分势能只能从金属片 A 处取得，结果金属片 A 处的温度必然会降低.而当电子从 N 型半导体经结点 1 流向金属 片 B:时，因电子由势能高处流向势能低处，因此在金属 B:处释放能量，使之转变为热 能释放出来，则使金属片 B，处温度升高. 综上分析 ，金属片 A 处的温度在此电流状态下温度会降低而成为冷端，因而低温 的金属片 A 便从周围介质吸收热量而使周围介质得到冷却;金属片 B1 和 B2 处由于载流 子的释放能量而使之的温度升高，成为热端，在制冷过程中热端所产生的热量必须排 走.吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料 N、P 的元件对数来决定.一般 制冷片内部是由上百对电偶联成的热电堆，以达到增强制冷（制热）的效果，本实验 所使用的半导体制冷片每片上集成了 126 对电偶串联成的热电堆.把直流电流反向，半 导体致冷堆的冷端、热端就会互换. 2.半导体热电材料的温差电效应 早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上 发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应 成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基 础, 称为Seebeck（塞贝克）效应. 这一效应成为实现将热能 直接转换为电能的理论基础. 图6为实现热电转化模式的简单 示意图. 随着半导体材料的深入研究和广泛应用，热电性能良 好的半导体材料和半金属材料使热电效应的效率大大提高，从 而使热电效应发电渐步入实用阶段，目前在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领 域热电效应均有一定应用. 四．实验内容 1、安装好实验仪器，用导线将直流稳压电源输出与实验装置的两接线柱相连，用P TC LOADRL 图6 N TH专用电缆将主机测温电缆与实验装置相应的电缆座相连，数字多功能表输入端与实验 装置的两接线柱相连. 2、打开主机电源开关，记下室温 T0. 3、调节直流稳压电源，使直流电压输出最小，用连接线将直流电压输出与实验装 置的两接线柱相连. 缓慢调节直流稳压电源，使直流电压输出为 5V 左右，若紫铜恒温 体的温度逐步升高（半导体制冷片处于制热状态）. 4、 关闭直流稳压电源， 将输出的两根导线互换位置使半导体制冷片处于制冷状态. 5、 关闭直流稳压电源， 将输出的两根导线互换位置使半导体制冷片处于制热状态， 打开电源，待紫铜恒温体的温度升高到 100℃时，关闭电源停止加热；拔掉直流稳压电 源上的两根电源线，观察半导体制冷片的热电势与温差的关系.第四章一．概述PN 结正向特性综合实验仪PN 结温度传感器相对于其它温度传感器来说，具有灵敏度高、线性好、热响应快、易于实现集成化等优点。根据半导体理论可知， PN 结的正向压降与其正向电流和温度 有关，当正向电流保持不变时，正向压降只随温度的变化而变化。 本实验仪是在恒定的正向电流条件下，测试 PN 结正向压降与温度的关系，从而验 证这一原理。本实验也是集电学、热学为一体的综合性实验，适用于大专院校的普通 物理实验和有关专业的基础实验。 二．主要技术指标μA ，连续可调，细度 ? 1μA 电流稳定度： 1 ．测试恒流源 I F ：输出电流 0 ~
； 10 ? 2μA ，负载稳定度： 10 2．加热电流： 0.1 ~ 1A ，步进值 0.1A ，最大负载电压 15V ； 3．温度传感器 AD590 : 测量范围： 218.2K ~ 423.2K?即 ? 55?C ~ 150?C? ，测温精度： ? 1 ?C 输出电流： 218.2μA ~ 423.2μA?即1μA对应于绝对温度 1K? ； 1 4．正向电流、正向压降和温度的值分别用两组 3 位 LED 显示，精度： 0.5% 。 2三．仪器结构及说明1．测试仪:测试仪中的“ VF 输出及?V ”输出端可供外部测量时用。测试仪由恒流源基准电压 显示等部分组成，原理框图见图 4：在图 4 中，D 为被测 PN 结，R F 为 I F 的取样电阻，开关 K 用于选择测量对象和极性 变换的作用，其中 P1 , P2 测量 I F , P1 , P3 测量 VF , P1 , P4 测量 ? V 电压。μA ，可连续 恒流源有两组，其中一组提供正向电流 I F ，电流输出范围为 0 ~ 1000调节；另一组用于加热，其控温电流为 0.1 ~ 1A ，步进值 0.1A ，可用于选择不同的加热 测试温度。 可通过面板上的 “ ? V 调零” 电位器实现 ?V ? 0 。 此时若升温 ?V ? 0 ； VF ?0? 或 VF ?TR ? ， 若降温 ?V ? 0 ，则表明正向压降随温度升高而下降。另一组基准电压源用于温度转换 和校准，因为本实验采用 AD590 测温，它的输出电流按 1μA/K 变化，它与热力学温度 成正比，根据欧姆定律，在串联电路中，1kΩ 的取样电阻上将产生 1mV/K 的输出电压，8~ 4 2 3 . 2 m， V那 么 相 应 的 温 度 范 围 就 是 ： 若 输 出 电 压 为 2 1.2基准电压源也有两组，一组用于补偿被测 PN 结在 0?C 或室温 TR 时的正向压降218.2 ~ 423.2K?即 ? 55?C ~ ?150?C? 。为了方便地显示摄氏温度值，本仪器设置了一组273 .2mV 的基准电压，经转换后输出电压变为 ? 55mV ~ 150mV ，对应于摄氏温度? 55 ?C ~ ?150 ?C ，这样不仅可以用三位半数字电压表显示，而且直接用摄氏温标（ ?C为单位）显示温度，更符合实验者的使用习惯。 上述的 I F , VF 和?V ， 可通过 “测量选择” 开关来选择测量， 由另一量程为 ? 1000mV 的三位半数字电压表显示。另外，表示补偿 PN 结正向压降的 ? V 电压和表示温度的 VT 电压均有输出接口，可供外部测量或记录仪记录使用。 四．使用步骤： 1．组装好加热测试装置，注意安装牢靠，螺丝要拧紧。 2．连接相应的导线。 3．打开机箱背后的电源开关，两组数字表即有指示，若发现数字乱跳或溢出，则应 检查信号电缆插头是否插好或芯线有无折断、脱焊或检查待测 PN 结、测温元件连线是 否正常。 4．将“测量选择”开关 K 拨到 I F ，转动“ I F 调节”旋钮，把 I F 调节到需要数值， 再将 K 拨到 VF ， VF 也可改变，最后将 K 拨到 ? V ，转动“ ? V 调节”旋钮，使 ?V ? 0 。5．将“加热电源”用二芯专用线连至加测试装置上的二芯插座，并开启控温电流至0.2 A 档，加热指示灯即亮，1～２分钟后，可见温度显示逐渐上升。至此，仪器进入正常运行。可选择不同大小的加热电流来改变温升速率。 6． 仪器的温度测量值， 出厂时已在 0?C（冰水混合物） 条件下进行了校准， 仪器的“温 度校准”请不要随意调节，以免温度测量失准。如发现仪器温度显示存在偏差，可在室 温下用分辨率为 0.1?C 的标准温度表作标准，调节“温度校准”使数字温度表显示读数与 标准温度表相同。 7．用户如需做 0?C 实验时，需自备有冰水混合物的容器。将加热装置置入容器中， 等仪器显示温度为 0?C 时即可进行实验。 五．注意事项： 1．加热装置加热较长时间后，隔离圆筒外壳会有一定温升，注意安全使用。 2．仪器应存放于温度为 0 ~ 40?C ，相对湿度 30% ~ 85% 的环境中，避免与腐蚀性的 有害物质接触，并防止剧烈碰撞。实验五PN 结正向压降与温度关系常用的温度传感器有热电偶、测温电阻器和热敏电阻等，这些温度传感器均有各自的 优点，但也有它的不足之处，如热电偶适用温度范围宽，但灵敏度低、且需要参考温 度；热敏电阻灵敏度高、热响应快、体积小，缺点是温度特性呈非线性，且一致性较 差，这对于仪表的校准和调节均感不便；测温电阻如铂电阻有精度高、线性好的优点， 但灵敏度低且价格较贵；而 PN 结温度传感器则有灵敏度高、线性较好、热响应快和体 小轻巧易集成化等优点，所以其应用势必日益广泛。但是这类温度传感器的工作温度 一般为 ? 50?C ~ ?150 ?C ，与其它温度传感器相比，测温范围的局限性较大，有待于进 一步改进和开发。 一、实验目的 1．了解 PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。 2．在恒定正向电流条件下，测绘 PN 结正向压降随温度变化的曲线，并由此确定其 灵敏度及被测 PN 结材料的禁带宽度。 3．学习用 PN 结测量温度的方法。 二、实验原理 理想的 PN 结的正向电流 I F 和正向压降 VF 存在如下近关系式：I F ? Is ? exp(其中 q 为电子电量；q ? VF ) k?T（1）为玻尔兹曼常数； T 为绝对温度； I S 为反向饱和电流，它是一个和 PN 结材料的禁带宽度以及温度有关的系数，可以证明：IS ? C ? T r ? exp( ?q ? Vg ( 0) ) k?T（ 2）其中 C 是与结面积、掺杂质浓度等有关的常数， r 也是常数（见附录） ； Vg (0) 为绝 对零度时 PN 结材料的导带底和价带顶的电势差。 