檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)2013年10月給學(xué)生

1、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)物理與電信工程學(xué)院電子測(cè)量與自動(dòng)控制教研室2013年10月實(shí) 驗(yàn) 目 錄實(shí)驗(yàn)一 金屬箔式應(yīng)變片單臂等臂電橋性能實(shí)驗(yàn)-2實(shí)驗(yàn)二 金屬箔式應(yīng)變片半差動(dòng)等臂電橋性能實(shí)驗(yàn)-6實(shí)驗(yàn)三 金屬箔式應(yīng)變片全差動(dòng)等臂電橋性能實(shí)驗(yàn)-7實(shí)驗(yàn)四 金屬箔式應(yīng)變片電子秤實(shí)驗(yàn)-8實(shí)驗(yàn)五 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)-10實(shí)驗(yàn)六 直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)-12實(shí)驗(yàn)七 Pt100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)-13實(shí)驗(yàn)八 熱敏電阻特性研究-15實(shí)驗(yàn)九 集成溫度傳感器實(shí)驗(yàn)-17實(shí)驗(yàn)十 光電二極管和光敏電阻特性研究- 19附錄1 實(shí)驗(yàn)箱溫度控制簡(jiǎn)要原理-22附錄2 溫度控制器使用說明-22附錄3 THQC-1型典型傳

2、感元件實(shí)驗(yàn)箱使用說明-25實(shí)驗(yàn)一 金屬箔式應(yīng)變片單臂等臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆战饘俨綉?yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)，單臂電橋工作原理和性能。二、 基本原理：金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻表達(dá)式為： （1） 當(dāng)金屬電阻絲受到軸向拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)，橫截面積相應(yīng)減小，電阻率因晶格變化等因素的影響而改變，故引起電阻值變化。對(duì)式（1）全微分，并用相對(duì)變化量來表示，則有： （2） 式中的為電阻絲的軸向應(yīng)變，用表示，常用單位（1=1×）。若徑向應(yīng)變?yōu)?，電阻絲的縱向伸長(zhǎng)和橫向收縮的關(guān)系用泊松比表示為，因?yàn)?2（），則（2）式可以寫成： （

3、3） 式（3）為“應(yīng)變效應(yīng)”的表達(dá)式。稱金屬電阻的靈敏系數(shù)，從式（3）可見，受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是（1+），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個(gè)是，是材料的電阻率隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)于金屬材料而言，以前者為主，則，對(duì)半導(dǎo)體，值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成比例。通常金屬絲的靈敏系數(shù)=2左右。用應(yīng)變片測(cè)量受力時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象表面上。在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形時(shí)，應(yīng)變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓或電流的變化，根據(jù)（3）式，可以得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，而根據(jù)應(yīng)力

4、應(yīng)變關(guān)系 （4）式中 測(cè)試的應(yīng)力； E材料彈性模量?？梢詼y(cè)得應(yīng)力值。通過彈性敏感元件，將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可以用應(yīng)變片測(cè)量上述各量，從而做成各種應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變片可分為金屬絲式應(yīng)變片，金屬箔式應(yīng)變片，金屬薄膜應(yīng)變片。三、需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、砝碼（每個(gè)砝碼重量20克）、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、應(yīng)變片的安裝位置如圖（11）所示，應(yīng)變式傳感器已裝到應(yīng)變傳感器模塊上。傳感器中各應(yīng)變片已接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4?？捎萌f用表進(jìn)行測(cè)量，R1=R2=R3=R4=350。 圖1

5、1 應(yīng)變式傳感器安裝示意圖2、接入模板電源±15V（從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，順時(shí)針調(diào)節(jié)Rw2（放大器增益調(diào)節(jié)）使之大致位于中間位置，再進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為：將差放的兩個(gè)輸入端與地短接，輸出端VO與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳现绷髌谜{(diào)零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。（注意：當(dāng)Rw2的位置一旦確定，就不能改變。）拆下差放的兩個(gè)輸入端與地短接線。3、按圖1-2將應(yīng)變式傳感器的其中一個(gè)應(yīng)變片R1（即模板左上方的R1）接入電橋作為一個(gè)橋臂與R5、R6、R7接成直流電橋，（R5、R6、R7模

