智能仪器检测技术实验讲义(学生用)

实验一晶体管温度传感器及电子温度计

【实验目的】

1.了解半导体晶体管的温度特性。

2.了解晶体管温度传感器的结构、工作原理及响应特性。

3.掌握晶体管温度传感器电压——温度特性的测量方法。

4.了解电子温度计的电路结构和设计方法。

【实验原理】

1.半导体二极管及其特性

当用扩散的方法在P型半导体中掺入N型杂质或在N型半导体中掺

入P型杂质时，扩散的结果使得两种材料的交界处空穴与电子达到动态平

衡并形成PN结。由于PN结具有单向导电性，因此可用来制作半导体二

极管、稳压管、可控硅及三极管；其中半导体二极管和稳压管由一个PN

结构成，半导体三极管和可控硅

N筌信片

阳极引线>工”二阴极引线

才=

金’属触丝外充

图i-i二极管的结构及符号

由两个PN结构成。二极管的结构及符号见图1-1,根据使用的半导体材料

不同二极管分为错（Ge）型和硅（Si）型，根据结构划分为点接触型（图

l-l(a)),面接触型(图l-l(b))和硅平面型二极管(图1-1(0)；其中点接

触型二极管由于结面积小、结电容小而适用于高频工作，常用于高频检波

和用作高速开关，面接触型和硅平面型二极管由于结面积大而适用于低频

大电流整流。二极管在正向电压作用下会使PN结变薄，从而形成正向电

流，在反向电压作用下会使PN结变厚，无法形成反向电流，这就是二极

管的单向导电性，二极管的正向特性见图1-2。

从图1-2中可以看到，二极管的正向特性曲线呈非线性，根据半导体

理论可以得出二极管的正向电流为：

Id--1)

(1-1)

正向电压为：=V--ln(—(1-2)

q+人

式(1-1)、(1-2)中：匕——禁带宽度/V：Vr=kT/q-,

k=1.381x10-23j/长一波耳兹曼常数；

4=1.602x10-19。——单位电荷；

/A；

ls——二极管反向饱和电流(与温度有关)

山式(1-2)得，二极管的正向电压不但与电流有关，而且与环境温度有关,

当二极管电流(一定时，二极管的电压%与温度成一定关系，在温度不

太高的情况下，%与环境温度成正比,

即:匕,叫一的(1-3)

(»A)

图1-2二极管正向特性

这里，/?是与二极管电流有关的系数，当二极管电流一定时，月为常数，

因此夕被称之为二极管的电压——温度系数或测温灵敏度，可表示为：

夕=丝(1-4)

AT

夕表示环境温度变化1°C所引起的二极管电压变化，单位为〃?v/°c,

通常在一40℃~150℃范围内，(3«-2mV/℃.

利用二极管的电压——温度特性可以制做成温度传感器，电子温度计

和电子控温仪等测温与控温设备，图1-3为用半导体PN结制成的铠装温

度传感器示意图。

1半导体PN结2——引线3—填充材料4—金属外壳

图1-3铠装半导体PN结温度传感器示意图

2.半导体电子温度计的组成与温度测量

半导体电子温度计以半导体温度传感器作为传感器件，由测温传感器、

恒流源、放大器、零点调节、量程调节和显示仪表等组成。来自温度传感

器的信号经过相应的信号处理后得到反映被测温度的电压信号，通过经过

标定的显示仪表显示出温度值，其测温精度可以达到±0.1℃。图1-4为

半导体电子温度计的组成框图，图1-5为电路原理图。

图1-4半导体电子温度计组成框图

图1-5中的半导体二极管D密封在薄铜管中作为温度传感器，Tl.Dk

Rl、R2组成恒流源为温度传感器供电，电位器RW1、RW2起零点调节和

量程调节作用，显示仪表为指针式或数字式电压表,测温范围：0~100℃,

测量精度可以达到±0.5%。

SGND

图1-5半导体电子温度计电路原理图

3.晶体管温度传感器的响应特性

传感器的响应特性反映传感器对被测对象的反应速度，反应速度越快,

说明传感器对被测量的快速跟踪能力越强。由于每种传感器均存在响应惯

性，对于铠装晶体管温度传感器来讲，其响应惯性主要来源于金属外壳内

填充材料的热传导能力或铠装体的热容量，填充材料的热传导能力强，则

热惯性小，传感器的热响应速度快，因此填充材料最好采用导热硅脂或导

热硅胶。由于传感器的响应特性符合指数规律，相当于在阶跃信号作用下

惯性电路的输出特性，即：

t

V°=KK（l—e：）（1-5）

式（1-5）中，K——比例系数，V,.——阶跃输入信号或测量环境突变，T

一时间常数（秒）。当f=7时，输出能力达到最大能力的63%,当f=4?

