检测与转换技术实验指导2013年10月给学生

1、检测与转换技术实验指导物理与电信工程学院电子测量与自动控制教研室2013 年 10 月实验目录实验一金属箔式应变片单臂等臂电桥性能实验-2实验二金属箔式应变片半差动等臂电桥性能实验-6实验三金属箔式应变片全差动等臂电桥性能实验-7实验四金属箔式应变片电子秤实验-8实验五电容式传感器的位移特性实验-10实验六直流激励时霍尔传感器位移特性实验-12实验七pt 100 铂热电阻测温实验 -13实验八热敏电阻特性研究 -15实验九集成温度传感器实验 -17实验十光电二极管和光敏电阻特性研究- 19附录 1实验箱温度控制简要原理-22附录 2温度控制器使用说明 -22附录 3thqc-1 型典型传感元件

2、实验箱使用说明-251实验一金属箔式应变片单臂等臂电桥性能实验一、 实验目的：掌握金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。二、 基本原理：金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。金属的电阻表达式为：l（ 1）rs当金属电阻丝受到轴向拉力f 作用时，将伸长l ，横截面积相应减小 s ，电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化r 。对式（ 1）全微分，并用相对变化量来表示，则有：rls（ 2）rls式 中 的l为 电 阻 丝 的 轴 向 应 变 ， 用 表 示 ， 常 用 单 位l（ 1 =1106mm）。若径向应变为rr ，电阻丝的纵

3、向伸长和横向收缩的mm关系用泊松比表示为r（ l）sr），则（ 2）式可以rl，因为s =2（r写成：rlll（3）rl（12 ）（1 2l l） lk0 l式（3）为“应变效应”的表达式。k0 称金属电阻的灵敏系数，从式（3）可见， k0 受两个因素影响，一个是（1+ 2），它是材料的几何尺寸变化引起的，另一个是（，是材料的电阻率随应变引起的（称“压阻效应” ）。对于金）属材料而言，以前者为主，则k012，对半导体， k0 值主要是由电阻率相对变化所决定。 实验也表明， 在金属丝拉伸比例极限内， 电阻相对变化与轴向应变成比例。通常金属丝的灵敏系数k 0 =2 左右。用应变片测量受力时，将应变

4、片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形， 其电阻值发生相2应变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化，根据（3）式，可以得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系e（4）式中测试的应力；e材料弹性模量。可以测得应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量， 从而做成各种应变式传感器。电阻应变片可分为金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片。三、需用器件与单元 ：应变式传感器实验模板、砝码（每个砝码重量20 克）、数显表、 15v 电源、 5v 电源、万用表。四、实验内容与

5、步骤：1、应变片的安装位置如图（ 11）所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板的左上方的 r1、r2、r3、r4。可用万用表进行测量， r1=r2=r3=r4=350。图 11应变式传感器安装示意图2、接入模板电源 15v（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，顺时针调节 rw2（放大器增益调节）使之大致位于中间位置，再进行差动放大器调零，方法为：将差放的两个输入端与地短接，输出端vo 与主控箱面板上数显电压表输入端vi 相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2v 档）。关闭主控箱电源。（注意：当 rw2的

6、位置一旦确定，就不能改变。 ）拆下差放的两个输入端与地短接线。33、按图 1-2 将应变式传感器的其中一个应变片r1（即模板左上方的r1）接入电桥作为一个桥臂与r5、 r6、r7 接成直流电桥，（r5、 r6、r7 模块内已接好），接好电桥调零电位器rw1，接上桥路电源 5v，此时应将 5v 地与 15v地连接（因为两组电源独立不共地） ， 15v 地与放大器的地线相连，如图1-2所示。检查接线无误后，合上主控箱电源开关。调节rw1，（电桥初始调零），使数显表显示为零。4、在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完。记下实验结果填入

7、表1-1 ，关电源。图 1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图表 11 单臂电桥输出电压与所加负载重量值记录表重量 (g)电压 (mv)五、实验数据处理 ，根据表 11 数据，画出传感器的特性曲线，作出拟合直线。根据拟合直线，计算灵敏度 su /w （u 输出电压的变化量，w 重量变化量）计算非线性误差f1=m/yfs 100 式中m 为输出值与拟合直线的最大偏差 ：yfs 满量程输出（此处为 200g）时的输出电压。后面实验的灵敏度、非线性误差计算可参考以上方法。4六、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5v，绝不可错接成 15v，否