将（2）式代入（1）式，两边取对数可得：k C k?T VF ? Vg ( 0) ? ( ? ln ) ? T ? ln T r ? V1 ? Vn1 q IF q其中（3）k C V1 ? Vg ( 0) ? ( ? ln )T ， q IFVn1 ? ?k?T ? ln T r q方程（3）就是 PN 结正向压降对于电流和温度的函数表达式，它是 PN 结温度传感 器的基本方程。令 I F ? 常数 ，则正向压降只随温度而变化，但是在方程（3）中还包含 非线性项 Vn 1 。下面来分析一下 Vn 1 项所引起的线性误差。 设温度由 T1 变为 T 时，正向电压由 VF1 变为 VF ，由（3）式可得VF ? Vg ( 0) ? (Vg ( 0) ? VF1) ?T k?T T ? ? ln( ) r T1 q T1（4）按理想的线性温度响应， VF 应取如下形式V理想 ? VF1 ??VF1 (T ? T1) ?T（5）?V F1 ?VF ?VF 为曲线的斜率，且 T1 温度时的 等于 T 温度时的 值。 ?T ?T ?T由（3）式可得?VF1 Vg ( 0) ? VF1 k ?? ? ?r ?T T1 q所以（6）? Vg (0) ? VF1 k ? V理想 ? VF1 ? ? ? ? r? ? (T ? T1) ?? T 1 q ? ? ?? Vg ( 0) ? (Vg ( 0) ? VF1) ? T k ? ? (T ? T1) ? r T1 q（7）由理想线性温度响应（7）式和实际响应（4）式相比较，可得实际响应对线性的理 论偏差为k k?T T ? ? V理想 ? VF ? ? ? (T ? T1) ? r ? ? ln( ) r q q T1（8）设 T1 ? 300K ，T ? 310 K ， 取 r ? 3 .4 , 由 （8） 式可得 ?V ? 0.048 mV ， 而相应的 VF 的改变量约 20 mV ，相比之下误差甚小。不过当温度变化范围增大时， VF 温度响应的 非线性误差将有所递增，这主要由于 r 因子所致。综上所述，在恒流供电条件下， PN 结的 VF 对 T 的依赖关系取决于线性项 V1 ，即正 向压降几乎随温度升高而线性下降，这就是 PN 结测量温度的理论依据。必须指出，上 述结论仅适用于杂质全部电离，本征激发可以忽略的温度区间（对于通常的硅二极管 来说，温度范围约 ? 50?C ~ ?150 ?C ） 。如果温度低于或高于上述范围时，由于杂质电离 因子减小或本征载流子迅速增加， 这一现象说明 VF ~ T VF ~ T 关系将产生新的非线性， 的特性还随 PN 结的材料而异，对于宽带材料（如 GaAs, Eg ? 1.43eV ）的 PN 结，其高 温端的线性区域宽；而材料杂质电离能小（如 InSb ）的 PN 结，则低温端的线性范围宽。 对于给定的 PN 结，即使在杂质导电和非本征激发温度范围内，其线性度亦随温度的高 dV d2V 1 低而有所不同，这是非线性项 Vn 1 引起的，由 Vn 1 对 T 的二阶导数 2 ? 可知， n1 dT T dT 的变化与 Vn 1 成反比，所以 VF ~ T 的线性度在高温端优于低温端，这是 PN 结温度传感 器的普遍规律。此外，由（4）式可知，减小 I F ，可以改善线性度，但并不能从根本 上解决问题，目前行之有效的方法大致有两种： 1. 利用对管的两个 be 结（将三极管的基极与集电极短路与发射极组成一个 PN 结） ， 分别在不同电流 I F1 , I F2 下工作，由此获得两者之差 ?I F1 ? I F2 ? 与温度成线性函数关系， 即：VF1 ? VF2 ?I K?T ?1n F1 q I F2由于晶体管的参数有一定的离散性，实际值与理论值仍然存在差距，但对于单个 PN 结相比其线性度与精度均有所提高，这种电路结构与恒流、放大等电路集成一体，便 构成电路温度传感器。 2．采用电流函数发生器来消除非线性误差。由（3）式可知，非线性误差来自 T r 项， 利用函数发生器， I F 比例于绝对温度的 r 次方，则 VF ~ T 的线性理论误差为 ? ? 0 。实 验结果与理论值比较一致，其精度可达 0.01 ?C 。 三、实验内容和方法 1．实验系统检查与连接: （1）根据图 1 了解待测 PN 结管和测温传感器及加热部件的 结构，可取下隔离圆筒的筒套（左手扶筒盖，右手扶筒套逆时 针旋转） 。 图 1 中：①―加热电源插口， ②―接线盒， ③―加热管 （铜管内部） ， ④―温度传感器（AD590） ， ⑤―加热铜块， ⑥―PN 结管（1815 三极管） ⑦―信号输入接口。 （2）用七芯插头导线、二芯插头导线各 1 根分别连接测试仪 器的“加热电源” 、 “信号输入”与测试架接线盒上的两插座。 “加热电流”开关置“0”位置，在连接导线时，应先对准插头 与插座的凹凸定位标记，即可插入。带有螺母的插头待插入后 与插座拧紧，导线拆除时，直插式的应拉插头的可动外套，带有螺母的插头应旋松， 决不可鲁莽左右转动或硬拉，否则可能拉断引线影响实验。2．转动“加热电流”开关，从“0”至“0.1”A，预热几分钟后，此时测试仪上将 显示出室温为 TR ， :再与标准温度计上的指示值相比 标准温度计相同。记录下起始温度 TR ，然后切断加热电流。 3． VF ?0? 或 VF ?TR ? 的测量和调零: 将“测量选择”开关拨到 I F ，由“ I F 调节”使 I F ? 50μA ，将“测量选择”开关拨到 本实验的起始温度如需从 0 ?C 开始，则需将隔离圆筒置于冰水混合物中，待显示 温度至 0 ?C 时，再开始进行测量。 4．测定 ?V ? T 曲线: 开启加热电流 （指示灯亮） ， 逐步提高加热电流进行变温实验， 并记录对应的 ?V 和T ，至于 ? V 、 T 的数据测量，采用每改变 10 mV 立即读取一组 ? V 、 T 值，这样可以减图1较，若不准确，用小一字螺丝刀调节“温度校准”电位器，使测试仪上显示的温度与VF ，记下 VF ?TR ? 值，再将“测量选择”开关置于 ? V ，由“ ? V 调节”使 ?V ? 0 。小测量误差。应该注意：在整个实验过程中要注意升温速率要慢，且温度不宜过高， 最好控制在 120 ?C 以内。 5．求被测 PN 结正向压降随温度变化的灵敏度 S?mV/?C? 以 T 为横坐标， ? V 为纵坐 标，作 ?V ? T 曲线，其斜率就是 S 。 6．估算被测 PN 结材料的禁带宽度。根据（6）式，略去非线性项，可得:Vg ?0 ? ? VF1 ??VF1 ? T1 ? VF1 ? S ? T1 ?T实际计算时将斜率 S 、 温度 T1 （注意单位为 K ） 及此时的 VF1 值代入上式即可求得 Vg ?0 ? ， 禁带宽度 E g ?0 ? ? q ? Vg ?0 ? 。将实验所得的 E g ?0 ? 与公认值 E g ?0 ? ? 1.21eV 比较，求其误差。 7．数据记录: mA ； ?C ；工作电流： I F ? 实验起始温度： TR ? A ； mV ； 控温电流： 起始温度为 TR 时压降： VF ?TR ? ? 8．改变加热电流重复上述步骤进行测量，并比较两组测量结果。 9． 改变工作电流 I F ? 100μA 重复上述 （1～7） 步骤进行测量， 并比较两组测量结果。 四、选做内容 根据实验原理及结论将该 PN 结制成温度传感器，使其灵敏度最大，试确定其工作 电流及其测量范围，并标定其刻度。 五、预习思考题 1．测 VF?0 ? 或 VF?TR ? 的目的何在？为什么实验要求测 ?V ? T 曲线而不是 VF ? T 曲线。 2．测 ?V ? T 为何按 ? V 的变化读取 T ，而不是按自变量 T 读取 ? V 。 3．在测量 PN 结正向压降和温度的变化关系时，温度高时 ?V ? T 线性好，还是温度 低好？ 4．测量时，为什么温度必须控制在 T ? ?50?C ~ ?150 ?C 范围内？【附录一】实验数据及处理（供参考）1． （2）式的证明参阅黄昆，谢德著的半导体物理。 2． r 的数值取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取 r ? 3.4 。PN结温度特性测试实验数据示范参考表 测试条件 I f ? 50μAT (?C)32.0 35.4 40.4 45.0 49.6 54.2 58.9 63.4 68.0 72.5 77.2 81.7 86.2 90.7 95.2 99.7 104.2 108.9 113.3 117.7测试条件 I f ? 