时，输出能力达到最大能力的98%。

因此，7被看作是惯性系统响应能力的标志，7越小，响应速度越快，见

【实验仪器及装置】

晶体管电子温度计实验仪、电热杯、直流数字式电压表、秒表、标准

温度计、数字温度计等。

【实验内容】

1.半导体二极管电压——温度特性的测量

直流数字电压表接晶体管电子温度计实验仪“PN+”和“PN-”输出口，

打开电源开关，直流数字电压表选择2V档。将铠装晶体管温度传感器与

标准温度计捆绑在一起组成搅拌棒，在保温杯中加入适量的冰块和少量的

水，以冰为主，用搅拌棒充分搅拌成0°。的冰水混和液，读取并记录0℃

时直流数字电压表的读数一PN结电压，然后在玻璃杯中加入约100ml水,

用注射器抽取适量冰水注入玻璃杯中，调水温为10℃（水温高于20。。时,

先调20。（？后调10。（7）,将电压表读数％记入表1-1,电热杯中加入约

400ml水开始加热并不断用搅拌棒搅拌，使水中各部分温度均匀，同时使

铠装晶体管温度传感器热传导加快，水温每升高10℃读取一下直流数字

电压表读数%并记入表1-1,一直到100℃水沸腾为止，在直角坐标纸上

绘出半导体二极管的结电压——温度关系曲线。

2.晶体管电子温度计的标定测量

将铠装晶体管温度传感器再放入0℃的冰水混和液中，调整晶体管电

子温度计实验仪上的“零点”调节旋钮，使实验仪上的仪表指到零；然后

将温度传感器放入100℃的开水中，调整实验仪上的“满度”调节旋钮，

使实验仪上的仪表指到100℃。电热杯停止加热，将开水倒入另一烧杯中

（电热杯再装入约半杯以上的水继续加热，为下一内容做准备），烧杯放在

平台上，使水自然降温，水温每下降10℃读取一次实验仪上的仪表读数,

降温过程可向烧杯中逐渐加入少许冷水，用搅拌棒充分搅拌使水温均匀下

降，一直到10℃为止，将数据记入表1-2,计算标定相对误差：

6=以Jx100%，其中Amax为各标定点处实验仪上的仪表读数与标准

100℃

温度计读数之差的最大值。

3.晶体管温度传感器响应时间常数的测量

将晶体管温度传感器先放入0℃的冰水混和液中冷却，然后提出迅速

放入100°C1的开水中，同时用秒表计时，观察晶体管电子温度计实验仪的

仪表读数。由式（1-5）可知，当实验仪的仪表分别指到63。、86℃、95℃、

98℃时立即停止秒表计时，此时秒表指示值，即分别为1、2、3、4倍的

时间常数T,重复测量3次记入表1-3,取平均值后计算响应时间常数）和

Ar,分析产生的原因和减小Ar的方法。参照图1-6画制晶体管的温

度响应特性曲线。

【数据记录与数据处理】

表1-1半导体二极管电压——温度特性的测量

水温

0102030405060708090100

/℃

%/V

表1-2晶体管电子温度计的标定测量

水温/℃0102030405060708090100

指示值/°C

误差△/℃

标定误差b

表1-3晶体管温度传感器响应时间常数的测量

秒表指示秒表指示秒表指示平均值时间常数时间常数

℃

Ti/sF/$

值4/s值j/s值j/sr/s

63

86

95

98

关于时间常数的误差主要来源：

1、正确把握计时，自温度计接触沸水开始计忖到预定温度立即停止

计时。

2、酒精温度计误差较大，这里只能用作参考温度，实验中以数字温

度计读数为准。

【思考题】

1.半导体三极管也是由PN结构成，请问用三极管能否制做成温度传

感器？怎样设计？

2.如果晶体管温度传感器不用恒流源供电，而采用恒压串电阻为传感

器供电，请问它的电压——温度特性是否为线性？为什么？

3.晶体管温度传感器响应时间常数r的大小对晶体管电子温度计测温

有何影响？分析减小时间常数7的具体方法。

实验二电涡流行程传感器及转速测量

【实验目的】

1.了解电涡流传感器的原理及被测体材料对涡流传感器的影响。

2.学会用示波器观察激振状态下的调制波形。

3.学会用频率计、转速表测量转速。

【实验原理】

1.电涡流传感器工作原理

如果将一个绕在骨架上的空心线圈与正弦交流电源接通，流过线圈的

电流会在线圈周围空间产生交变磁场。当将导电的金属接近该线圈时，金

属导体中会感应出一圈圈自相闭合的电流，这种电流称为“电涡流”，如图

2-1(a)所示。涡流的大小和金属导体的电阻率0,磁导率〃、厚度八

线圈与金属导体的距离X,以及线圈励磁电流的交变频率。等参数有关。

如果固定其中某些参数，就可根据涡流的大小来测量出另外一些参数。

图2T电涡流传感器作用原理及等效电路

为了简化问题，我们把金属导体理解为一个短路线圈，图2-1(b)所

示为电涡流传感器与被测体的等效电路。其中与、乙为空心线圈的电阻

和电感;自、人为短路线圈的电阻和电感;而M则为两线圈的互感。根据

等效电路可写出两个电压平衡方程式:

RJ+j①LJ_ja)MI2=E

—jcoMIi++ja)L2I2=0(2-1)

将该方程联立求解可得：

/,=-------------------2-------------------(2-2)

D02M2r02M2

R]+--——-R)+j①L]~~——-coL)

2

R；+(COL2)~R；+(G4):

2

M【\_McoL2I^jcoMR2I.

1o_ICtf—ZZ~~Z\Z.-J)

2

-R2+ja)L2Rl+a)l2,

由(2-2)式可得空心线圈的总阻抗为：

2

7EDD0M2f02M2-

Z=—=R]+R,----------+jcoL.-----------T-COL-,

/1-&+(%)L&+(加2)

(2-4)

根据(2-4)式可进一步求出空心线圈的等效电阻用纣、等效电感和等

效品质因数。约，即:

arM2

Req=&+oT-R?(2-5)

R；+(江2)

_CD2M-

L|+&+("2(2-6)

oL,一^J,

R；+MJ-

(2-7)

R104

12

R；+{a)L1)