6、塊內(nèi)已接好），接好電橋調(diào)零電位器Rw1，接上橋路電源±5V，此時(shí)應(yīng)將±5V地與±15V地連接（因?yàn)閮山M電源獨(dú)立不共地），±15V地與放大器的地線相連，如圖1-2所示。檢查接線無誤后，合上主控箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Rw1，（電橋初始調(diào)零），使數(shù)顯表顯示為零。4、在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個(gè)砝碼并讀取相應(yīng)的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。記下實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1，關(guān)電源。圖1-2 應(yīng)變式傳感器單臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖表11單臂電橋輸出電壓與所加負(fù)載重量值記錄表重量(g)電壓(mv)五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)表11數(shù)據(jù)，畫出傳感器的特性曲線，作出擬

7、合直線。根據(jù)擬合直線， 計(jì)算靈敏度（輸出電壓的變化量，重量變化量）計(jì)算非線性誤差f1=m/yFS ×100 式中為輸出值與擬合直線的最大偏差：yFS 滿量程輸出（此處為200g）時(shí)的輸出電壓。后面實(shí)驗(yàn)的靈敏度、非線性誤差計(jì)算可參考以上方法。六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為±5V，絕不可錯(cuò)接成±15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出單臂電橋時(shí)傳感器的特性曲線，作出擬合直線。2、計(jì)算系統(tǒng)靈敏度、非線性誤差。2、從理論上分析產(chǎn)生非線性誤差的原因。實(shí)驗(yàn)二 金屬箔式應(yīng)變片半差動(dòng)等

8、臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、掌握半差動(dòng)等臂電橋的工作原理和特點(diǎn)。2、比較半差動(dòng)等臂電橋與單臂電橋的不同性能、了解其特點(diǎn)。二、基本原理：把不同受力方向的兩只應(yīng)變片接入電橋作為鄰邊，電橋輸出靈敏度提高，非線性得到改善。當(dāng)應(yīng)變片阻值和應(yīng)變量相同時(shí)，其橋路輸出電壓UO2Ek2。式中E為電橋供電電壓。三、 需用器件與單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０濉㈨来a、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源。四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、接入模板電源±15V（從主控箱引入），檢查無誤后，合上主控箱電源開關(guān)，進(jìn)行差動(dòng)放大器調(diào)零，方法為：將差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端

9、Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳现绷髌谜{(diào)零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零，（數(shù)顯表的切換開關(guān)打到2V檔）。關(guān)閉主控箱電源。2、根據(jù)圖2-1接線。R1、R2為實(shí)驗(yàn)?zāi)０遄笊戏降膽?yīng)變片，注意R2應(yīng)和R1受力狀態(tài)相反，即將傳感器中兩片受力相反（一片受拉、一片受壓）的電阻應(yīng)變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±5V，調(diào)節(jié)電橋調(diào)零電位器Rw1進(jìn)行橋路調(diào)零，重復(fù)實(shí)驗(yàn)一中的步驟4、5，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記入表2-1，計(jì)算靈敏度，非線性誤差。若實(shí)驗(yàn)時(shí)顯示數(shù)值不變化說明R1與R2兩應(yīng)變片受力狀態(tài)相同。則應(yīng)更換應(yīng)變片。圖2-1 應(yīng)變式傳感器半差動(dòng)等臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖表21半差動(dòng)等臂電橋測(cè)量時(shí)，輸出電壓與加負(fù)載重量值記錄表重

10、量（g）電壓（mV）五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為±5V，絕不可錯(cuò)接成±15V，否則可能燒毀應(yīng)變片。六、思考題：半差動(dòng)等臂電橋測(cè)量時(shí)兩片不同受力狀態(tài)的電阻應(yīng)變片應(yīng)怎樣接入電橋？七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制出半差動(dòng)等臂電橋傳感器的輸出特性曲線。2、分析為什么半差動(dòng)等臂電橋的輸出靈敏度比單臂等臂電橋時(shí)高了一倍，而且非線性誤差也得到改善。實(shí)驗(yàn)三 金屬箔式應(yīng)變片全差動(dòng)等臂電橋性能實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆杖顒?dòng)等臂電橋測(cè)量電路的原理及優(yōu)點(diǎn)。二、基本原理：全差動(dòng)等臂電橋測(cè)量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩個(gè)應(yīng)變片接入

