传感器技术实验指导书--实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验.pdf

传感器技术实验指导书（修订版）电力与自动化工程学院传感器技术实验室目录实验一 金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）.1实验二 金属箔式应变片的温度影响实验.6实验三 直流全桥的应用电子秤实验.7实验四差动变压器特性实验.8实验五 电容式传感器的位移特性实验.12实验六霍尔式传感器的位移特性实验.14实验七 磁电传感器测速实验.17实验八电涡流传感器特性实验.18实验九 光纤传感器的位移特性实验.20实验十 光纤传感器测速实验.22实验H-光电传感器的转速测量实验.24实验十二 温度仪表PID控制实验.25实验十三 温度传感器测温特性实验.25实验十四 非标准热电偶的标定（设计性）.29实验十五气体流量的测定实验（演示性）.30实验十六 计算机温度PID控制实验.31实验十七 光敏电阻特性实验.34实验十八 光敏二极管特性实验.37实验十九 光敏三极管特性实验.40实验二十 光电池特性实验.42附录：数据分析相关知识.45传感器技术实验指导书实验一 金属箔式应变片及直流电桥实验（综合性）实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，理解直流电桥的工作原理和性能。比较单臂电桥、半桥、全桥的不同特性。基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电 阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：AR/R=K式中A/?/R为电阻丝电阻的相对变化，K为应变灵敏系数，为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转 换被测部位的受力状态变化，电桥的作用是将电阻的变化转变为电压变化，这样，电 桥的输出电压即反映了应变片的受力状态。单臂电桥输出电压可表示为：U oi=EKe IA o不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得 到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=KE/2。全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，不同受力方向的接 入邻边，当应变片初始阻值：R1=R2=R3=R4,其变化值AR1=AR2=AR3=AR4时，其桥 路输出电压UO3=KE0其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差 均得到改善。需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、祛码、数显表、15V 电源、4V电源、万用表（自备）。实验内容和步骤：一、单臂电桥实验1、根据图1-1应变式传感器已装于应变传感器模块上。传感器中各应变片已接 入模块的左上方的Ri、R2、R3、R4o加热丝也接于模块上，在无压力作用下，Ri=R2=R3=&=350。，加热丝阻值为50Q左右。2、接入模块电源15V（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，将 实验模块调节增益电位器RW3顺时针调节到中间位置（特别注意：单臂电桥、平桥、全桥系统实验应始终保持差动放大器增益不变），再进行差动放大器调零，方法为：将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上的数显表电压输入端Vi相 连，调节实验模块上调零电位器RW4,使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V1传感器技术实验指导书档）。关闭主控箱电源。图1-1应变式传感器安装示意图接主控箱接数显黄 电源输出Vi地RI R2 R3 R4TVZD 0R1接主控箱 电源输出Rw2c5V5V十0(D 0R18Rw3e-E R15 Rw4 R19 十E-4V 接王控箱 电源输出 Rw2 Rw3Rw4应变传感器实验模块杭州英联科技有限公司o o)6 6Q 06 口6 6图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图3、将应变式传感器的其中一个应变片Ri（即模块左上方的Ri）接入电桥作为一 个桥臂与R5、R6、R7接成直流电桥（R5、R6、R7模块内已连接好），接好电桥调零电 位器Rwi，接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-2所示。