8、则可能烧毁应变片。七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出单臂电桥时传感器的特性曲线，作出拟合直线。2、计算系统灵敏度、非线性误差。2、从理论上分析产生非线性误差的原因。实验二金属箔式应变片半差动等臂电桥性能实验一、实验目的：1、掌握半差动等臂电桥的工作原理和特点。2、比较半差动等臂电桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。二、基本原理：把不同受力方向的两只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。 当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压uo2ek 2。式中 e 为电桥供电电压。三、需用器件与单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15v 电源、 5v 电源。四、实验

9、内容与步骤：1、接入模板电源 15v（从主控箱引入），检查无误后，合上主控箱电源开关，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数显电压表输入端vi 相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器rw3，使数显表显示为零，（数显表的切换开关打到2v 档）。关闭主控箱电源。2、根据图 2-1 接线。 r1、r2 为实验模板左上方的应变片，注意r2 应和 r15受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源5v，调节电桥调零电位器rw1 进行桥路调零，重复实验一中的步骤4 、 5，将实验数据记入表2-1 ，计算灵敏

10、度s2u /w ，非线性误差f 2 。若实验时显示数值不变化说明r1 与 r2 两应变片受力状态相同。则应更换应变片。图 2-1应变式传感器半差动等臂电桥实验接线图表 21 半差动等臂电桥测量时，输出电压与加负载重量值记录表重量（ g）电压（ mv ）五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5v，绝不可错接成 15v，否则可能烧毁应变片。六、思考题：半差动等臂电桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片应怎样接入电桥？七、实验报告要求：1、记录实验数据，并绘制出半差动等臂电桥传感器的输出特性曲线。2、分析为什么半差动等臂电桥的输出灵敏度比单臂

11、等臂电桥时高了一倍，而且非线性误差也得到改善。6实验三金属箔式应变片全差动等臂电桥性能实验一、实验目的：掌握全差动等臂电桥测量电路的原理及优点。二、基本原理：全差动等臂电桥测量电路中，将受力性质相同的两个应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值： r1 r2r3r4，其变化值r1r2r3r4 时，其桥路输出电压u03ke 。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明显改善。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15v 电源、 5v 电源。四、实验内容与步骤：1、 根据 3-1 接线，实验方法与实验二相同。将实验结果填入表3-1；进行灵敏度和非线性误差计算。表 3

12、1 全差动等臂电桥输出电压与加负载重量值记录表重量（ g）电压（ mv ）图 3-1 应变式传感器全差动等臂电桥实验接线图7五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5v，绝不可错接成 15v。六、实验报告要求：1、根据所记录的数据绘制出全差动等臂电桥时传感器的输出特性曲线。实验四金属箔式应变片 电子秤实验一、实验目的：掌握应变电阻组成直流全差动等臂电桥的应用及电路的标定。二、基本原理：电子秤实验原理为实验三，电桥连接见图31，利用全差动等臂电桥测量原理，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 ）改为重量量纲克（ g

13、）即成为一台原始的电子秤。三、需用器件和单元：应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15v 电源、 5v 电源。四、实验内容与步骤：1、按实验一中 2 的步骤，将差动放大器调零，（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数显电压表输入端vi 相连，调节实验模板上直流偏置调零电位器rw3，使数显表输出显示为零）按图3-1 接线，合上主控箱电源开关，调节电桥平衡电位器rw1，使数显表显示0.000v（ 2v 档）。2、将 10 只砝码全部置于传感器的托盘上，调节电位器rw2（增益调节即满量程调节）使数显表显示为0.200v 或 0.200v。3、拿去托盘上的所有砝码，调节电位器rw