100μAT (K )305.2 308.6 313.6 318.2 322.8 327.4 332.1 336.6 341.2 345.7 350.4 354.9 359.4 363.9 368.4 372.9 377.4 382.1 386.5 390.9?V (mV)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190T (?C)40.7 45.8 49.3 53.7 58.2 62.7 67.3 71.9 76.6 81.2 85.9 90.6 95.3 100.1 104.9 109.6 114.5 119.3?V (mV)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170T (K )313.9 319 322.5 326.9 331.4 335.9 340.5 345.1 349.8 354.4 359.1 363.8 368.5 373.3 378.1 382.8 387.7 392.5根据表格中的数据,用 Excel 作图,并写出线性方程和相关系数。请参看下图。 说明：以下图形是用 Excel 作图后，再用图板修改的。第五章一、实验仪组成传感器设计实验仪传感器实验仪：主要由机壳、机头（传感器安装台） 、显示面板、调理电路面板（传感器输出 单元、传感器转换放大处理电路单元）等组成。1、 机壳：机壳内部装有直流稳压电源、振荡信号板等。2、机头（传感器安装平台） ：机头图 由悬臂双平行梁和振动台组成。 ?、双平行梁（应变梁） ： 在双平行梁的上、下梁片表面粘贴了应变片；封装了 PN 结、NTC RT 热敏电阻、热电偶、加热 器；在梁的自由端安装了压电传感器、激振器（磁钢、激振线圈）和测微头。 测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。 激振器：激励双平行梁振动，做动态实验。 ?、振动台： 在振动台周围安装了光电转速传感器、电涡流传感器、光纤传感器、差动变压器、压阻式压力 传感器、电容式传感器、磁电式传感器、霍尔式传感器；在振动台的下方安装了激振器（磁钢、激振线圈） ；在振动台的上方安装了测微头。 测微头：调节测微头产生力或位移，做静态实验。 激振器：激励振动台梁振动，做动态实验。3、显示面板：由主电源单元、电机控制单元、直流稳压电源单元、F／V 表（电压表）单元、PC 口单元、电 流表（频率／转速表）单元、音频振荡器单元、低频振荡器单元、±15V 电源单元等组成。4、调理电路面板：由传感器输出单元、副电源、电桥、差动放大器、电容变换器、电压放大器、移相器、相敏检 波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等组成。5、数据采集卡及处理软件：详见三、V9.0 数据采集卡及处理软件。 ＊备注：实验仪的具体配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。二、主要技术参数、性能及说明（一） 、传感器（机头）部分：1、电阻应变片：电阻值 350Ω 左右；应变系数为 2。 2、热电偶：直流电阻 10Ω 左右（由两个串接而成） ；分度号为 T；冷端为环境温度。 3、热敏电阻：NTC 半导体热敏电阻；25℃时为 10KΩ 左右。 4、PN 结温度传感器：利用 1N4148 良好的温度线性电压特性；灵敏度为-2.1mV/℃。 5、压电加速度传感器：由压电陶瓷片和铜质量块构成；电荷灵敏度为 20pc/g。 6、光电转速传感器：透射式光电耦合器（光电断续器） ；TTL 电平输出。 8、电涡流传感器：直流电阻 1Ω ～2Ω ；位移量程≥1mm。 9、光纤传感器：由半圆双 D 分布的多模光纤和光电变换座构成；位移量程≥1mm。 10、差动变压器：一个初级线圈、二个次级线圈（自感式）和铁芯构成；三个线圈直流电阻分别 为 5～10Ω ；音频 3KHz～5KHz、电压峰峰值为 Vp-p＝2V 激励；位移量程≥±4mm。 11、压阻式压力传感器： Vs ―Vs+ -端直流电阻为 4.7KΩ 左右、 Vo ―Vo 端直流电阻为 7KΩ 左右；+-4V 直流电源供电；量程为 20kPa 。 12、电容式传感器：由两组定片和一组动片构成差动变面积电容；量程≥±2mm 。 13、磁电式传感器：由线圈和动铁构成；直流电阻 30Ω ～40Ω ；灵敏度为 500mV/（m/s） 。 14、霍尔式传感器：霍尔片置于环形磁钢产生的梯度磁场中构成位移传感器；传感器激励端口直 流电阻 800Ω ～1.5KΩ ，输出端口直流电阻 400Ω ～600Ω ；位移量程≥1mm。 15、气敏传感器：酒精敏感型，TP-3 集体半导体气敏传感器；测量范围 50～500ppm。 16、湿敏传感器：电阻型，阻值变化几 MΩ ～几 KΩ ；测量范围 30％RH～90％RH。 17、激振线圈：振动激振器，直流电阻 30Ω ～40Ω 。18、光电变换座：由红外发射、接收管构成，是光纤传感器的组件之一。 19、其它：25mm 测微头、加热器；光源、光敏电阻、光敏二、三极管；硅光电池、光电开关。 ＊备注：传感器配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。（二） 、显示面板部分：显示面板图 1、线性直流稳压电源： ?、±2V～±10V 分五档步进调节输出，最大输出电流 1A，纹波≤5mV。 ?、±15V 定电压输出，最大输出电流 1A，纹波≤10mV。 2、显示表： ?、三位半数字直流电压表：三档量程（200mV、2V、20V）切换， 精度±［ （0.2％）＋2 个字］ 。 ?、三位半数字直流 F/V(频率/电压)表：五档（200mV、2V、20V、2KHz、20KHz）切换， 精度±［ （0.2％）＋2 个字］ 。 ?、四位频率／转速数字表：频率―转速切换，频率量程 9999Hz，转速量程 5000n／min。 ?、三位半数字直流电流表：四档量程（200mA、20mA、200μ A、20μ A）切换， 精度±［ （0.2％）＋2 个字］ 。 3、振荡信号： ?、音频振荡器：频率 0.4KHz～10KHz 连续可调输出，幅度 20Vp-p 连续可调输出，二个输出 相位 0°（Lv） 、180°，Lv 端最大输出电流 0.5A。 ?、低频振荡器：频率 3Hz～30Hz 连续可调输出，幅度 20Vp-p 连续可调输出，最大输出电流 0.5A。 4、PC 接口：最大允许输入电压 DC ±10V。 ＊备注：显示面板功能、配置根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。（三） 、调理电路面板：调理电路面板图 1、传感器输出单元：＊备注：根据型号不同有差异，以具体型号的实物为准。 2、调理电路单元：?、电桥：由电桥模型、电桥调平衡网络组成。组成直流电桥时作为应变片、热电阻的变换电路； 组成交流电桥时作为调制器。 ?、差动放大器：可接成同相、反相、差分放大器。通频带 0-10KHz，增益 1-101 倍可调。 ?、电容变换器：差动式电容传感器的调理电路。由高频振振荡器、放大器、二极管环形充放电 电路组成。 ?、电压放大器：同相输入放大器。通频带 0～10KHz，幅度最大时增益约为 6 倍。 ?、移相器：移相范围≥20°，允许最大输入电压峰峰值为 Vp-p＝10V。在解调电路中用于补偿 信号的相位。 ?、相敏检波器：由整形电路与电子开关电路构成的检波电路。允许最大输入检波信号峰峰值为 Vp-p＝10V，通频带 0～10KHz。 ?、电荷放大器：电容反馈型放大器。用于放大压电传感器的输出信号。 ?、低通滤波器：由 50Hz 的陷波器与低通 RC 滤波器构成。转折频传 35Hz 左右。 ?、涡流变换器：涡流传感器的调理电路，涡流线圈是振荡电路中的电感元件之一为变频调幅式 电路。（四） 、实验仪供电与尺寸：供电：AC 220V 50Hz 功率 0.2kW； 实验仪尺寸为 520?400?400(mm)。三、 9.0 数据采集卡及处理软件简介(一)、数据采集卡及处理软件： V9.0 版V9.0 版数据采集卡是在原 V8.0 版基础上的一个升级版本，针对目前市售的传感器实验系统所 配的采集卡动态范围太小，分辨率和精度过低的缺点，V9.0 版采用了工业级的解决方案，达到了很 高的测量精度和动态范围，接口部分采用 RS-232/USB 接口，方便用户的实际使用。该采集卡能完 全满足实验的要求。 具体技术指标如下： 1、接口标准：RS-232/USB 接口 2、A/D：12 位 3、通道数：A、B 通道 4、采样：同步、异步 5、触发方式：软触发、硬触发 6、 采样频率： 100KHz(分档可选) 7、测量误差：0.2mv 8、测量量程：最大可达正负 15V 9、 支持电压、 电流信号直接输入， 需配备转换器 10、操作环境：windows98/2000/xp 11、应用软件：CSY-V9.0 数据采集与处理软件 无(二)、虚拟仪器软件：V9.0 版本软件是和 V9.0 采集卡配套使用，以 RS-232/USB 进行通讯，采用 RS-232/USB 标准协议，是 一个高效、实时的数据采集系统。该采集系统除了与本公司的 CSY 系列传感器实验仪配合使用外也 可单独对外部信号进行采集(信号频率 f≤1kHz)。