检查接线无误后，合 上主控箱电源开关。调节Rwi，使数显表显示为零。4、在电子秤上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码并读取相应的数显 表值，直到200g祛码加完。记下实验结果填入表1-1,关闭电源。2传感器技术实验指导书表11单臂电桥输出电压与加负载重量值重量（g 020406080100.200电压 mv 二、半桥性能实验1、根据图1-3接线。Ri、R2为实验模块左上方的应变片，注意R2应和Ri受力 方向相反。接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-3所示。检查接线无误后，合 上主控箱电源开关。调节Rwi，使数显表显示为零。o o腼热Rw3 Rw4不 6 应变传感器实验模块杭州英联科技有限公司图1-3 应变式传感器半桥实验接线图2、在电子秤上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码和读取相应的数显表值，直到200g祛码加完。记下实验结果填入表1-2,关闭电源。表12半桥测量系统输出电压与加负载重量值重量（g 020406080100.200电压（mv 3、将步骤1中R2换为R3，重复步骤1、2o4、分析以上两种半桥接法哪种更合理。5、若要求用Ri、R3作为感应元件，则应如何连接桥路？画出桥路连接示意图。3传感器技术实验指导书三、全桥性能实验1、根据图1-4,将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，组 成直流电桥（全桥），接上桥路电源4V（从主控箱引入）如图1-4所示。检查接线无 误后，合上主控箱电源开关。调节Rwi，使数显表显示为零。2、在电子秤上放置一只祛码，读取数显表数值，依次增加祛码和读取相应的数显表值，直到200g祛码加完。记下实验结果填入表1-3,关闭电源。表13半桥测量系统输出电压与加负载重量值重量（g 020406080100.200电压 mv 3、将步骤1中Ri、R2位置互换，重复步骤1、2o4、根据试验数据分析两种全桥的不同，哪种布置方法更合理？5、根据实验一、二、三的结果，分别计算3个系统的灵敏度、非线性误差。思考题：1、单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：正（受拉）应变片;负（受 压）应变片；（3）正、负应变片均可。2、半桥测量时两片不同受力状态的电阻成变片接入电桥时，成放在：（1）对边;（2）邻边。3、桥路（差动电桥）测量时存在非线性误差，是因为：（1）电桥测量原理上存 4传感器技术实验指导书在非线性；（2）应变片应变效应是非线性的；（3）调零值不是真正为零。4、全桥测量中，当两组对边（Ri、R3为对边）电阻值R相同时，即RI=R3，R2=见,而R#R2时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。5、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图1-5 所示，如何利用这四片电阻应变片组成电桥，是否需要外加电阻？图1-5应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图5传感器技术实验指导书实验二 金属箔式应变片的温度影响实验实验目的：了解温度对应变片测量系统的影响。基本原理：电阻应变片的电阻值受温度的影响，主要来自两个方面的原因：敏感 栅丝的温度系数；成变栅线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会 产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。需用器件与单元：应变传感器实验模块、数显表单元、直流源、加热器（已贴在 应变片底部）实验步骤：1、保持实验一中全桥实验结果及实验接线。2、将200g祛码加于祛码盘上，在数显表上读取Ui。3、将5V直流稳压电源（主控箱）接于实验模块的加热器插孔上，数分钟后，待 数显表电压显示值基本稳定后，记下读数Ut，即为温度变化对测量值的影响。TJ-TT计算这一温度变化产生的相对误差3=。，-xl00%oUot思考题：1、金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？2、应变式传感器可否用于测量温度？