14、1（零位调节）使数显表显示为0.000v。84、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，就可以称重，成为一台原始的电子秤。5、把砝码依次放在托盘上，输出电压填入下表4-1。表 41 电桥输出电压与加负载重量值记录表重量（ g）电压 (mv)6、测量和记录一支笔的重量。五、实验注意事项：1、不要在砝码盘上放置超过1kg 的物体，否则容易损坏传感器。2、电桥的电压为 5v，绝不可错接成 15v。六、实验报告要求：1、记录实验数据，绘制传感器的特性曲线和拟合直线。2、计算电子秤灵敏度、非线性误差。3、某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了四只电阻应变片

15、（如下图），利用这四只电阻应变片连接组成全差动直流电桥。图 4-1应变式传感器受拉时传感器周面展开图4、分析若要增加电子秤输出灵敏度，应采取什么措施。9实验五电容式传感器的位移特性实验一、实验目的 ：掌握电容式传感器结构及其特点。二、基本原理：利用平板电容c sd 和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、 s、d 中三个参数中，保持两个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测谷物干燥度（变）测微小位移（变d）和测量液位（变s）等多种电容传感器。 变面积型电容传感器中， 平板结构对极距特别敏感，测量精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系，（但

16、实际由于边缘效应的影响，会引起极板间的电场分布不均，导致非线性问题仍然存在，且灵敏度下降，但比变极距型好得多。）成为实际中最常用的结构，其中线位移单组式的电容量c 在忽略边缘效应时为：2lcr2（1）lnr1式中l 外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2 、 r1 外圆筒内半径和内圆柱外半径。当两圆筒相对移动l 时，电容变化量c 为c2 l2 l l2 lc0l（ ）ln r2 rln r2 rln r2 rl2111于是，可得其静态灵敏度为：k gc2lllnr2r1l2llnr2r1l4/lln（ 3）r2r1可见灵敏度与r2 r1 ，有关， r2与 r1 越接近，灵敏度越高， 虽然内外极筒原

17、始覆盖长度l 与灵敏度无关，但l 不可太小，否则边缘效应将影响到传感器的线性。本实验为变面积式电容传感器， 采用差动式圆柱形结构， 可以减小非线性误差和增加传感器的灵敏度。10电容传感器位移实验电路如图51 所示， 555 时基集成电路组成方波信号产生电路， cx1、cx2 是电容传感器的两个差动电容，四臂二极管桥路实现把两个差动电容器电容量的变化转换成电压变化，经过rw 调节和放大后输出。三、需用器件与单元：电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压源。四、实验步骤：1、将电容式传感器装于电容传感器实验模板上，将传感器引线插头用标记电容的专用电缆插入实验模板的插座中，15v

18、地与放大器的地线相连，如图51。2、将电容传感器实验模板的输出端vo1 与数显单元 vi 相接（插入主控箱vi 孔） rw 调节到中间位置。3、接入 15v 电源，旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，初始位置为内园筒在中间位置，这时输出电压最小,vo0 时线性较好。每隔0.2mm 记下位移 x 与输出电压值，填入表5-1。测微头刻度变化1 代表位移 10 m。表 51 电容传感器位移与输出电压值记录表（数字电压表选20v 量程）x(mm)u(v)五、实验注意事项：1、传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2、做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。图 5-1 电容传感器位移实验接线图11六

19、、实验报告要求：1、整理实验数据，根据所得实验数据做出电容传感器的位移特性曲线，并利用最小二乘法算出拟合直线方程，画出拟合直线。2、计算电容传感器的灵敏度、非线性误差。3、电容式传感器可分成哪三种类型，实验中使用的电容传感器是哪一类？实验六直流激励时霍尔传感器位移特性实验一、实验目的：掌握霍尔式传感器原理与应用。二、基本原理 ：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势， 这种物理现象称为霍尔效应。 具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应， 霍尔电势 uh k hib ，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动

20、，则输出的霍尔电动势为u hkx ，式中k位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示磁场的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。三、需用器件与单元：霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、15v 直流电源、测微头、数显单元。四、实验步骤：1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头用标记霍尔的专用电缆插入实验模板的插座中，15v 地与放大器的地线相连，实验板的连接线按图 6-1 进行。2、开启电源，将rw1 大约旋到中间位置，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，这时磁场最弱，产生霍尔电势最小，使数字电压表指示为零。12图 6-1直流