由此可见，当线圈接近导体时，电器参数Z、R”、4“。可等均为

互感M的函数，即为涡流线圈与金属导体间距离X的函数。所以凡是引起

涡流变化的电量和非电量，如金属的电阻率、磁导率、几何形状、线圈与

导体间的距离等，均可通过测量涡流线圈的Z、R"/、L«q、0”来确定,

这便是电涡流传感器的工作原理。

2.电涡流传感器测量电路

如上所述，电涡流传感器可以把涡流线圈和被测金属导体间的距离变

化，转换为线圈等效电阻、等效电感、等效阻抗和等效品质因数的变化。

测量电路的任务就是将这些变化量转化为电压或电流的变化,并加以显示。

实验采用的测量电路框图如图2-2所示，其中涡流线圈L和测量电路

中的电容。组成谐振电路，谐振频率为：f=—『

2兀又

将振荡器的振荡频率取为工（Xf8时谐振电路的谐振频率），在谐

振状态下涡流线圈的端电压为：

4=。，（2-8）

图2-2涡流传感器测量电路框图

式（2-8）中，。为谐振电路的品质因数，/为振荡器输出信号的幅

度。当装置的初始零位调整好后，涡流线圈与被测导体间距离为X。，相

应的线圈初电感为4）,谐振电路的初谐振频率为方,涡流线圈的端电压

则为：

Uq=KQOG

其中K为与。有关的系数，人一般取为1MHz左右。

图2-3变频调幅测量电路原理

当X。变化后，4、。°、人都要变化，例如X。变为七或X2,谐振

频率变为力或力（对一般金属，X减小时/增加），则变换器的端电压为

U、、U2,且有：

U、=

U2=K2Q2e}

此时端电压的增量正比于AX，见图2-3,通常为取

得较大的线性范围，将置于线性段的中点。电涡流传感器的测量电路有

多种类型，本实验采用的测量电路属于变频调幅式电路。

【实验仪器】

传感器实验仪、GOS-620双踪20M”z示波器、OT2234A光电转

速表、CN3166频率计、微型调速电机、电涡流传感器、JWY-30G直

流稳压电源等。

【实验内容】

1.电涡流传感器的静态标定

(1)装好传感器和测微头，使传感器对准铁片中心，测微头对准平台中

心孔。

(2)按图2-4接线。用导线将传感器接入涡流变换器的输入端，将输出

端接电压表，将电压表置20Vz档(根据需要及时改变电压表档位)。

涡流变换器

(3)适当调节传感器高度，使其与被测铁片接触，电压表从零开始读数,

调测微头，每隔0.5〃?机用示波器观察涡流变换器输入端的信号幅度变化，

同时在表2T中记录直流数字电压表的读数匕1

(4)根据实验数据，在坐标纸上画出匕■e-X曲线，指出大致线性范围,

求出线性区测量灵敏度：SFe=AVfe/AX。

2.研究被测体材料对电涡流传感器特性的影响

(1)取下平价上的铁测片，换上铝测片，安装好涡流传感器，调整好位

置，装好测微头。

(2)接线同图2-4,从传感器与被测铝片接触开始，旋动测微头改变传

感器与被测体的距离，每隔0.5机m用示波器观察涡流变换器输入端的信号

幅度变化，同时在表2-2中记录直流数字电压表的读数匕/o

(4)根据实验数据，在坐标纸上画出匕,-X曲线，指出大致线性范围,

求出线性区测量灵敏度：5,“=A匕//以，并与铁测片相应的测量数据

进行对比。

3.电涡流传感器的应用——电机转数的测量

将直流电机的“+、极引线和涡流探头“+、-”极引线分别接入稳

压电源的两路输出端，将探头端电压调到10V,涡流探头的信号线（黑色）

接频率计红线，频率计黑线接电源负极。调整直流电机的电压为5V、

6V、7V>8V>9V、10V改变电机转速，用频率计和光电转速表

分别测量涡流探头的输出信号频率/及电机转数〃，将频率计的测量数据