6传感器技术实验指导书实验三 直流全桥的应用电子秤实验实验目的：了解应变片直流全桥的应用及电路的标定方法。基本原理：电子秤实验原理为实验一中全桥测量原理，通过对电路调节使电路输 出的电压值为重量对应值，电压量纲（mV）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子 秤。需用器件与单元：应变式传感器实验模块、应变式传感器、祛码、15V电源、4V 电源。实验步骤：1、将差动放大器调零，按图1-4全桥接线，合上主控箱电源开关调节电桥平衡电 位器Rwi，使数显表显示0.00V。2、将10只祛码全部置于传感器的托盘上，调节电位器Rw3（增益即满量程调节），使数显表显示为0.200V（2V档测量）或-0.200V。3、拿去托盘上的所有祛码，调节电位器Rwi及RW4（零位调节），使数显表显示 为 0.000V 或-0.000V。4、重复2、3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲mV改为重量量纲g,就可称重，成为一台原始的电子秤。5、把祛码依次放在托盘上，读取数据并填入下表:重量（g 0204080100120140160180200电压 mv 6、根据上表计算系统非线性误差。7传感器技术实验指导书实验四差动变压器特性实验实验目的：了解差动变压器的工作原理和特性。基本原理：差动变压器由一只初级线圈和两只次级线圈及一个铁芯组成，根据内 外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当传感器随着被测体移 动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化，促使次级线圈感应电势产生变 化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级线圈反向串接，就 引出差动输出。其输出电势反映出被测体的位移量。差动变压器输出电压的有效值可以近似用关系式=以J”2）6表示,式中Lp、RP为初级线圈电感和损耗电阻，Ui、3为激励电压和频率，Mi、M2为初级线圈 与两次级线圈间的互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP 则输出电压u。受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当曜时输出U。与3无关，当然3过高会使线圈寄生电容增大，对测量系统的稳定性不利。由于差动变压器两只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈纵向排列的不均匀 性，两二级线圈的不均匀、不一致，铁芯B-H特性的非线性等原因，当铁芯处于差动 线圈中间位置时，差动输出电压并不为零。即为零点残余电压。需用器件与单元：差动变压器实验模块、测微头、双线示波器、差动变压器、音 频信号源（音频振荡器）、直流电源、万用表。实验内容和步骤：一、差动变压器的位移特性实验1、根据图4-1,将差动变压器安装在差动变压器实验模块上。8传感器技术实验指导书/协第一通道示波器45KHZVp-p 2V插座管脚编号2_ 7图4-2 双线示波器与差动变压器连接示意图2、在模块上按照图4-2接线，音频振荡器信号从主控箱中的Lv端子输出，调节 音频振荡器的频率，使其为45KHz（可用主控箱的数显表的频率档Fm输入来监测）。调节幅度使输出幅度为峰-峰值Vp_p=2V（可用示波器监测）。3、移动测微头，使示波器第二通道显示的波形峰-峰值Vp_p为最小（该点记为零 点）。这时被测体可以左右位移，假设其中一个方向为正位移，则另一个方向位移为 负。从Vp_p最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp_p值，填 入表4-1。再从Vp_p最小处反向位移做实验，在实验过程中，注意观察左、右位移时,初、次级波形的相位关系。表4-1差动变压器位移AX值与输出电压Vp_p数据表V(mv)0)o再用手转 动圆盘，使光纤探头对准反射点，调节升降支架高低，使数显表指示最大，重复1、2 步骤，直至两者的电压差值最大，再将Vi与转速/频率数显表Fm输入端相接，数显 表的波段开关拨到转速档。3、将转速调节2-24V,接入转动电源24V插孔上，使电机转动，逐渐加大转速 源电压。使电机转速盘加快转动，固定某一转速，观察并记下数显表上的读数小。4、固定转速电压不变，将选择开关拨到频率测量档，测量频率，记下频率读数,根据转盘上的测速点数折算成转速值n2o22传感器技术实验指导书5、将实验步骤4与实验步骤3比较，以转速m作为真值计算两种方法的测速误 差(相对误差)，相对误差r=(ni-n2)/ni)xl00%。