(三)、系统需求：1、操作系统：Windows 98 /2000/XP 简体中文版 2、Intel Pentium Ⅲ500MHz 或 AMD Athlon700MHz 以上 3、128M 以上内存 4、400M 以上硬盘空间供软件安装和备份 5、有 RS-232/USB 接口 6、4 倍速以上的 CD-ROM(四)、该软件主要功能有以下几点：1、软件按照公司实验指导书编写，大部分实验能用此数据采集软件进行实验操作。2、软件采集设置可分单步采样、定时采样、双向采样、与动态采样。在单步采样时可以以最小二 乘法与端点法分析其最大非线性误差或最大迟滞误差，在动态实验时可以分析其输入波形的频率、 振幅或转速。 3、支持打印功能，能把实验结果在实验结束后即可打印出来。 4、采集卡硬件具有程控放大功能，在测量小电压时能有很高精度。 5、在数据采集时通讯速率在 V8.0 数据采集卡的基础上有很大提高 6、数据采集软件支持 RS232/USB 通讯。 7、支持差动输入功能。 8、支持双通道数据采样。 9、具有虚拟低频示波器功能，并能对波形进行简单频谱、失真度分析。实验六 应变片单臂、半桥、全桥特性比较实验 应变直流全桥的应用―电子秤实验 应变片交流全桥的应用(应变仪)―振动测量实验一、实验目的：了解应变直流全桥的应用及电路的标定。 二、基本原理：常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。数字电 子秤实验原理如图 7―1。本实验只做放大器输出 Vo 实验，通过对电路的标定使电路输 出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。图 7―1数字电子称原理框图三、需用器件与单元：机头中的应变梁的应变片；显示面板中的 F/V 表(或电压表)、 ±2V～±10V 步进可调直流稳压电源；调理电路面板传感器输出单元中的箔式应变片； 调理电路单元中的电桥、差动放大器；砝码（20g／只） 。 四、实验步骤： 1、差动放大器调零点：按图 7―2 示意接线。将 F／V 表(或电压表)的量程切换开关 切换到 2V 档，合上主、副电源开关，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转 到底后再逆向回转一点点(放大器的增益为最大，回转一点点的目的：电位器触点在根 部估计会接触不良)，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示电压为零。差动放 大器的零点调节完成，关闭主电源。图 7―2 差放调零接线图图 7―3 电子秤实验接线示意图 2、将±2V～±10V 步进可调直流稳压电源切换到 4V 档，按图 7―3 接线，检查接 线无误后合上主电源开关。在梁的自由端无砝码时，调节电桥中的 W1 电位器，使数显 表显示为 0.000V。将 10 只砝码全部置于梁的自由端上（尽量放在中心点） ，调节差动 放大器的增益电位器，使数显表显示为 0.200V(2V 档测量)或－0.200V。 3、拿去梁的自由端上所有砝码，如数显电压表不显示 0.000V 则调节差动放大器 的调零电位器，使数显表显示为 0.000V。再将 10 只砝码全部置于振动台上（尽量放在 中心点） ，调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为 0.200V(2V 档测量 ) 或－ 0.200V。 4、重复 3 步骤的标定过程，一直到误差较小为止，把电压量纲 V 改为重量纲 g， 就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在梁的自由端上，并依次记录重量和电压数据填入下表 5。 6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。 表 7 电子称实验数据重量(g) 电压(mV)7、在梁的自由端上放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。实验完毕，关闭电源。实验七压阻式压力传感器的压力测量实验 电容式传感器的位移实验压阻式压力传感器的压力测量实验一、实验目的：了解扩散硅压阻式压力传感器测量压力的原理和标定方法。 二、基本原理：扩散硅压阻式压力传感器的工作机理是半导体应变片的压阻效应，在 半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使 得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应 。一般半导体应变采 用 N 型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出多个半导体电阻应变薄 膜（扩散出敏感栅）组成电桥。在压力（压强）作用下弹性元件产生应力，半导体电 阻应变薄膜的电阻率产生很大变化，引起电阻的变化，经电桥转换成电压输出，则其 输出电压的变化反映了所受到的压力变化。图 10―1 为压阻式压力传感器压力测量实 验原理图。图 10―1 压阻式压力传感器压力测量实验原理三、需用器件与单元：机头压力传感器；显示面板中的 F/V 表(或电压表)、±2V～± 10V 步进可调直流稳压电源；调理电路面板传感器输出单元中的压阻式压力传感器；调 理电路单元中的差动放大器；铜三通引压胶管、手捏气泵、压力表。 四、实验步骤： 1、将机头上的压力传感器用铜三通引压胶管与压力表和手捏气泵连接好。如图10―2 所示，并松开手捏气泵的单向阀。 2、在显示与调理电路面板上按图 10―3 接线（注意：压阻的电源端 VS 与输出端 Vo 不能接错） 。将 F／V 表(或电压表)量程切换开关切到 2V 档；可调直流稳压电源切到 4V 档。检查接线无误后合上主、副电源开关，将差动放大器的增益电位器按顺时针方 向缓慢转到底后再逆向回转 1/3，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。 3、锁紧手捏气泵的单向阀，仔细地反复手捏(注意：用力不要过大) 气泵并同时观 察 压力表，压力上升到 4Kpa 左右时调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应 的 0.4V 左右。再仔细地反复手捏气泵压力上升到 19Kpa 左右时调节差动放大器的增益 电位器，使电压表相应显示 1.9V 左右。图 10―2压阻式压力传感器测压实验连接图图 10―3压阻式压力传感器测压实验接线图4、仔细地慢悠悠松开手捏气泵的单向阀，使压力慢慢下降到 4Kpa 时锁紧气泵的 单向阀，调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为相应的 0.400V。再仔细地反复手捏气泵压力上升到 19Kpa 时调节差动放大器的增益电位器，使电压表相应显示 1.900V。 5、重复步骤 4 过程，直到认为已足够精度时调节手捏气泵使压力在 3～19KPa 之 间变化，每上升 1KPa 气压分别读取电压表读数，将数值列于表 10。 表 10 压阻式压力传感器测压实验数据：P(KPa) Vo(p-p)6、画出实验曲线计算本系统的灵敏度和非线性误差。实验完毕，关闭所有电源。电容式传感器的位移实验一、实验目的：了解电容式传感器结构及其特点。 二、基本原理： 1、原理简述：电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换 成电容量的变化来实现测量的。电容传感器的输出是电容的变化量。利用电容 C＝ε A ／d 关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε 、A、d 中三个参数中，保持二个参 数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε 变） 、测位移（d 变）和测液 位（A 变）等多种电容传感器。电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱(圆筒)形， 虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。本实验采用的传感器为二组静 态极片与一组动极片组成二个平板式变面积差动结构(二个平板式变面积电容变化量之 差△ C ＝△ C1- △ C2) 的电容位移传感器 ( 具体平板式变面积电容传感器原理参阅教课 书)，差动式一般优于单组(单边)式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。 1、电容变换器原理图与调理电路中的电容变换器面板图：如图 11―1 所示。电容 变换 器的核心部分是图 11―2 的二极管环形充、放电电路。图 11―1 电容变换器原理图与面板图图 11―2 二极管环形充放电电路在图 11―2 中，环形充放电电路由 D3、D4、D5、D6 二极管、C5 电容、L1 电感和 CX1、CX2 实验差动电容位移传感器组成。 当高频激励电压(ｆ&100kHz)输入到ａ点， 由低电平 E1 跃到高电平 E2 时， 电容 CX1 和 CX2 两端电压均由 E1 充到 E2。