21、激励时霍尔传感器位移实验接线图3、测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm 记下一个读数，将读数填入表6-1。测微头刻度变化1 代表位移 10m。表 61 霍尔传感器位移与输出电压值记录表x（ mm）u(mv)五、实验注意事项：1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成15v，否则将可能烧毁霍尔元件。六、实验报告要求：1、整理实验数据，根据所得实验数据做出传感器的特性曲线和拟合直线。2、计算霍尔传感器的灵敏度、非线性误差。3、本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？实验七pt100 铂热电阻测温实验一、 实验目的：掌握热电阻的特性与应用。二、 基

22、本原理：利用导体电阻随温度变化这一特性，热电阻用于测量时，要求其材料电阻温度系数大，而稳定，电阻率高，电阻与温度之间最好有线性关系。常用铂电阻和铜电阻，铂电阻在 0630. 74以内，电阻 rt 与温度 t 的关系为：13rt=ro(1+at+bt 2)ro 系温度为 0时的电阻。本实验 ro100。a 3.9684102 ，b 5.847 10 7 2，铂电阻内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种，两线制中引线电阻对测量的影响大， 用于测温精度不高的场合， 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响， 用于高精度

23、温度检测。 本实验是三线制连接， 其中一端接二根引线主要为消除引线电阻对测量的影响。三、 需用器件与单元：pt100 铂热电阻（温度模块上）、 1a 恒流源、温度控制单元（温控器） 、温度传感器实验模板、数显单元、万用表。四、 实验步骤：1、测量 pt100 铂热电阻的阻值（约 108 欧姆），将温度模块中的实验 pt100 铂热电阻接入 a、b 间，把 b、 c 连接起来，这样， r1、 r3、r4、rw1、pt100 就组成了一种直流单臂电桥 （图 71 所示），再把 rw2 逆时针旋到底（增益最小）。图 7-1pt100 铂热电阻测温实验接线图2、把温度模块的 15v 和主控箱的 15v

24、 输出连接起来， 15v 地与放大器的地线相连，差动放大器的 vo 与主控箱的电压表相连，再将差动放大器的输入端与地短接，调节 rw3 使差动放大器的输出为零。143、“温控 pt100”与“温度检测与控制pt100“三根线对应连接，将温度模块上的“恒流输入”和主控箱上的“恒流加热电源输出”连接好。4、按图 7-1 连接好线，在端点a 与地之间加 +5v 的直流电源，按图7-1 将电桥的输出与差动放大器相连，温度控制器的sv 窗口设定为 500 c （设置方法见附录 2），温度达到 500 c 时，调节 rw1 使电桥平衡，即使差放的输出为零。5、在 500 c 的基础上，以后每隔50 c 设

25、定一次，即t= 50 c ，达到设定温度时读取数字显示电压表显示值，将结果填入表7-1。表 71pt100 铂热电阻测温实验数据记录表t（）u(v)五、实验注意事项：加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。六、实验报告要求：1、根据实验所得数据，画出传感器的特性曲线，并画出拟合直线，2、计算 pt100 铂热电阻传感器的灵敏度、非线性误差。3、pt100 铂热电阻传感器有哪些特点。实验八热敏电阻特性研究一、实验目的：掌握热敏电阻的特性与应用方法。二、基本原理：热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件， 一般用半导体材料做成， 可以分为负温度系数热敏电阻 ntc （negative tem

26、perature coefficient thermistor）和正温度系数热敏电阻 ptc（positive temperature coefficient thermistor），临界温度系数热敏电阻 ctr（critical temperature resistor）三种，本实验主要研究前两种，半导体热敏电阻的工作原理一般用量子跃迁观点进行分析。由于热运动（譬如温度升高），越来越多的载流子克服禁带（或电离能）引起导电，这15种热跃迁使半导体载流子浓度和迁移发生变化，根据电阻率公式可知元件电阻值发生变化。 ntc 通常是一种氧化物的复合烧结体，特别适合于100 3000c 之间的温 度测