思考题：测量转速时转盘上反射(或吸收点)的多少对测速精度有否影响，你可以用实验 来验证比较转盘上是一个黑点的情况。23传感器技术实验指导书实验十一光电传感器的转速测量实验实验目的：了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。基本原理：光电式转速传感器有反射型和直射型两种，本实验装置是反射型的，传感器端部有发光管和光电管，发光管发出的光源在转盘上反射后由光电管接收转换 成电信号，由于转盘上有黑白相间的12个间隔，转动时将获得与转速及黑白间隔数 有关的脉冲，将电脉冲计数处理即可得到转速值。需用器件与单元:光电转速传感器、+5V直流电源、转动源单元及转速调节2-24V、数显转速/频率表。实验步骤：1、光电转速传感器安装如图10-1所示，在传感器支架上装上光电转速传感器，调节高度，使传感器端面离平台表面2-3mm,将传感器弓I线分别插入相应的 插孔，其中棕色接入直流电源+5V,黑色为接地端，绿色输入主控箱Fm，转 速/频率表置“转速”档。图10-1 光电传感器测速安装示意图2、将转速调节2-24V接到转动源24V插孔上。3、合上主控箱电源开关，使电机转动并从转速/频率表上观察电机转速。如显示 转速不稳定，可调节传感器的安装高度。思考题：已进行的实验中用了多种传感器测量转速，试分析比较一下哪种方法最简单、方 便。24传感器技术实验指导书实验十二温度仪表PID控制实验实验目的：了解温度仪表PID控制系统的组成及P、I、D各参数对控制效果的影响。需用器件与单元：加热源、K型热电偶、温控炉（含控制仪表）。实验步骤：1、接通温度控制仪的电源，打开电源按钮，将“加热方式”、“冷却方式”拨至“内控”方式；2、检查温度仪表的内部参数设置；3、选用K型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，另外两端的传感器输出线分 别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（一）端，此时即可读出当前加热块的温度 值。4、设定温度值、P参数、I参数、D参数，观察控制效果，同时注意在报警状下,冷却装置（风扇）是否运行。5、观察温度控制的效果如何？根据控制规律可设置不同的P、I、D参数，以达 到最佳的控制效果，并记录不同P、I、D参数值时的控制过程曲线并分析之。实验十三温度传感器测温特性实验实验目的：了解Cu50、P/00和热电偶的测温特性。基本原理：利川导体电阻随温度变化的特性。热电阻用于测量时，要求其材料电 阻温度系数大，稳定性好，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铝电阻 和铜电阻，铝电阻在0-630.74。以内。在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，一般采用铜电阻，可用来测量-5（rc+i5（rc的温度。当两种不同的金属组成回路，如两个接点有温度差，就会产生热电势，这就是热 电效应。被测点称工作端，将其置于被测温度场，以相应电路就可间接测得被测温度 值，与显示仪表的接点称为冷端（也称自由端），冷端可以是室温值或经补偿后的（TC、25o需用器件与单元：温度源模块、K型热电偶、E型热电偶、PJ00热电阻、Cu50 热电阻、温度控制单元、温度传感器实验模块、数显单元、万用表。25传感器技术实验指导书实验内容和步骤：一、G150热电阻测温特性实验1、将温度源模块上的220V电源插头插入主控箱两侧配备的220V控制电源插座 o2、正确设定仪表参数。3、选择控制方式为内控方式，将K热电偶插入加热源的一个传感器安置孔中。自由端引线插入温度源模块上的传感器插孔中，红线为正极。4、将Cu50热电阻测量端插入加热源的另一个插孔中，尾部插入实验模块的a、b孔上，a端接电源+4V,b端与差动运算放大器的一端相接，桥路的另一端和差动运 算放大器的另一端相接。5、设定温度控制值为50。当温度控制到达5(TC时开始记录电压表读数，重新 设定温度值为50oC+n，A3建议加=5。(2,n=l.10,每隔In读出数显表输出电压与温度值。记下数显表上的读数，填入表13-1。杭州英联科技有限公司接主控箱数显表接主控箱电源输出表 13-1：图13-1 热电阻测温特性实验t()V(mv)二、PJ00热电阻测温特性实验26传感器技术实验指导书1、同一 1、2、3、4步操作（将Cu50热电阻换为PJOO热电阻）。2、将PJOO铝电阻三根引线引入“RJ输入的a、b上：用万用表欧姆档测出Pt100 三根引线中短接的两根线接b端。这样Rt与R3、Ri、Rwi、也组成直流电桥，是一 种单臂电桥工作形式。