充电电荷一路由ａ点经 D3 到 b 点，再对 CX1 充电到 O 点(地)；另一路由由ａ点经 C5 到 c 点，再经 D5 到 d 点对 CX2 充电到 O 点。此时，D4 和 D6 由于反偏置而截止。在 t1 充电时间内，由ａ到 c 点的电荷量为： Q1＝CX2(E2-E1)（11―1）当高频激励电压由高电平 E2 返回到低电平 E1 时，电容 CX1 和 CX2 均放电。CX1 经 b 点、D4、c 点、C5、ａ点、L1 放电到 O 点；CX2 经 d 点、D6、L1 放电到 O 点。在 t2 放电时间内由 c 点到ａ点的电荷量为： Q2＝CX1(E2-E1)（11―2）当然， （11―1）式和（11―2）式是在 C5 电容值远远大于传感器的 CX1 和 CX2 电 容值的前提下得到的结果。电容 C5 的充放电回路由图 11―3 中实线、虚线箭头所示。 在一个充放电周期内（Ｔ＝t1＋t2） ，由 c 点到ａQ2＝CX1(E2-E1)点的电荷量为： Ｑ＝Q2-Q1＝(CX1-CX2)(E2-E1)＝△CX △E （11―3）式中：CX1 与 CX2 的变化趋势是相反的（传感器的结构决定的，是差动式） 。 设激励电压频率 f＝1/T，则流过 ac 支路输出的平均电流 i 为： i＝fＱ＝f△CX △E （11―4）式中：△E―激励电压幅值；△CX―传感器的电容变化量。 由（11―4）式可看出：f、△E 一定时，输出平均电流 i 与△CX 成正比，此输出 平均电流 i 经电路中的电感 L2、电容 C6 滤波变为直流 I 输出，再经 Rw 转换成电压输 出 Vo1＝I Rw。由传感器原理已知?C 与?X 位移成正比，所以通过测量电路的输出电压 Vo1 就可知?X 位移。2、电容式位移传感器实验原理方块图如图 11―3图 11―3 电容式位移传感器实验方块图三、 需用器件与单元： 机头中的振动台、 测微头、 电容传感器； 显示面板中的 F/V 表(或 电压表)；调理电路面板传感器输出单元中的电容；调理电路单元中的电容变换器、电 压放大器。 四、实验步骤： 1、 按图 11―4 所示接线。 调节测微头的微分筒使测微头的测杆端部与振动台吸合， 再逆时针调节测微头的微分筒（振动台带动电容传感器的动片阻上升） ，直到电容传感 器的动片组与静片组上沿基本平齐为止（测微头的读数大约为 20mm 左右）作为位移的 起始点。图 11―4 电容传感器位移测量系统接线示意图1、将显示面板中的 F/V 表(或电压表) 的量程切换开关切换到 20V 档， 再将电容变 换 器的按钮开关按一下（开） 。检查接线无误后，合上主、副电源开关，读取电压表显示 值为起始点的电压，填入下表 11 中。 3、仔细、缓慢地顺时针调节测微头的微分筒一圈△X=0.5mm(不能转动过量，否则 回转会引起机械回程差)从 F／V 表(或电压表)上读出相应的电压值，填入下表 11 中， 以后， 每调节测微头的微分筒一圈△X=0.5mm 读出相应的输出电压直到电容传感器的动 片组与静片组下沿基本平齐为止。表 11 电容传感器测位移实验数据X(mm) V(V) ?? ??4、根据表 11 数据作出△X―V 实验曲线，在实验曲线上截取线性比较好的线段作 为测量范围并在测量范围内计算灵敏度 S=△V／△X 与线性度。实验完毕，关闭所有电 源开关。实验八差动变压器的性能实验 差动变压器零点残余电压补偿实验 差动变压器的应用―振动测量实验差动变压器的性能实验一、实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。 二、基本原理：差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。差动变压器的结构如 图 12―1 所示，由一个一次绕组 1 和二个二次绕组 2、3 及一个衔铁 4 组成。差动变压器 一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变 化。由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接） ，以差动电势输出，所以把这种传感 器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。 当差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响） ， 它的等效电路如图 12―2 所示。图中 U1 为一次绕组激励电压；M1、M2 分别为一次绕组 与两个二次绕组间的互感：L1、R1 分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22 分别 为两个二次绕组的电感；R21、R22 分别为两个二次绕组的有效电阻。对于差动变压器， 当衔铁处于中间位置时，图 12―1 差动变压器的结构示意图图 12―2 差动变压器的等效电路图两个二次绕组互感相同，因而由一次侧激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕 组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组 L21，这时互感 M1 大， M2 小，因而二次绕组 L21 内感应电动势大于二次绕组 L22 内感应电动势，这时差动输 出电动势不为零。在传感器的量程内，衔 势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组 L22 铁位移越大， 差动输出电动 一边移动差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电 动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。 由图 12―2 可以看出一次绕组的电流为： 二次绕组的感应动 势为：由于二次绕组反向串接，所以输出总电动势为：其有效值为：差动变压器的输出特性曲线如图 12―3 所示.图中 E21、E22 分别为两个二次绕组 的输出感应电动势，E2 为差动输出电动势，x 表示衔铁偏离中心位置的距离。其中 E2 的实线表示理想的输出特性，而虚线部分表示实际的输出特性。Eo 为零点残余电动势， 这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的。零点残余电动势 的存在，使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏，给测量带来误差，此值的大小是 衡量差动变压器性能好坏的重要指标。为了减小零点残余电动势可采取以下方法：图 12―3差动变压器输出特性1、尽可能保证传感器几何尺寸、线圈电气参数及磁路的对称。磁性材料要经过处 理， 消除内部的残余应力，使其性能均匀稳定。 2、选用合适的测量电路，如采用相敏整流电路。既可判别衔铁移动方向又可改善 输出特性，减小零点残余电动势。 3、采用补偿线路减小零点残余电动势。图 12―4 是其中典型的几种减小零点残余 电动势的补偿电路。在差动变压器的线圈中串、并适当数值的电阻电容元件，当调整 W1、W2 时，可使零点残余电动势减小。(a) 图 12―4(b) 减小零点残余电动势电路(c)三、需用器件与单元：机头中的振动台、测微头、差动变压器；显示面板中音频振荡 器；调理电路面板传感器输出单元中的电感；双踪示波器(自备)。 四、实验步骤： 1、如下图 12－5，Li 为初级线圈(一次线圈)；Lo1、Lo2 为次级线圈(二次线圈)； ＊号为同名端。差动变压器的原理图参阅图 12―2。 2、按图 12―5 示意接线，差动变压器的原边 Li 的激励电压(绝对不能用直流电压 激励)必须从显示面板中音频振荡器的 Lv 端子引入，检查接线无误后合上主电源开关， 调节音频振荡器的频率为 3～5KHz[示波器监测、读数。正确选择双线（双踪）示波器 的“触发”方式及其它设置]的某一值；调节输出幅度峰峰值为 Vp-p＝2V（示波器第一 通道监测） 。图 12― 5 差动变压器性能实验安装、接线示意图3、差动变压器的性能实验：使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的 过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可采用仔细、缓慢地单向调节位移 方法并且不要调节过量。 a、逆时针方向（往上）调节测微头的微分筒(0.01mm/每小格)，使微分筒的 0 刻 度线对准轴套的 20mm 刻度线，记录此时示波器[正确选择双线（双踪）示波器的“触 发”方式及其它设置]第二通道显示的波形 Vp-p(峰峰值)值为实验起点值并填写在表 12 中。 b、 顺时针方向(往下) 每隔△X=0.2mm 调节测微头的微分筒并从示波器上读出相应 的电压 Vp-p 值(可取 80 个点值，当示波器显示的波形过“零”反相时作为“负”值)， 填入下表 12 中(这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差)。 