27、量， 它的 电阻 值 随着温度 的升 高而减小 ，其 经验公式 为：b 11rt r0 et t0 ，式中， r0 是在 25 0 c 时或其他参考温度时的电阻， t0是热力学温度（ k ）， b 称为材料的常数，其值与材料有关，主要用于温度测量。ptc是由在 batio3 和 srtio3 为主的成分中加入少量y 2o3 和 mn 2o3 构成的烧结体。其特征曲线是随温度升高而阻值增大，开关型的ptc 在居里点附近阻值发生突变，有斜率最大的区段，即电阻值突然迅速升高。ptc 适用的温度范围为0050 c 150 c ，主要用于过热保护及作温度开关。图 81 ntc 、ptc 电阻温度电阻值曲

28、线图二、需用器件与单元：加热源、温度控制单元、温度传感器实验模板、万用表。四、实验内容与步骤：1、将温度模块上的“恒流输入”和主控箱上的“恒流加热电源输出”连接好，“温控 pt100”与主控箱上的“温度检测与控制pt100”三根线对应连接。2、将温度控制器的sv 窗口设置在 500 c ，设置方法见附录2。然后每隔 50 c设置一次。直到110 度。3、用万用表测量温度模块上的ntc 和 ptc 的电阻值，记下每次设置温度到达时的电阻值，将结果填入以下表格：16表 81 ntc 热敏电阻温度电阻值记录表：t( )rt( )r表 82ptc 热敏电阻温度电阻值记录表：t( )rt( )r五、实验

29、注意事项：加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。六、实验报告要求：1、根据实验所得的数据绘制出ntc 、ptc 的温度电阻特性曲线图。2、归纳总结 ntc 用作温度测量时应注意哪些问题？3、ntc 、ptc 热敏电阻各适用于何种场合？实验九集成温度传感器实验一、 实验目的：掌握常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用方法。二、 基本原理 ：集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于50 150之间测量，17温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时， 晶体管的基极发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管 ub 电

30、压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型数字输出型三种， 电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰。 具有很好的线性特性。 本实验采用的是国产的 ad590 电流型集成温度传感器。 温度变化 1 度，电流变化约 1 微安，它只需要一种电源（ 4v 30v）。即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻（本实验中为 r2）即可实现电流到电压的转换。它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。 ad590 电流型集成温度传感器输出：i oi coc 1 ti co 为 273 .2a ，

31、 c 1电流温度系数，1a / o ct 是摄氏温度t 是摄氏温度。三、 需用器件与单元 ：温度控制器、加热源、温度模块、数显单元、万用表。四、 实验步骤：1、将主控箱上总电源关闭，把主控箱中的“恒流加热电源输出”与温度模块中的“恒流输入”连接起来。2、将温度模块中的温控pt100 与主控箱的 pt100 输入连接起来。3、将温度模块中左上角的ad590 接到 a、 b 上（正端接 a，负端接 b），再将 b、d 连接起来。如图 91 所示 (参考图 7 1)。4、将主控箱的 +5v 电源接入图 9-1 所示电路。5、将 d 和地与主控箱的电压表输入端相连，如图 9-1（即测量 1k电阻两端的

32、电压）。6、开启主电源，将温度控制器的 sv 窗口设定为 50 0 c（设置方法见附录 2），以后每隔 50 c 设定一次，即 t= 50 c ，读取数显表值，将结果填入下表。18表 91ad590 电流型集成温度传感器实验数据记录表t（）u(mv)图 91 ad590 电流型集成温度传感器实验连接图五、实验注意事项：1、加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。2、不要将 ad590的+、- 端接反，因为反向电压可能击穿ad590。六、实验报告要求：1、根据实验数据画出拟合直线，2、计算输出电压灵敏度、非线性误差，3、说明 ad590 的测量温度范围和电流温度系数。实验十光电二极

33、管和光敏电阻特性研究一、实验目的：了解光电二极管和光敏电阻的特性与应用。二、基本原理：（ 1）光电二极管：光电二极管是由pn 结组成的结型光电器件，结构与一般二极管类似。pn结安装在管的顶部， 便于接受光照。 外壳上有以透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上，为了获得尽可能大的光生电流，pn 结的面积比一般二极管要大。为了光电转换效率高， pn 结的深度比一般二极管浅。光电二极管可工作在两种状19态：（1）大多数情况下工作在反向偏压状态。在这种情况下，当无光照时，处于反偏的二极管工作在截止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，即暗电流。反向电流小的原因是在pn