Rwi中心活动点与R6相接，见图13-2。Rvrl接主控箱电源输出R9OR1杭州英联科技有限公司图13-2 Pt100热电阻测温特性实验3、在端点a与地之间加直流源4V,合上主控箱电源开关，调Rwi、RW3使电桥 平衡，即桥路输出端b和中心活动点之间在室温下输出为零，力吐15V模块电源，接 上数显单元，拨2V电压显示档，使数显为零。4、设定温度值50。将PJ00探头插入温控模块的一个插孔中，开启加热开关，待 温度控制在50时记录下电压表读数值，重新设定温度值为50+n-At,建议At=5,n=l10,每隔In读出数显表输出电压与温度值。将结果填入表13-2。表1326、根据表14-2值计算其非线性误差。三、热电偶测温特性实验1、将R5、R6端短接并接地，打开主控箱电源开关，将V2与数显表单元上的V1 相接。调RW3使数显表显示零位。2、选择控制方式为内控方式，将K型热电偶插到温度模块插孔中，自由端接到t().V(mv).温控模块上的传感器插孔。27传感器技术实验指导书3、将E型热电偶插到温度模块另一插孔，自由端接入温控模块上标有热电偶符 号的a、b孔上，参见图13-3,热电偶自由端连线中带红色套管或红色斜线的一条为 正端。接主控箱电源输出图13-3 热电偶测温特性实境4、设定温控模块仪表控制温度值T=5(TC。去掉R5、R6接地线，将a、b端与放 大器Rs、R6相接，观察温控仪指示的温度值，当温度控制在5(TC时，调RW2,对照 分度表将信号放大到理论温度值K倍的指示值以便读数，并记录下读数。5、重新设定温度值为5(TC+n,At,建议At=5。n=l10,每隔In读出数显表 输出电压与温度值，并记入表13-3。表13-3 E型热电偶电势(经放大)与温度数据T+n-At5095V(mv)6、根据表13-3计算非线性误差。思考题：1、如何根据测温范围和精度要求选用热电阻?2、你对各类温度传感器的使用范围有何认识?28传感器技术实验指导书实验十四 非标准热电偶的标定（设计性）实验要求：标定非准热电偶，建立30100的分度表，并验证该热电偶的准 确度。请设计实验步骤并根据所设计的实验步骤进行实验。可用设备：非准热电偶、稳控箱、K型热电偶、万用表29传感器技术实验指导书实验十五 气体流量的测定实验（演示性）实验目的：了解转子流计的使用方法，深入理解其测量原理。读数位置 基本原理：转子流量计的主要测量元件为一根小端向下、大 V端向上垂起安装的透明锥形管和一个在锥形管中能自由移动的转 子。当具有一定流动速度的流束由小端向大端通过锥形时，转子 由于流束向上的动能作用而浮起。这时，由锥形管内壁和转子最 L大外径处构成的环隙面积也相应增加，从而使流束的流速（动能）亦随之下降，直到 流束由于流动产生的向上作用力和转子在流束中的重量产生的向下作用力相等时，转 子就稳定在一定的位置高度上，所以，转子的位置高度和流束的流动速度（即流量）间具有一定关系，因此，转子的位置高度可作为流量量度。转子直径最大处的锐边是 读数边。需用器件与单元：气动源、流量计实验步骤：1、观察转子流量计基本结构。2、启动压力源开关让气泵工作。3、缓慢开启流量计下端调节阀，观察转子与气体流量的关系。30传感器技术实验指导书实验十六 计算机温度PID控制实验通过前面实验中软件的学习与应用，我们以温度控制为例，完成计算机温度PID 控制实验，通过此实验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制、计算机控制 等专业知识的理解。一、RS485多功能数据采集控制器的应用1、首先安装YLNET_SETUP.EXE程序。可根据提示进行安装，也可自己更改安 装目录（最好和YLSETUP.EXE的安装目录不同）。2、安装完成后，进入程序。首先弹出用户登陆界面，输入用户名USER,密码 111,即进入用户界面。3、初始化测试。在实验前用审口调试工具完成一次通讯测试，点击初始化测试 菜单，则弹出如下界面：首先选择串口并打开，然后通讯协议一项勾去“主机地址”选项，在发送命令部 分添加指令“BOO”，然后点击“发送”按钮，看能否收到反馈数据，若反馈数据中含 有“B01”字符，说明通讯正常。4、重新登陆系统，根据刚刚设定的川户名和密码进行登陆，选择菜单“网络地 址”中“修改地址”一项则弹出如下界面，选择“YL5010485多功能数据采集卡”,点击“读地址”按钮，则可以弹出当前设备的网络地址号。同时点击“修改”按钮可31传感器技术实验指导书以对地址进行修改，修改完成后关闭窗口。.