转换为转数值：=60/,记录入数据表2-3,计算转数测量的相对误差:

8=--------Lx100%

n

4.（设计内容）用示波器也可测量频率、转速。请同学自己设计表格测

出电机电压为6V、8V、10V、12V时的电机转速，写出测量方法和步骤。

【数据记录与数据处理】

表2T电涡流传感器的静态标定——铁片

距离距离距离

乙/YFJV%/丫

X1mmvX/mmX/mm

0.52.54.5

1.03.05.0

1.53.55.5

2.04.06.0

线性区范围：AX=mm,线性区测量灵敏度：SFe=\VAI/AX=

V/mm

表2-2电涡流传感器的静态标定——铝片

距离距离距离

九八/匕八

X/mmX/mmX/mm%/v

0.52.54.5

1.03.05.0

1.53.55.5

2.04.06.0

线性区范围：AX=mm,线性区测量灵敏度：SA,=AV4//AX=

V/mm

表2-3电机转数的测量

电机电压频率计读数转数光电转数表转数误差转数测量相

读数〃/MIN对误差

//s=60/△〃=n-nf

81%

5

6

7

8

9

10

【注意事项】

1、各插头导线易拉断，在实验中无论接线或拆线，都要拿插头顶端插、

拔，勿拉导线。

2、涡流传感器测试头尽量对准被测体中间，并使两者平面平行。

3、控制激振器幅度，防止过大振幅导致撞击测片而损坏仪器。

【思考题】

1.如何用涡流传感器、频率计监控发动机主轴的径向振动，轴端的摆

动及主轴各点振动状态，分别写出实施方法。

2.用频率计测电机转速也使用了涡流传感器，试分析测量原理。

实验三虚拟仪器的应用

【实验目的】

1.了解虚拟仪器的组成。

2.学习数字存储示波器、数字频谱分析仪、函数信号发生器和模拟示

波器的使用。

3.通过对周期性矩形信号进行频谱分析，验证傅利叶变换的结果

【实验原理】

1.虚拟仪器的组成

虚拟仪器是在微型计算机的基础上发展起来的一种现代测试技术，早

期的虚拟仪器制做成板卡形式，插入计算机的ISA总线插槽内，通过计算

机的地址总线、数据总线和控制总线与计算机进行通信和数据交换，在板

卡的后部引出测量端口进行信号的检测；目前使用的虚拟仪器基本是外置

式，通过计算机的并行口、USB口或IEEE火线口与计算机进行通信，连

接非常方便。虚拟仪器的工作面板和所有操作功能均由软件编程完成，界

血设计成类似通用的测试仪器，所有按钮功能通过鼠标操作完成，显示的

数据直观、逼真，并且可以将数据存储和回放。根据使用的目的不同，虚

拟仪器可以形成函数信号发生器、扫频信号发生器、数字存储示波器、数

字频谱分析仪、频率特性分析仪、数字频率计和数字多用表等常规测试仪

器。以BRIGHTECH公司的WH5100系列虚拟仪器为例，该仪器包含有双

通道40MHz存储示波器、FFT频谱分析、李沙育图形、数据采集四大功

能模块，相当于一台双通道数字存储示波器，但相对价格低廉，该仪器为

外置式，通过并行口与计算机相连，随机附带的驱动软件可在Windows98

操作系统下使用，界面友好，操作简便。

2.频谱分析

根据傅利叶级数分析，任意一种信号均可以表示为一系列不同频率的

正弦分量之和，对于周期性信号，其傅利叶级数的展开式为：

/⑴=4+2Xcos"Qr+j£b“sin=年+gcos(nQ?-<pn)(5-1)

,n=ln=lZra=l

式(5・1)中：」——直流分量

2

2T/2

an=—j/(0cosnCltdt(n=0,1,2,3............)