表 12 差动变压器性能实验数据△X(mm)Vp-p(mV)4、 根据表 12 数据作出 X－Vp-p 实验曲线并回答差动变压器的零点残余电压大小？ 实验完毕，关闭电源。 五、思考题： 1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？2、用直流电压激励会损坏传感器。为什么？ 3、差动变压器为何存在零点残余电压？用什么方法可以减小零点残余电压？差动变压器零点残余电压补偿实验一、实验目的：了解差动变压器零点残余电压概念及补偿方法。 二、基本原理：由于差动变压器次级二线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列 的不均匀性，铁芯 B－H 特性的非线性等，造成铁芯(衔铁) 无论处于线圈的什么位置 其输出电压并不为零，其最小输出值称为零点残余电压。在实验十二(差动变压器的性 能实验)中已经得到了零点残余电压，用差动变压器测量位移应用时一般要对其零点残 余电压进行补偿。补偿方法阅读实验十二（二、基本原理） ，本实验采用（ c）补偿线 路减小零点残余电压。 三、需用器件与单元：机头中的振动台、测微头、差动变压器；显示面板中音频振荡 器；调理电路面板传感器输出单元中的电感、调理电路面板中的电桥；双踪示波器(自 备)。 四、实验步骤： 1、图 14 为差变残余电压补偿原理图实验接线示意图，按下图 14 示意接线。检查 接线无误后，合上主电源开关。调节测微头使差变输出的幅值（示波器测试）为最小， 再调节电桥单元中的 W1 与 W2（二者反复交替调节）使差变输出的幅值（示波器测试） 为更小。按实验十二（差动变压器的性能实验）3 的 a、b 步骤实验，作出 X－Vp-p 实 验曲线。图 14 零点残余电压补偿实验接线示意图2、比较二者（实验十二与实验十四）实验结果。实验完毕，关闭电源。＊说明：调理电路面板上的电桥单元是通用单元，不是差变补偿专用单元，因而补偿电路中的 r、c 元件参数值不是最佳设计值，会影响补偿效果。但学生只要通过实验理解补偿概念及方法就达 到了目的。差动变压器的应用―振动测量实验一、实验目的：了解差动变压器测量振动的方法。 二、基本原理：参阅实验十二、实验十五。当差动变压器的衔铁连接杆与被测体连接 时就能检测到被测体的位移变化或振动。 三、需用器件与单元：机头中的振动台、差动变压器；显示面板中音频振荡器、低频 振荡器；调理电路面板传感器输出单元中的电感、激振；调理电路面板中的电桥、差 动放大器、移相器、相敏检波器、低通滤波器；双踪示波器(自备)。 四、实验步骤： 1、调节测微头远离振动台，不能妨碍振动台的上下运动。按图 16 示意接线。图 16 差动变压器振动测量接线示意图2、将音频振荡器和低频振荡器的幅度电位器逆时针轻轻转到底（幅度最小） ，并 调整好有关部分。调整如下： （1）检查接线无误后合上主、副电源开关。用示波器 [正 确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它(TIME/DIV ：在 0.5mS～0.1mS 范围 内选择；VOLTS/DIV：1V～5V 范围内选择)设置] 监测音频振荡器 LV 的频率和幅值，调 节音频振荡器的频率、幅度旋钮使 LV 输出 4～6KHz 左右、Vp-p=5V 的激励电压。 （2） 将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底，再逆时针回转 1/2。用示波器观察相敏检波器输出，再用手往下压住振台的同时调节移相器的移相电位器，使示波器显 示的波形为一个全波整流波形（如相邻波形谷底不在同一水平线上，则调节差动放大 器的调零旋钮使相邻波形谷底在同一水平线上） 。 （3）释放振动台（振动台处于自然状 态） ，再仔细调节电桥单元中的 W1 和 W2(二者反复交替调节)，使示波器（相敏检波器 输出）显示的波形幅值很小，接近为一水平线。 3、将低频振荡器的频率调到 8Hz 左右，调节低频振荡器幅度旋钮，使振动台振动 较为明显（如振动不明显再调节频率）。用示波器 [正确选择双线（双踪）示波器的 “触发”方式及其它(TIME/DIV ：在 50mS～20mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V～0.1V 范围内选择)设置] 观察差动放大器（调幅波）、相敏检波器及低通滤波器（传感器信 号）输出的波形。 4、分别调节低频振荡器的频率和幅度的同时观察低通滤波器（传感器信号）输出 波形的周期和幅值。 5、作出差动放大器、相敏检波器、低通滤波器的输出波形。实验完毕，关闭电 源。实验九压电式传感器测振动实验 线性霍尔式传感器位移特性实验 磁电式传感器特性实验压电式传感器测振动实验一、实验目的：了解压电传感器的原理和测量振动的方法。 二、基本原理：压电式传感器是一和典型的发电型传感器，其传感元件是压电材料， 它以压电材料的压电效应为转换机理实现力到电量的转换。压电式传感器可以对各种 动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应 用。 1、 压电效应： 具有压电效应的材料称为压电材料，常见的压电材料有两类压电单晶体，如石英、 酒石酸钾钠等；人工多晶体压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电材料受到外力作用时，在发生变形的同时内部产生极化现象，它表面会产生符 号相反的电荷。当外力去掉时，又重新回复到原不带电状态，当作用力的方向改变后 电荷的极性也随之改变，如图 20―1 (a) 、(b) 、(c)所示。这种现象称为压电效应。(a)(b) 图 20―1 压电效应(c)2、压电晶片及其等效电路 多晶体压电陶瓷的灵敏度比压电单晶体要高很多， 压电传感器的压电元件是在两个 工作面上蒸镀有金属膜的压电晶片，金属膜构成两个电极，如图 20―2(a)所示。当压电 晶片受到力的作用时，便有电荷聚集在两极上，一面为正电荷，一面为等量的负电荷。 这种情况和电容器十分相似，所不同的是晶片表面上的电荷会随着时间的推移逐渐漏 掉，因为压电晶片材料的绝缘电阻(也称漏电阻)虽然很大，但毕竟不是无穷大，从信号 变换角度来看，压电元件相当于一个电荷发生器。从结构上看，它又是一个电容器。 因此通常将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路如 20―2(b)所示。其中 ea=Q/Ca 。式中，ea 为压电晶片受力后所呈现的电压，也称为极板上的开路电压；Q 为 压电晶片表面上的电荷；Ca 为压电晶片的电容。 实际的压电传感器中，往往用两片或两片以上的压电晶片进行并联或串联。压电晶 片并联时如图 20―2(c)所示，两晶片正极集中在中间极板上，负电极在两侧的电极上， 因而电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号并以电荷量作为输出。(a) 压电晶片(b) 等效电荷源(c) 并联(d) 压电式加速度传感器 图 20―2 压电晶片及等效电路压电传感器的输出，理论上应当是压电晶片表面上的电荷 Q。根据图 20―2(b)可知 测试中也可取等效电容 Ca 上的电压值，作为压电传感器的输出。因此，压电式传感器就有电荷和电压两种输出形式。 3、压电式加速度传感器 图 20―2(d) 是压电式加速度传感器的结构图。图中 M 是惯性质量块，K 是压电晶 片。 压电式加速度传感器实质上是一个惯性力传感器。 在压电晶片 K 上， 放有质量块 M。 当壳体随被测振动体一起振动时，作用在压电晶体上的力 F＝Ma。当质量 M 一定时，压 电晶体上产生的电荷与加速度 a 成正比。 4、压电式加速度传感器和放大器等效电路 压电传感器的输出信号很弱小，必须进行放大，压电传感器所配接的放大器有两种 结构形式：一种是带电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出 电压)成正比；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷量成正比。 电压放大器测量系统的输出电压对电缆电容 Cc 敏感。 当电缆长度变化时， Cc 就变化， 使得放大器输入电压 ei 变化， 系统的电压灵敏度也将发生变化， 这就增加了测量的困难。 电荷放大器则克服了上述电压放大器的缺点。它是一个高增益带电容反馈的运算放大 器。图 20―3 是传感器-电缆-电荷放大器系统的等效电路图。当略去传感器的漏电阻 Ra 和电荷放大器的输入电阻 Ri 影响时，有Q=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf??（20―1）式中，ei 为放大器输入端电压；ey 为放大器输出端电压 ey=-Kei；K 为电荷放大器开 环放大倍数；Cf 为电荷放大器反馈电容。将 ey=-Kei 代入式(20―1)，可得到放大器输 出端电压 ey 与传感器电荷 Q 的关系式：设 C=Ca+Cc+Ciey=-KQ/[(C+Cf)+KCf]??