产、I jjgr-数据殿俶U 用户营理也）显示做）网络地址因初始化测试 D 超助（办httpy/wvAv.yingliantech com 联系电话：[phone] 公司地址：浙江省杭M市西湖区骗家庄西苑骑开关量输入幡模拟量给出曜拟函人19:2246打开端口成功!0l in/-IDI x|启动骑温度控制向0|AjhO校卡类型AQ3|ADutOC YL5001 的哪据母卡测试端口和数据C YL5O1O 485多班徽据聚集卡波特可修改地址旧地丸新地在00功3幽试确35、点击“网络地址”菜单下的“设备选择”子菜单，选择最新修改后的地址，然后在程序主界而下点击“启动测试”按钮，进行数据传输测试。6、同样的步骤可对网络内的设备进行地址修改（地址修改期间只能对单个设备 操作，网络内其他设备需关掉电源），可按网络地址进行数据的读取，观察上位机是 否有数据反馈。7、点击“停止测试”按钮，则结束测试工作，可进行其他网络实验。8、通过软件对和主控箱上8路AI、4路AO、8路DI、4路DO数据输入输出进 行测试，验证软硬件通讯是否正常。二、计算机温度PID控制实验步骤：I、连接YL系列温度测量控制仪的电源，打开电源开关，将“加热方式”、“冷 却方式”均拨至“外控方式”。此时可选用K型热电偶，插在控制仪上方的测温孔中，另外两端的传感器输出线分别对应接至控制仪面板的传感器（+）和（一）端，同时 将面板中标准信号输出VO用实验线接至主控箱面板的多功能数据采集控制器的A/D 输入端（8个通道可任选），例如接第0通道。2、此时在软件界面中实验名称选择中选中“温度控制系统”,选择调节规律为“PID 32传感器技术实验指导书控制”,设置“设定值”、“采样周期”、“比例系数”、“积分时间”、“微分时间”的参 数值，在下面“温度控制”一栏中选择传感器标准信号的输入通道。3、用实验线连接主控箱的D/A第。通道（4个通道可任选）至YL系列温度控制 仪的加热控制输入端。4、用实验线连接主控箱的DO第0通道（4个通道可任选）至YL系列温度控制 仪的冷却控制输入端。5、在“温度控制”栏中正确选择通道号，检查连线正确后，点击栏内“确定”按钮，则根据参数执行计算机PID控制程序。6、观察温度控制的效果如何。根据控制规律可设置不同的P、I、D参数,以达 到最佳的控制效果，并且每次的实验数据被保存，同时可以观察曲线和打印曲线。33传感器技术实验指导书实验十七光敏电阻特性实验实验目的：了解光敏电阻光电特性：即供电电压一定时，电流一照度的关系。了 解光敏电阻的伏安特性：即射入照度一定时，电流一偏压的关系。基本原理：光敏电阻是一种当光照射到材料表面上被吸收后，在其中激发载流子,使材料导电性能发生变化的内光电效应器件。最简单的光敏电阻由一块涂在绝缘基底 上的光电导体薄膜和两个电极所构成。当加上一定电压后，光生载流子在电场的作用 下沿一定的方向运动，在电路中产生电流，这就达到了光电转换的目的。需用器件与单元：直流稳压电源、光敏电阻、光电实验平台、光敏电阻实验模块1、光电导体膜 2、电极 3、绝缘基底 4、电路符号图 17-1初始设置：直流稳压电源打到10V档，光敏电阻探头用专用导线一端联结后，插入照度表实验架上的传感器安装孔，导线另一端插入光敏电阻实验模块“光敏电阻 I”插口，并将输出指示开关置于照度指示。实验步骤：一、光敏电阻的光电特性实验1、了解实验原理。（见图17-2实验原理图）+VCc 0-图 17-22、根据图17-3接线34传感器技术实验指导书3、检查接线是否正确4、关闭光强开关，记下电流表的读数(喑电流)，照度表读数，并将数据填入表 17-lo表 17-1光强(Lx)02004006008001000电流(mA)5、开启光强开关，调节光强为200Lx 400 Lx、600 Lx、800 Lx、1000 Lx时,分别记下电流表读数，并填入上表。6、根据所得结果作出照度-电流曲线。7、参考曲线:二、光敏电阻的伏一安特性35传感器技术实验指导书1、直流稳压电源置10V档，光敏电阻探头用专用导线一端连接后，插入照度实 验架上传感器安装孔，导线另一端插入光敏电阻实验模块上“光敏电阻1”插口。在“光敏电阻实验模块”如图17-3接线。2、检查接线是否正确。3、直流稳压电源置2V档，开启电源，并将光强调节为1000 Lx。.4、记下此时电流表读数，并填入表17-2。表172电压（V+2+4+6+8+10电流（mA 5、将直流稳压电源分档逐步调整至10V,并逐一记下电流表读数并填入上表。6、作出V-I曲线。7、将光强开关分步调至600 Lx、800 Lx,直流稳压电源置4V档，重复上述（4）至（6）步，比较三条V-I曲线有什么不同。8、参考曲线36传感器技术实验指导书实验十八 光敏二极管特性实验实验目的：了解光敏二极管的光电特性，当光电管的工作偏压一定时，光电管输 出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。了解光敏二极管在照度一定的情况下，它的输出电流与偏压的关系。