34、 结中， p型中的电子和n 型中的空穴（少数载流子）很少。当光照射在pn 结上时， pn结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子空穴对，使p 区和 n 区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏电压和内电场的作用下，p 区的少数载流子渡越阻挡层进入 n 区，n 区的少数载流子渡越阻挡层进入 p 区，从而使通过 pn 结的反向电流大为增加， 形成了光电流， 反向电流随光照强度增加而增加。 应用在作光电检测及控制方面。（2）另一种工作状态是在光电二极管上不加电压， pn 结受光照时产生正向电压的原理，将其作为微型光电池用。 这种工作方式一般应用在作光电检测及控制方面。流过光电池的短路电流与光照度成线性关

35、系。光电二极管常用的材料有硅、锗、锑化铟、砷化铟等，使用最广泛的是硅、锗光电二极管。光电二极管具有响应速度快、精巧、坚固、良好的温度稳定性和低工作电压的优点，因而得到了广泛的应用。图 10-1 为光电流信号转换电路， vo=ipr，ip 为光电流， r 是反馈电阻。实验中测量的电压是转换电路输出电压 v o。图 101 光电流信号转换电路（2）光敏电阻：光敏电阻是利用光的入射引起半导体电阻的变化来进行工作的。 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应： 在无光照时， 光敏电阻具有很高的阻值； 在有光照20时，当光电子的能量大于材料禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子空

36、穴对，使电阻降低，光线愈强，激发出的电子空穴对越多，电阻值越低；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电能力下降，电阻恢复原值。制作光敏电阻的材料常用硫化镉（ cds）、硒化镉（ cdse）、硫化铅（ pbse）锑化铟（ insb）等。由于光导效应只限于光照表面的薄层，所以一般都把半导体材料制成薄膜，并赋予适当的电阻值， 电极构造通常做成梳形， 这样，光敏电阻与电极之间的距离短，载流子通过电极的时间 tc 少 ，而材料的载流子寿命 c 又较长，于是就有很高的内部增益 g，从而获得很高的灵敏度。光敏电阻具有灵敏度高， 光谱响应范围宽，抗过载能力强，耗散功率大，以及寿命长等特点。光敏电阻的阻值r 和光

37、照强度呈现非线性特性。主要应用在光电控制及自动化技术领域。（3）发光二极管（ led ）特性，发光二极管作为光源，发出光亮度在一定范围内与流过发光二极管的电流成正比。三、实验器件与单元： 光电模块，主控箱，万用表，020ma 恒流源。四、实验内容与步骤：1、将主控箱左上角的020ma 恒流源调节到最小。2、把 020ma 恒流源的输出和光电模块上的“恒流输入”连接起来，以驱动 led 光源。调节恒流源的电流，就改变了 led 的发光亮度。3.1、硅光电池实验：将恒流源从 0 开始每隔 2ma 记录一次输出电压（是光电流经过电流 /电压转换电路的输出电压） ，填入表 10-1，光电二极管的输出指

38、示在光电模块的右边数字显示电压表上指示，单位 mv 。光电模块的左边数字显示电流表上指示通过 led 的电流，单位 ma 。3.2、光敏电阻实验：由于光敏电阻光较弱时变化较大， 所以在 02ma 之间，每隔 0.5ma 记录一次光敏电阻阻值，以后每隔 2ma 记录光敏电阻阻值，测得的数据填入表 10-2。光敏电阻阻值的大小用万用表测量光电模块上的光敏电阻引脚。21（1）表 101，光电二极管光敏特性实验数据：i （ ma ）u(mv)（2）表 102，光敏电阻光敏特性实验数据：i （ ma ）r五、实验注意事项：注意要将主控箱上恒流输出的正负端和光电模块上的正负端对应接好。+5v电源的地线要求