（20―2）当放大器的开环增益足够大时，则有 KCf&&C+Cf （20―2）简化为ey=-Q/Cf??（20―3）式（21―3）表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正 比，而与电缆的分布电容无关，输出灵敏度取决于反馈电容 灵敏度调节，都是采用切换运算放大器反馈电容 。所以，电荷放大器的的办法。采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的主要优点。5、压电加速度传感器实验原理图 压电加速度传感器实验原理、电荷放大器与实验面板图由图 20―4(a)、(b)所示。图 20―4(a) 压电加速度传感器实验原理框图图 20―4(b) 电荷放大器原理图与实验面板图三、需用器件与单元：机头中的悬臂双平行梁、激振器、压电传感器；显示面板中的 低频振荡器；调理电路面板传感器输出单元中的压电、激振；调理电路面板中的电荷 放大器、低通滤波器；双踪示波器（自备） 。四、实验步骤： 1、按图 20―5 示意接线。图 20―5 压电传感器测振动实验接线示意图2、将显示面板中的低频振荡器幅度旋钮逆时针缓慢转到底(低频输出幅度最小)， 调节低频振荡器的频率在 8Hz～10Hz 左右。检查接线无误后合上主、副电源开关。再 调节低频振荡器的幅度使振动台明显振动(如振动不明显可调频率)。 3 、用示波器的两个通道 [ 正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它 (TIME/DIV ：在 50mS～20mS 范围内选择；VOLTS/DIV：1V～0.1V 范围内选择)设置]同 时观察低通滤波器输入端和输出端波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台同时 观察输出波形变化。 4、改变低频振荡器的频率，观察输出波形变化。 实验完毕，关闭所有电源开关。线性霍尔式传感器位移特性实验一、实验目的：了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理：霍尔式传感器是一种磁敏传感器，基于霍尔效应原理工作。它将被测 量的磁场变化（或以磁场为媒体）转换成电动势输出。霍尔效应是具有载流子的半导 体同时处在电场和磁场中而产生电势的一种现象。 如图 24―1 （带正电的载流子） 所示， 把一块宽为 b， 厚为 d 的导电板放在磁感应强度为 B 的磁场中， 并在导电板中通以纵向 电流 I ，此时在板图 24―1 霍尔效应原理的横向两侧面 A , A? 之间就呈现出一定的电势差，这一现象称为霍尔效应（霍尔效应可 以用洛伦兹力来解释） ，所产生的电势差 UH 称霍尔电压。霍尔效应的数学表达式为：UH＝RHIB ＝KHIB d式中：RH＝-1／(ne)是由半导体本身载流子迁移率决定的物理常数，称为霍尔系数； KH＝ RH／d 灵敏度系数，与材料的物理性质和几何尺寸有关。 具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔元件大多采用 N 型半导体材料（金属材 料中自由电子浓度ｎ很高，因此 RH 很小，使输出 UH 极小，不宜作霍尔元件） ，厚度 d 只有 1?m 左右。霍尔传感器有霍尔元件和集成霍尔传感器两种类型。集成霍尔传感器是把霍尔元 件、放大器等做在一个芯片上的集成电路型结构，与霍尔元件相比，它具有微型化、 灵敏度高、可靠性高、寿命长、功耗低、负载能力强以及使用方便等等优点。 本实验采用的霍尔式位移（小位移 1ｍｍ～2ｍｍ）传感器是由线性霍尔元件、两 只半圆形永久磁钢组成，其它很多物理量如：力、压力、机械振动等本质上都可转变 成位移的变化来测量。霍尔式位移传感器的工作原理和实验电路原理如图 24―2 (a)、 (b)所示。将磁场强度相同的两只永久磁钢极性相对放置着，线性霍尔元件置于两块磁 钢间的上下中点，其磁感应强度为 0，设这个位置为位移的零点，即 X=0，因磁感应强 度 B=0，故输出电压 UH=0。当霍尔元件沿 X 轴有位移时，由于Ｂ≠0，则有一电压 UH 输出， UH 经差动放大器放大输出为 V。 V 与 B、 B 与 X 有一一对应的线性关系。 图 24―2(b) 中的 所谓不定位电势：B=0 时 UH≠0。 W1 是调节霍尔片的不定位电势，(a) 工作原理(b)实验电路原理 图 24―2 霍尔式位移传感器工作原理图＊注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端 1(Vs+)、3(Vs-)是电源输入激励 端，另外二端 2(Vo+)、4(Vo-)是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能 颠倒，否则霍尔元件要损坏。 三、需用器件与单元：机头中的振动台、测微头、霍尔位移传感器；显示面板中的 F/V 表(或电压表) 、±2V～±10V 步进可调直流稳压电源；调理电路面板传感器输出单元 中的霍尔；调理电路单元中的电桥、差动放大器。 四、实验步骤： 1、差动放大器调零：按图 24―3 示意接线，电压表（F／V 表）量程切换开关打到2V 档，检查接线无误后合上主、副电源开关。将差动放大器的增益电位器顺时针方向 缓慢转到底，再逆时针回转一点点（防电位器的可调触点在极限端点位置接触不良） ； 调节差动放大器的调零电位器，使电压表显示为 0。关闭主电源。图 24―3 差动放大器调零接线图2、在振动台与测微头吸合的情况下，调节测微头到 10mm 处使振动台上的霍尔片 大约处在两块磁钢间的上、下中点位置（目测） 。将±2V～±10V 步进可调直流稳压电 源切换到 4V 档，再按 24―4 示意图接线，将差动放大器的增益电位器逆时针方向缓慢 转到底（增益最小） 。检查接线无误后合上主电源开关，仔细调节电桥单元中的 W1 电 位器，使电压表显示 0V。 ＊注意：线性霍尔元件有四个引线端。涂黑二端 1(Vs+)、3(Vs-)是电源输入激励 端，另外二个 2(Vo+)、4(Vo-)是输出端。接线时，电源输入激励端与输出端千万不能 颠倒，否则霍尔元件要损坏。图 24―4 线性霍尔传感器(直流激励)位移特性实验接线示意图3、将测微头从 10mm 处调到 15mm 处作为位移起点并记录电压表读数。以后，反方 向(顺时针方向) 仔细调节测微头的微分筒 (0.01mm/ 每小格 )△ X=0.1mm( 实验总位移从 15 mm～5mm)从电压表上读出相应的电压 Vo 值，填入下表 24。表 24 霍尔传感器位移实验数据 X（mm） Vo(V)4、根据表 24 实验数据作出 V－X 特性实验曲线，在实验曲线上截取线性较好的区 域作为传感器的位移量程。 5、分析曲线，计算不同测量范围 (±0.5mm、±1mm、±2mm)时的灵敏度和非线性 误差。 实验完毕，关闭电源。磁电式传感器特性实验一、实验目的：了解磁电式测量转速的原理。二、 基本原理： 磁电传感器是一种将被测物理量转换成为感应电势的有源传感器 （不需要电源激励） ， 也称为电动式传感器或感应式传感器。 根据电磁感应定律，一个匝数为Ｎ的线圈在磁场中切割磁力线时，穿过线圈的磁通量发生变化，线 圈两端就会产生出感应电势，线圈中感应电势：d? e ? ?N 。线圈感应电势的大小在线圈匝数一 dt定的情况下与穿过该线圈的磁通变化率成正比。 当传感器的线圈匝数和永久磁钢选定(即磁场强度已 定)后，使穿过线圈的磁通发生变化的方法通常有两种：一种是让线圈和磁力线作相对运动，即利用 线圈切割磁力线而使线圈产生感应电势；另一种则是把线圈和磁钢部固定，靠衔铁运动来改变磁路 中的磁阻，从而改变通过线圈的磁通。因此，磁电式传感器可分成两大类型：动磁式及可动衔铁式 (即可变磁阻式)。本实验应用动磁式磁电传感器，是速度型传感器（e ? ?N 图如图 25―1 所示。 d? dt）， 实验原理框图 25―1 实验原理框图三、需用器件与单元：机头中的振动台、激振器、磁电传感器；显示面板中的低频振荡器；调理电路面板传感器输出单元中的磁电、激振；调理电路面板中的差动放大器、低通滤波器；双踪示 波器（自备） 。四、实验步骤：1、调节测微头远离振动台，不能妨碍振动台的上下运动。按图 25-2 示意接线，用示波器 [正 确选择双线 （双踪） 示波器的 “触发” 方式及其它(TIME/DIV ： 在 50mS～20mS 范围内选择； VOLTS/DIV： 1V～0.1V 范围内选择)设置] 监测差动放大器及低通滤波器（传感器信号）输出。图 25―2 磁电传感器实验接线示意图 2、将低频振荡器幅度旋钮逆时针转到底(低频输出幅度最小)，将低频振荡器的频率调到 8Hz 左右，将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底，再逆时针回转 1/2。检查接线无误后合 上主、副电源开关，调节差动放大器的调零电位器使示波器的轨迹线（扫描线）移到中间（当示波 器设置在 DC 档有效） 。 