基本原理：光敏二极管是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基 片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散的很浅，为1pm左右，而空间电荷区（即耗尽 层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗尽层。光子入射到耗尽层内被吸收而激发 电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VBB的作用下，空穴流向正极，形成了二 极管的反向电流，即光电流。光电流通过外加负载电阻RL后产生电压信号输出。需用器件与单元：光敏二极管、光敏二极管实验模块、电压表实验步骤：一、光敏二极管的光电特性1、直流稳压电源输出置于2V档，电压表置200mv档。光敏二极管探头用专用 导线一端连接后，插入照度实验架上的传感器安装孔，导线另一端插入“光敏二极管 实验模块TJ插口。在光敏二极管实验模块如图18-1接线，并在负载选择单元中选 择R=20K作为Rf图 18-1接入I/V变换器。注：因光敏二极管产生的光电流比较小，为便于读数，所以采 川I/V变换器将光电流hi转换成电压，其关系为：lLi=|V/Rf|。2、关闭光强开关，记下电压表的读数（暗电流），并将数据填入下表。调节光强 为表18-1各数值时，分别记下电压表的读数填入表18-lo37传感器技术实验指导书表18：光强025050075010001250电压(mV)电流(I)3、作出照度-电流曲线(Iu=V/Rf)4、参考曲线-V-EV(LX)二、光敏二极管的伏一安特性1、直流稳压电源置4V档，光敏二极管探头用专用导线一端连接后，插入照度 实验架上的传感器安装孔，导线另一端插入光敏二极管实验模块“TJ插口。根据图18-1接线(零偏压)。2、开启电源及光强开关，将光强置于lOOOLx。3、记录下此时电压表的读数，并填入表18-2。表 18-2：偏压0-2-4-6-8-10电压(Vo)电流(|V/Rf|)4、将光敏二极管极与“，”之间的连线去除，将直流稳压电源单元中“-Vcc”端口与光敏二极管极相连，给二极管加上偏压。5、直流稳压电源从-4V逐步调整至-10V,记录下每一步的电压表读数值。并填 入上表。6、作出V-I曲线。7、将光强分别调至750 Lx、500 Lx档，重 复上述36步。比较三条V-I曲线有什么 不同。EV3EV2EV1V38传感器技术实验指导书8、参考曲线39传感器技术实验指导书实验十九光敏三极管特性实验实验目的：了解光敏三极管的光电特性，当光电管的工作偏压一定时，光电管输 出光电流与入射光的照度（或通量）的关系。了解光敏三极管在照度一定的情况下，其输出电流与偏压的关系。基本原理：光敏三极管是一种光生伏特器件，用高阻P型硅作为基片，然后在基 片表面进行掺杂形成PN结。N区扩散得很浅，为Wm左右，而空间电荷区（即耗尽 层）较宽，所以保证了大部分光子入射到耗尽层。光子入射到耗尽层内被吸收而激发 电子-空穴对，电子-空穴对在外加反向偏压VBB的作用下，空穴流向正极，形成了三 极管的反向电流，即光电流。光电流通过外加负载电阻RL后产生电压信号输出。实验步骤：一、光敏三极管的光电特性1、直流稳压电源输出置于10V档，光敏三极管探头用专用导线一端连接后，插 入光谱架上的传感器安装孔，导线另一端插入光敏三极管实验模块”TJ插口。在光敏三极管实验模块按图19-1接线。2、关闭光强开关，旋转测微杆，使光谱指示针指向黄绿之间，记下电流表的读数（暗电流），并将数据填入表19-1。表 19-140传感器技术实验指导书3、开启光强开关，调节光强为上表各值时，读出电压表的读数，计算出电流,光强0250Lx500Lx750LxlOOOLx1250LxVO/1K并填入上表。4、作出照度一电流曲线。5、参考曲线：注：为使实验直观，该实验没有在封闭的黑盒中进行，所以具有一定的外界因素干扰,实验时请注意不要使正面干扰光较大，同时注意人员移动时的影响。二、光敏三极管的伏安特性1、直流稳压电源置10V档，光敏三极管探头川专用导线一端连接后，插入光谱 架上的传感器安装孔，导线另一端插入光敏三极管实验模块上的光敏三极管“I”插 o根据图19-1接线，开启电源，调节光强为1000 Lx。2、记录下此时电流表的读数，并填入表19-2o表 19-2V_+4V_+6V_+8V_+10VV0/lKl(mA)|3、直流稳压电源从10V逐步降至4V,每隔一步记录下电压表读数。并填入上 表。4、作出V-I曲线。5、将光强分别调至750 Lx、500 Lx档，重复上述24步，比较三条V-I曲线有 什么不同。6、参考曲线41传感器技术实验指导书实验二十光电池特性实验实验目的：了解硅光电池的光电特性，即短路电流及开路电压与照度的关系。