1-T/2

2r/2

(几

hn=—j/(Z)sinnCltdt=1,2,3、4............)

T-T/2

明、久称之为傅利叶系数，各次谐波的振幅和相角为:

+b；(n=l,2,3、4............)

bn、

(pn=arctg—Cn=l,2,3、4............)

an

(1),以图5・l(a)所示的对称方波为例，经傅利叶级数分解后的表达式

为：

4111

/(0=—(sinQr+—sin3Qr+—sin5Q,t+.......+—sinnQ.t+…)(5-2)

乃35n

式(5-2)中不但存在基波sin。，、而且存在3次谐波sin3cg5次谐

波sin5Qr……等奇次谐波，各奇次谐波的振幅与基波相比，分别为基波

111

的

、

3-5-、7-频谱图见图5J(b).

n

(2).以图5-2(a)所示的脉宽为r、单位幅度的周期性脉冲波为例，经傅

利叶级数分解后的表达式为：

.nQ.r

c«sm----

/(，)=*+擀:fcos“Q(5-3)

11n=J2T

-T-

，频谱的包络呈正弦变化，见

图5-2(b)o

.nn

T1sin—

a)当T=4r,即7=—时，A=-―

4"2”

T

(5-4)

在〃=4,8,12>16.....,即刃=〃。=4。、8C、12C、16C、......

时,Atl=0,

在〃=0,6,10、14......,即0=就1=0、6。、10C、14。、......

时，=1/2、1/3万、1/5乃、1/7万、.....,达到峰值。

T.sin—

b)当T=8?■，即r=—时，A“=」——H(5-5)

84«£

在〃=8,16,24、32.....,即<y=〃Q=8Q、16Q、24Q、32。、......

时，An=0,

在〃=0,12,20、28...,即切=〃。=0、12C、20C、28C、....时,

A“=l/4、

1/6万、1/10。、1/14万、.....,达到峰值。

由此可以看出，保持信号周期不变，随着脉冲宽度7的减小，频谱包络

内的谱线密度增加，谱线的幅度减小，见图5-3。

图5-1(a)对称方波波形图图5-l(b)对称方波频谱图

图5-2(a)周期性脉冲波波形图图5-2(b)周期性脉冲波频谱图

图5-3周期性脉冲波脉冲宽度T与频谱的关系

当脉冲波的脉冲宽度7不变，而周期变长时，频谱包络线的零值所在

位置不变，相邻谱线的间隔（Q=—）减小，即频谱变密，当Tfoo时,

T

相邻谱线的间隔趋近于零，从而周期信号的离散频谱过度到非周期信号的

连续频谱，见图54。

图5-4脉冲波周期与频谱的关系

【实验仪器和装置】

虚拟仪器、计算机、函数信号发生器、双通道模拟示波器

【实验内容】

1.数字存储示波器的使用

开启虚拟仪器、函数信号发生器和模拟示波器电源，信号发生器调整

为方波输出，调整输出频率为lOOKHz,将模拟示波器的CH1通道接入信

号发生器的输出端口进行监测，模拟示波器的CH1设置为DC输入，调整

扫描速率“TIME/DIV”和幅度控制旋钮“V/DIV”直到看到完整波形。将

虚拟仪器的“Al”输入口接入信号发生器的输出端口，启动计算机进入

Windows98,双击桌面上的WH5100B图标进入虚拟仪器的操作面板，点

击“运行/停止”开始测量，此时虚拟仪器操作面板上的示波器屏幕应有同

模拟示波器同样的波形显示，点击Analog面板的“Al”切换为直流（DC）

输入模式，调整“Volts/Div”窗口附近的或下拉箭头改变信号幅度，

及水平调整面板“Horizontal”的扫描速率“Time/Div”窗口附近的

或下拉箭头改变水平扫描速率，至示波器屏幕显示的波形合适，改变信号

发生器的输出波形、频率和幅度，观察存储示波器与模拟示波器的显示结

果。

2.频谱分析仪的使用

（1）.在虚拟仪器面板上点击“运行/停止”键开始测量，将信号发生器调

整为方波输出，调整输出频率为lOOKHz,调整输出幅度为IV（用示波器

的“Volts/Div”测量），使信号发生器输出如图5-1（a）的波形，点击“FFT”