3、调节低频振荡器幅度旋钮，使振动台振动较为明显（如振动不明显再调节频率） ，观察低通 滤波器（传感器信号）输出波形的周期和幅值。 4、在振动台起振范围内调节低频振荡器的频率观察输出波形的周期和幅值，调节低频振荡器 的幅度观察输出波形的周期和幅值。 5、从实验现象分析磁电传感器的特性（提示：与振动台的频率有关、速度型） 。 实验完毕关闭所有电源。实验十热电偶的原理及现象实验一、实验目的：了解热电偶测温原理。 二、基本原理：1821 年德国物理学家赛贝克（T?J?Seebeck）发现和证明了两种不同材料的导体 A和 B 组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效 应（塞贝克效应） 。 热电偶测温原理是利用热电效应。 如图 21―1 所示，热电偶就是将 A 和 B 二种不同金 属材料的一端焊接而成。 A 和 B 称为热电极，焊接 一端是接触热场的 T 端称为工作端或测量端，也 热端；未焊接的一端处在温度 T0 称为自由端或参 端，也称冷端(接引线用来连接测量仪表的 图 21―1 热电偶 的 称 考两根导线 C 是同样的材料，可以与 A 和 B 不同种材料)。T 与 T0 的温差愈大，热电偶的输出电动势 愈大；温差为 0 时，热电偶的输出电动势为 0；因此，可以用测热电动势大小衡量温度的大小。国 际上，将热电偶的 A、B 热电极材料不同分成若干分度号，并且有相应的分度表即参考端温度为 0℃ 时的测量端温度与热电动势的对应关系表；可以通过测量热电偶输出的热电动势值再查分度表得到 相应的温度值。热电偶一般用来测量较高的温度，应用在冶金、化工和炼油行业，用于测量、控制 较高的温度。 本实验只是定性了解热电偶的热电势现象，实验仪所配的热电偶是由铜―康铜组成的简易热电 偶，分度号为 T。实验仪有二个热电偶，它们封装在悬臂双平行梁上、下梁的上、下表面中，二个 热电偶串联在一起，产生热电势为二者之和。三、需用器件与单元：机头平行梁中的热电偶、加热器；显示面板中的 F/V 表(或电压表)、-15V电源；调理电路面板中传感器输出单元中的热电偶、加热器；调理电路单元中的差动放大器；室温 温度计（自备） 。四、实验步骤：1、热电偶无温差时差动放大器调零：将电压表量程切换到 2V 档，按图 21―2 示意接线，检查 接线无误后合上主、副电源开关。将差动放大器的增益电位器顺时针方向缓慢转到底（增益为 101 倍） ，再逆时针回转一点点（防电位器的可调触点在极限端点位置接触不良） ；再调节差动放大器的 调零旋钮，使电压表显示 0V 左右，再将电压表量程切换到 200mV 档继续调零，使电压表显示 0V。 并记录下自备温度计所测的室温 tn。图 21―2 热电偶无温差时差动放大器调零接线示意图 2、将-15V 直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，如图 21―3 所示。观察电压表 显示值的变化，待显示值稳定不变时记录下电压表显示的电压值 V。此电压值 V 为二个铜－康铜热 电偶串联经放大 100 倍后的热电势。图 21―3 热电偶测温实验接线示意图 3、根据热电偶的热电势与温度之间的关系式：E(t,to)=E(t,tn)+E(tn,to)计算热电势。式中：t ------热电偶的热端（工作端或称测温端）温度。 tn------热电偶的冷端（自由端即热电势输出端）温度也就是室温。 to------0℃ ?、首先计算热端温度为 t,冷端温度为室温时热电势：E(t,tn)=电压表 V÷（100?2） 式中：100 为差动放大器的放大倍数，2 为个热电偶。?、其次查以下所附铜－康铜热电偶分度表，得到热端温度为室温（温度计测得） ，冷端温度 为 0℃时的热电势 E(tn,to):。?、最后计算热端温度为 t，冷端温度为 0℃时的热电势：E(t,to)=E(t,tn)+E(tn,to),根据计 算结果，查分度表得到所测温度 t（加热器功率较小，升温 10℃左右） 。 附表：铜―康铜热电偶分度表(自由端温度为 0℃时 t―mV 对应值)分度号：T （自由端温度 0℃）0工作端 温度℃123456789热 电 动 势 （mV） -0.383 -0.421 -0.459 -0.496 -0.534 -0.571 -0.608 -0.646 -0.683 -0.720 -0.000 -0.039 -0.077 -0.116 -0.154 -0.193 -0.231 -0.269 -0.307 -0.345 0.000 0.391 0.789 1.196 1.611 2.035 2.467 2.908 3.357 3.813 4.277 0.039 0.430 0.830 1.237 1.653 2.078 2.511 2.953 3.402 3.859 4.324 0.078 0.470 0.870 1.279 1.695 2.121 2.555 2.997 3.447 3.906 4.371 0.117 0.510 0.911 1.320 1.738 2.164 2.599 3.042 3.493 3.952 4.418 0.156 0.549 0.951 1.361 1.780 2.207 2.643 3.087 3.538 3.998 4.465 0.195 0.589 0.992 1.403 1.822 2.250 2.687 3.131 3.584 4.044 4.512 O.234 0.629 1.032 1.444 1.865 2.294 2.731 3.176 3.630 4.091 4.559 0.273 0.669 1.073 1.486 1.907 2.337 2.775 3.221 3.676 4.137 4.607 0.312 0.709 1.114 1.528 1.950 2.380 2.819 3.266 3.721 4.184 4.654 0.351 0.749 1.155 1.569 1.992 2.424 2.864 3.312 3.767 4.231 4.701-10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1004、将加热器的-15V 电源断开，观察电压表显示值是否下降。实验完毕，关闭所有电源。第六章 光电特性综合实验仪 实验十一 LED 伏安特性（V-I）测试及 LED 辐射强度空间分布及半值角的测量LED 伏安特性（V-I）测试一、实验目的： 1． 了解 LED 的电学特性，包括正向电流、正向压降、反向电流、反向压降； 2． 对 LED 的极限参数有明确的概念，正确、安全的使用 LED； 3． 通过电学特性的测量，认识 LED 的发光机理。 二、实验原理 1． LED 概述 LED 是一种电流直接注入的光发射器件。半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低 能级时，发射光子，这就是通常所说的自发发射。考察 LED 的发光过程，必须了解半导体材 料的能带结构。由原子构成晶体时，电子在整个晶体内作共有化运动，导致原子能级分裂成 能带。不允许存在能量状态的区域称为带隙，带隙宽度用 Eg 表示，上方高能量区为导带， 下方低能量区为价带。 自由电子波矢量 k 与能量 E 的关系为：E＝h k /2m，2 2（1-1）m 是电子质量，h 是普朗克常数。半导体晶体中，电子能量同样能用波矢量描述。通 过繁复的理论计算，可以绘出 E－k 关系曲线。半导体可分为直接带隙和间接带隙两种，主要 区别在于价带顶和导带底是否在同一 k 处。 当 LED 的 PN 结加上正向偏压，注入的少数载流子和多数载流子（即电子和空穴） 复合而发光。对于大量处于高能级的粒子各自分别发射一系列角频率为ν ＝Eg/h 的光 波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振方向，并且每个粒子所发 射的光沿所有可能的方向传播（这个过程称为自发发射） 。其发射的波长λ 可用下式表 示：λ ＝1.2396/Eg 不同的 Eg 对应了光的不同颜色。 （1-2）2.LED 是半导体器件，又是发光器件，所以既有电学上的特性，又有光谱特性。电学 特性反映在 PN 结上。本实验要测量的包括：正向电流 IF，正向电压 VF，反向电流 IR，反 向电压 VR。LED 电学特性测量原理图如 1-1 所示（后面将要提到的激光二极管 LD 的测 量与 LED 相同） ：图 1-1LED/LD 电学特性测试原理图三、实验步骤 注意事项：实验前，将电压调节旋钮逆时针旋至极限位置！测试仪的驱动电路设计已 经充分考虑到 LED/LD 的安全性，正向特性测试时电流可从零连续调节，不会超过他们的 极限电流、电压。测反向电压、电流时须注意，通常 LED 的反向电流很小，小于 10μ A （大于 10μ A 的话 LED 被认为不合格） 。有些 LED 芯片质量较好，反向电流非常微弱，需 把电压调到 10 多伏才能检测到，而这么高的反向偏压对芯片具有破坏作用，所以对这些LED 的反向特性不建议进行测试，只作定性观察。}