了 解光电池在照度一定的情况下，它的输出电流与电压随负载变化的关系。基本原理：硅光电池在原理结构上类似于光电二极管，其区别在于，硅光电池川 的衬底材料的电阻率低，约为0.1O.OlQ.cm,而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为 1000 Q.cm,光敏面从O.lQ.cn?lOQ.cn?不等，光敏面积大则接收辐射能量多，输出 光电流大。实验步骤：一、光电池的光电特性短路电流实验1、将光电池用专用导线连接后，插入照度架上传感器的安装孔，导线另一端接 上光电池实验模块上“光电池TJ插口。在光电池实验模块按图20-1接线。图2042、开启电源，调节光强为 0、250 Lx、500 Lx、750 Lx、1000 Lx 1250 Lx,记下 电流表的读数（暗电流），并将数据填入表20-1。表2042传感器技术实验指导书光强（Lx 0250Lx500Lx750LxlOOOLx1250Lx电流 mA 3、作出照度一短路电流曲线。4、参考曲线：开路电压实验1、按照图20-2接线。9-1|-9O-（V）-图 20.22、开启光强开关，调节光强为 0、50 Lx、100 Lx、150 Lx、200 Lx、250 Lx、500 Lx750 Lx、1000 Lx 1250 Lx,记下电压表的读数，并将数据填入表20-2。表 20-2光强（Lx 05010015020025050075010001250电流（mA 3、关闭光强开关，作出照度一开路电压曲线。二、光电池的伏安特性1、光电池探头用专用导线一端连接后，插入照度架上的传感器安装孔，导线另一 端插入光电池实验模块上“光电池TJ插口。按图20-3接线，调节光强为lOOOLxoII图 20-343传感器技术实验指导书2、记录选择RL为下表中不同阻值时，电压/电流表读数，并填入表20-3。050。100Q200Q300。400Q1KQ2KQ200KQOO电流(mA)电压(V)表2133、作出随负载电阻变化的V-I曲线。4、调节光强为500 Lx、250 LXo5、重复上述几步。6、比较一下三条V-I曲线有什么不同。7、参考曲线44传感器技术实验指导书附录：数据分析相关知识检测仪表的基本性能指标1、测量范围和量程量程=测量上限值一测量下限值2、输入一输出特性（1）灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化 的比值。可表示为：_ Ay 十 dy它是输入一输出特性曲线的斜率。s=募或$=厄如果系统的输出和输入之间有线性关系，则灵敏度是一个常数。否则，它将随输 入量的大小而变化。一般希望灵敏度S在整个测量范围内保持为常数。这样，可得均 匀刻度的标尺，使读数方便，也便于分析和处理测量结果。由于输入和输出的变化量 一般都有不同的量纲，所以灵敏度S也是有量纲的。如输入量为温度（C）,输出量为标 尺上的位移（格），则s的量纲为格/C。如果输入量和输出量是同类量，则此时s可理 解为放大倍数。因此，灵敏度比放大倍数有更广泛的含义。（2）死区（不灵敏区）死区是指输入信号的变化不能引起输出信号发生变化的有限空间。是系统元件的摩擦及空隙等现象引起的。（3）回差一变差正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程期间-检测装置输入一输出曲线 的不重合程度。外界条件不变的情况下，同一大小的输入信号在正反行程的输出信号 数值不相等。产生原因一般是检测装置中的弹性元件、机械传动中的间隙和内摩擦、磁性材料的磁滞。Sh=max x 10Q%y FS45传感器技术实验指导书（4）线性度理想检测系统的输出与输入关系应为比例关系，表示为：丁（。=h。而实际检测装置的输入输出关系往往不是理想的线性关系。非线性误差是指实测曲线偏离理想直线的程度。用实际测得的输入一输出特性曲线（标定曲线）与其拟和直线之间的最大偏差与 检测装置满量程输出范围之比表示：e=Am/yFS其中参考直线通常用以下两种方法获得：a）最小二乘直线：标定值相对于该直线的误差平方和最小b）端点连线：连接最大与最小标定值的直线-端基直线46传感器技术实验指导书1-标定曲线 2 拟和直线3、重复性与再现性重复性是指在相同测量条件下，对同一被测量，按同一方向多次测量时，检测仪 表的各输出值之间的一致程度。重复性误差可用正反行程的最大偏差表示，即：ARmaxl正行程的最大重复性偏差Rmax2反行程的最大重复性偏差。再现性是指在相同测量条件下，在规定的相对较长的时间内，对同一被测量从两 个方向上重复测量时，检测仪表的各输出值之间的一致程度。重复性不包括何差，再现性包括何差，也包括了重复性47