39、独立，不能与其他电源地线连接。七、实验报告要求：1、根据实验数据作出光敏电阻和光电池的特性曲线图。2、简述光敏电阻和光电池的光照特性。3、当将硅光电池作为光探测器时应注意那些问题？4、光敏电阻主要应用在什么场合。附录 1实验箱温度控制简要原理当总电源开关合上，并且温度控制器的开关也闭合时，如果温度控制器测得的温度低于设定的温度值，那么温度控制器面板上alm2 灯亮（ alm2 为一继电器的常开触点，恒流源是与这个常开触点串联的），内部继电器闭合，温度模块开始加热，加热电源为1a 恒流源，当温度加热到略高于设定温度值时，alm2 灯灭，内部继电器断开，温度模块停止加热，但由于温度的惯性比较大，因

40、此当温度模块停止加热后，温度显示仍有一定的向上的冲量。附录 2温度控制器使用说明1、仪表通电显示窗先显示 pv 窗输出代码、 sv 窗输入代码，后显示 pv 窗量程上限、 sv 窗量程下限（ n 型显示 pv 窗 jd0 5、 sv 窗 2003），随后即进入工作状态，其中 pv 显示的为测量的温度值， sv 显示的为设定的温度值， 当 sv 的值大于 pv 的值时 alm2 灯亮，恒流源有输出，当 pv 的值大于 sv 的值时，alm122灯亮，恒流源无输出，按set 键 0.5 秒 sv 显示窗闪烁，此时可改变设定值，再按 set 键 0.5 秒确认，如需要修改其他参数，必须按住set 键

41、大于 3 秒，即进入 b 菜单，可按要求逐一修改内容（见操作流程表），修改完毕再按set 键 0.5秒若干下，退出菜单，如15 秒内无键按下（该窗内新设置的数据无效）自动进入新的工作状态。2、当输入信号大于量程上限时，仪表显示，当输入信号小于超出量程下限 10%以上时，仪表仍显示，并切断主控输出；当输入信号略小于量程下限时，仪表显示。3、当温度控制效果不够理想时，可以通过人工后自整定来改变pid 参数。操作方法如下： 人工修正： 将仪表进入 b 菜单至 p 窗，再用温度控制器下面的三个箭号键来修正 p 值，再按 set0.5s进入 i 窗， i 、d、t 的修正方法同上，然后再按 set键 0

42、.5s 若干下返回正常工作状态， 即开始新的 pid 参数。自整定修正：先把主控设定再实际使用值后实用值的 80%左右，再将仪表进入 b 菜单至 atu窗后选择（ 1）选号按 set键确认后仪表即进入自整定状态，同时 at灯亮，带自整定完成 at灯灭仪表即按新的自整定 pid 参数工作。用自整定修正 pid 值时应该注意当负载为多段串联加热方式（如挤出机械） ，其中某段进入自整定过程时，应尽量保持相邻前后二段的温度不变，否则会影响自整定效果。4、pid 参数的设置原则：p比例带设定，一般取上过冲值的2 倍，当温度有规律波动（系统振荡）应增加比例带，当温度无规律漂动时，应减少比例带。i 积分时间

43、设定，当温度有规律波动时，应增加积分时间，当温度很长时间不能消除静差时应减少积分时间。d微分时间设定，一般取积分时间的1/5 1/4 ，微分时间的增加有助于减少系统的超调。5、pid 控制与位式控制功能的切换方法：若需把仪表切换成位式控制（常规仪表出厂设置为 pid 控制），正常工作状态仪表按住 set键 3s 以上进入 b 菜单后，再按 set键 0.5s 若干下至 p 窗，把 p 设为 0 后按 set键若干下至 t 窗，把 t 设23为 1 即进入位式控制，其控温范围（切换差）可通过该变dp 值来实现，位式控制时的 dp 值举例： sv=0 c 时，设dp=12.50c，则实际输出控制范围为87.5100112. 50 c 。若需返回至 pid 控制时，把 p、t、dp 值还原即可。 pid 控制适用于高精度控温场合，系统配置稳定合理可达到 1 个字精度；位式控制适用于控制某一段范围内的温度。6、限制功能，如仪表为连续电流或电压控制及输出时为限幅；如仪表时断续通断式输出时为限制输出通断时间比例关系，也就是周期（t）内最长导通时间的百分比。7、失常请检查仪表参数是否被误修改，传感器部分是否失效。按键不起作用，请检查 lck键是否被锁定。8、