按键进入频谱分析状态，调整扫描速率“Time/Div”窗口数值直至“FFT”

窗口显示的频谱合适，此时频谱窗口显示的谱线应与图5-1（b）相似，微

调“FREQ”旋钮稍微改变频率使频谱波形稳定，记录下此时信号发生器

的频率值f,然后点击“运行/停止”键停止测量，用鼠标拖动“FFT”窗

U的“Cursor”虚线至每一条谱线上测量谱线的幅度和频率值（保留一位

小数），记录入表5-1,根据式（5-2）计算谱线幅度及谱线幅度的测量值与

理论值之间的相对误差：

与谱线幅度理论值-谱线幅度测量值

---------谱线幅度理论值--------X10（）%。

⑵.将信号发生器的偏置“OFFSET”旋钮拉出并旋转至示波器显示的

波形处于水平线之上，调整输出幅度为IV（用示波器的“Volts/Div”测量），

拉出并旋转“DUTY”旋钮改变波形占空比至1：4（即T=4r）,使信号

发生器输出如图5-2（a）的波形，点击“FFT”按键进入频谱分析状态，

调整扫描速率“Time/Div”窗口数值直至“FFT”窗口显示的频谱合适，

此时频谱窗口显示的谱线应与图5-2（b）相似，微调“DUTY”旋钮稍微

改变占空比使频谱波形稳定（即各谱线幅度无大的起伏，并且谱线形状不

变,此时波形占空比刚好为整数1:4）,记录下此时信号发生器的频率值f；

然后点击“运行/停止”键停止测量，用鼠标拖动“FFT”窗口的“Cursor”

虚线至每一条谱线上测量谱线的幅度和频率（保留一位小数），记录入表

5-2,根据式（5-4）计算各谱线幅度的理论值（注意：由于所有谱线幅度

的测量值均是以第一条谱线幅度的相对值来表示，因此所有谱线幅度的理

论值应换算成第•条谱线幅度的相对值）,并计算谱线幅度的测量值与理论

值之间的相对误差：

与谱线幅度理论值-谱线幅度测量值

小-------谱线幅度理论值--------X10（）%。

⑶.旋转“DUTY”旋钮改变波形占空比至1：8（即T=8r）,重新微

调“DUTY”旋钮稍微改变占空比使频谱波形稳定（即各谱线幅度无大的

起伏，并且谱线形状不变，此时波形占空比刚好为整数1：8）,记录下此

时信号发生器的频率值然后点击“运行/停止”键停止测量，用鼠标拖

动“FFT”窗口的“Cursor”虚线至每一条谱线上测量谱线的幅度和频率，

记录入表5-3,根据式（5-5）计算各谱线幅度的理论值，并计算谱线幅度

的测量值与理论值之间的相对误差外O

⑷.使用完毕后关闭虚拟仪器，然后在Windows98桌面上从“开始”处

正常退出关机。

【数据记录与数据处理】

1.对称方波的频谱测量：

方波频率/=KHz,信号输出幅度为：V

表5-1对称方波的频谱测量数据

谱线频率理谱线频率测量谱线幅度相对谱线幅度相对谱线幅度测量相

论值/KH/值/K"z理论值/%测量值/%对误差演/%

f=

3/=

5/=

If=

9/=

H/=

13/=

15/=

2.占空比为1：4的脉冲波频谱测量:

脉冲波频率f=KHz,脉冲宽度r=us,信号幅度:V

表5-2占空比为1：4的脉冲波频谱测量数据

谱线频率理论谱线频率测谱线幅度相对谱线幅度相对谱线幅度测量

值/KHz量值/K”z理论值/%测量值/%相对误差2/%

f=

2f=

3f=

5/=

6f=

7/=

9/=

io/=

H/=

3.占空比为1：8的脉冲波频谱测量:

脉冲波频率f=KHz,脉冲宽度7=us,信号幅度：V

表5-3占空比为1：8的脉冲波频谱测量数据

谱线频率理谱线频率测量谱线幅度相对谱线幅度相对谱线幅度测量相

论值/KHz值/KHz理论值/%测量值/%对误差怎/%

f=

2f=

3/=

4/=

5/=

6/=

7/=

9/=

10/=

H/=

12/=

137=

14/=

15/=

【思考题】

L幅度相同的正负不对称与正负对称方波的频谱除直流分量外，交流

分量是否相等？为什么？

2.能否用频谱分析仪测量和反映信号的失真程度？为什么？

实验四移相器与相敏检波器实验

【实验目的】

1.理解移相器和相敏检波器的工作原理。

2.学习传感器实验仪和交流毫伏表的使用。

3.学习用双踪示波器测量相移的方法。

【实验原理】

1.移相器的工作原理

移相器是由电阻、电抗元件、非线性元件和有源器件等构成的一种电

路，当正弦信号经过移相器时其相位会发生改变。理想的移相器在调整电

路参数时，可使通过信号的相位在0°~360。之间连续变化，而不改变信

号的幅度，即信号可不失真地通过，只是相位发生了变化，图6-1为移相

器的工作原理，其中相角*为经过移相器所获得的。

ui=Usincotu°=Usin(cot+<p}

----------------»移相器-----------------►

图6-1移相器工作原理

2.相敏检波器的工作原理

相敏检波器是一种根据信号的相位来提取有用信号的处理电路，在外

部同频控制信号作用下，用控制信号来截取输入信号，相敏检波器输出的

直流分量为反映输入信号与控制信号相位差的直流电压，经低通滤波器

LPF滤除高频分量后得

到直流输出信号E；相敏检波器的组成框图见图6-2。

控制信号〃

图6-2相敏检波器的组成框图

10<t<-

设控制信号表达式为：»'=]2

0-<t<T

I2

设输入信号为：“=Usin（加+0），输入信号与控制信号在时域中的关系见

图6-3。

用控制信号截取输入信号后得到：“°=”•“'，对“°积分并在一个周期内

取平均得：

]7/2U7/2U,

E=—\Usin(cot+(p)dt=-----fsin(cot+(p)d{cot+(p)=-------[cos(cot+(p}\['2

T°coTo①T

=------[COS(JT+0)—coscp]------[cos冗cose一sin4sin(p-cos(p\=—cos(p

2乃2乃re

(6-1)

由式(6-1)可以看出，相敏检波器经低通滤波器输出一个反映输入

信号相位差的直流电压，当°=0时、即输入信号与控制信号同相时

E=D,当°=90。，即输入信号与控制信号正交时，E=0。

利用相敏检波器可以消除信号中干扰噪声的影响。设输入信号中包含

有噪声信号〃”和有用信号人,即：M=〃,+〃“，则：

u0=u-uc=ucus+ucun,对“o积分并在一个周期内取平均得:

JTJT

=不

E\ucUssin(cot+<ps)dt+—jucU„sin(at+<pn)dt

='[U,cos(s,-然)+U,,cosQ,-")]

71

通过移相器调节控制信号〃，的相位，使噪声信号与控制信号相差90°

相角，此时：夕“一夕.=90°,贝限E=LCOS(R—巩,)，即相敏检波

兀

器的输出仅含有有用信号％分量，噪声信号被剔除。因此，相敏检波器广

泛用于通信领域和无损检测领域等用于有用信号的甄别。

【实验仪器和装置】

传感器实验仪、双踪示波器、交流毫伏表。

【实验内容】

接通传感器实验仪、双踪示波器和交流毫伏表电源，预热10分钟。

1.移相器相移量的测量：

在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器模块，将音频振荡器的输

出端0°接到移相器的输入端，地线用导线连接。双踪示波器的CH1、CH2

选定AC输入，探头衰减比1：1,触发源模式MODE拨到“DAUL”，显

示方式AEI7CHOP置“ALT”。CH1接音频振荡器输出端，CH2接移相器

输出端。交流毫伏表的L.CH接音频振荡器输出端,R.CH接移相器输出端。

调整音频振荡器的频率旋钮，用示波器观察振荡波形的周期为200us,此

时输出频率为5KHz；调整音频振荡器的输出幅度旋钮至输出幅度为5V(用

交流毫伏表测量，注意：红表笔接测量端，黑表笔接地，根据信号幅度合

理选择量程)。保持音频振荡器输出信号幅度5V有效值不变，调整移相器

移相旋钮，在示波器屏幕上观察CHI、CH2通道信号之间的相位变化。调

整扫描速率“TIME/DIV”和水平位移旋钮"POSITION”，使得CH1音频

振荡器波型的过零点处于示波器屏幕某一条垂直分度线上，则CH2移相器

输出信号波型的过零点相对于CH1在时间轴上的分度差AD/V即代表两

通道信号之间的相位差，通过分度差可计算出时间偏差：

AT=±AD/Vx(TIME/DIV),注意观察CH2波形相对于CH1波形是超

前还是滞后，如果CH2超前CH1,则AT为正值，如果CH2滞后CH1,

则AT为负值，根据A7可计算出相移量：夕=第'360°。

2.移相器输出幅度与相移量关系的测量：

保持音频振荡器输出信号幅度Vo=5V有效值不变，输出频率为

f=5KHz,调整示波器扫描速率“T1ME/DIV”为10us,调整移相器移相旋

钮使得AT分别为24us、16us^8us、0us、-8us、-16us^-24us、

-32us、-40us、-48us、-56us、-64us时测量移相器输出信号的幅度

Vd,记录入表6-1,计算出相移量e=^x360°,在直角坐标纸上画出

Vd--(p曲线，确定理想相移范围。

3.相敏检波器实验:

a）在传感器实验仪上找到音频振荡器、移相器、相敏检波器模块和直

流电压表，按图6-4接线。将音频振荡器的输出端0°接到移相器的输入

端，地线用导线连接，移相器输出接相敏检波器的输入端，音频振荡器的

输出端0°接相敏检波器的控制端，相敏检波器的输出端接直流电压表正输

入端（用直流电压表代替低通滤波器LPF）,直流电压表选择20V档。双踪

示波器的CHLCH2选定AC输入，探头衰减比为1：1,触发源模式MODE

拨到“DAUL”，显示方式ALT/CHOP置“ALT”。CH1接音频振荡器输

出端，CH2接移相器输出端。保持音频振荡器输出信号幅度5V有效值不

变，输出频率为5KHz,调整示波器扫描速率“TIME/DIV”

为10us,调整移相器移相旋钮使得AT分别为24us、20us、16us、12us、

8us、4us、Ous、-4us、-8us、-12us、T6us、-20us、-24us、

-28us、-32us、-36us、-40us、-44us、-48us>-52us、-56us、

-60us、-64us时记录直流电压表的测量数据E,记录入表6-2,计算出

相移量e=蒙'360°,在直角坐标纸上画出E--夕曲线。

图6-4相敏检波器实验装置连接图

b）根据式（6-1）计算相敏检波器输出直流分量：

ITTO

E=-----cos°=----------cos^?（k=2,k为放大系数）,记入表6-2并在直

7171

角坐标纸上画出E--(p曲线。

【数据记录与数据处理】

示波器扫描速率TIME/D1V-___us,振荡频率f=KHz,

振荡器幅度M=V

表6-1移相器输出幅度与相移量关系的测量

AT/usT/us^=—x36O°/°移相器输出幅度%/V

T

24

16

8

0

-8

-16

-24

-32

-40

-48

-56

-64

表6-2相敏检波器实验数据

ATInsT/us夕=苧*360。/°电压表读数E/V检波器输出值E'/U

24

20

16

12

8

4

0

-4

-8

-12

-16

-20

-24

-28

-32

-36

-40

-44

-48

-52

56

-60

-64

其中：E是直流电压表测量数据，单位：V,e是相敏检波器输出的直流分

量计算值，单位：V。

【思考题】

1.如果已知移相器是非理想的，但知道%--*的函数关系，能否将

其用于相敏检波？为什么？

2.试举出已知常见的移相器例子（非理想也可），画出相应电路图。

实验五红外测温传感器及红外辐射计的应用

【实验目的】

1.了解红外线的辐射与吸收，通过改变红外辐射的强度来验证维恩位

移定律和斯蒂芬——玻耳兹曼定律。

2.学习红外辐射计的使用。

【实验原理】

1.黑体辐射

如果一个物体吸收任何波长全部辐射的能力等于它向外辐射的能力，

这个物体就称之为黑体。黑体能够吸收它辐射的全部能量，相同温度下的

各种物体以黑体向外辐射的能量最大。自然界的所有物体对于投射到自身

的辐射能量，都有不同程度的吸收、反射和透射能力。设外界透射到物体

表面的总能量为E,其中一部分能量居被物体吸收，另一部分能量三被

物体反射，其余能量当穿透物体。根据能量守恒定律有：

£,EE.

—L+-^2-+-3-a+p+T-\

EEE

EE

其中：a——物体对辐射的吸收率；p=———物体对辐射的反

EE

射率；

r=生——物体对辐射的透射率；

E

对于黑体来说，在任何温度下对于任何波长的辐射能量的吸收率等于

1,即：a=l,2=0,7=0。黑体的辐射率j=£=1,如果物体的

辐射率J=£<1,则该物体称之为灰体。

黑体的普朗克定律：定义为单位表面积的黑体，以特定波长义在单位

波长间隔d/l内，向周围空间辐射的辐射度。表示为:

g（“）=（*）（.滔/二］）w/^；

（7-1）

式（7T）中：A---波长，fjm；

T——热力学温度，K；

C,=2兀hea=3.7418xIO』——第一辐射常数，

W-m2；

2

C2=//c/Jl=1.43879xlO-——第二辐射常数，mK；

其中：c=2.9979x1（）8——真空中的光速，