11、電橋?qū)叄?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時(shí)，其橋路輸出電壓U03KE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到明顯改善。三、需用器件和單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、 根據(jù)3-1接線，實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)二相同。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表3-1；進(jìn)行靈敏度和非線性誤差計(jì)算。表31全差動(dòng)等臂電橋輸出電壓與加負(fù)載重量值記錄表重量（g）電壓（mV）圖3-1 應(yīng)變式傳感器全差動(dòng)等臂電橋?qū)嶒?yàn)接線圖五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為&#

12、177;5V，絕不可錯(cuò)接成±15V。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求： 1、根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)繪制出全差動(dòng)等臂電橋時(shí)傳感器的輸出特性曲線。 實(shí)驗(yàn)四 金屬箔式應(yīng)變片電子秤實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諔?yīng)變電阻組成直流全差動(dòng)等臂電橋的應(yīng)用及電路的標(biāo)定。二、基本原理：電子秤實(shí)驗(yàn)原理為實(shí)驗(yàn)三，電橋連接見圖31，利用全差動(dòng)等臂電橋測(cè)量原理，通過對(duì)電路調(diào)節(jié)使電路輸出的電壓值為重量對(duì)應(yīng)值，電壓量綱（mV）改為重量量綱克（g）即成為一臺(tái)原始的電子秤。三、需用器件和單元：應(yīng)變式傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、按實(shí)驗(yàn)一中2的步驟，將差動(dòng)放大器調(diào)零，（方法為：將

13、差放的正、負(fù)輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳现绷髌谜{(diào)零電位器Rw3，使數(shù)顯表輸出顯示為零）按圖3-1接線，合上主控箱電源開關(guān)，調(diào)節(jié)電橋平衡電位器Rw1，使數(shù)顯表顯示0.000V（2V檔）。2、將10只砝碼全部置于傳感器的托盤上，調(diào)節(jié)電位器Rw2（增益調(diào)節(jié)即滿量程調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.200V或0.200V。3、拿去托盤上的所有砝碼，調(diào)節(jié)電位器Rw1（零位調(diào)節(jié)）使數(shù)顯表顯示為0.000V。4、重復(fù)2、3步驟的標(biāo)定過程，一直到精確為止，把電壓量綱mV改為重量量綱g，就可以稱重，成為一臺(tái)原始的電子秤。5、把砝碼依次放在托盤上，輸出電壓填入下表4-1。表

14、41電橋輸出電壓與加負(fù)載重量值記錄表重量（g）電壓(mv)6、 測(cè)量和記錄一支筆的重量。五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2、電橋的電壓為±5V，絕不可錯(cuò)接成±15V。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制傳感器的特性曲線和擬合直線。2、計(jì)算電子秤靈敏度、非線性誤差。3、某工程技術(shù)人員在進(jìn)行材料拉力測(cè)試時(shí)在棒材上貼了四只電阻應(yīng)變片（如下圖），利用這四只電阻應(yīng)變片連接組成全差動(dòng)直流電橋。圖4-1 應(yīng)變式傳感器受拉時(shí)傳感器周面展開圖4、分析若要增加電子秤輸出靈敏度，應(yīng)采取什么措施。實(shí)驗(yàn)五 電容式傳感器的位移特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆?/p>

15、電容式傳感器結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)。二、 基本原理：利用平板電容CSd和其它結(jié)構(gòu)的關(guān)系式通過相應(yīng)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量電路可以選擇、S、d中三個(gè)參數(shù)中，保持兩個(gè)參數(shù)不變，而只改變其中一個(gè)參數(shù)，則可以有測(cè)谷物干燥度（變）測(cè)微小位移（變d）和測(cè)量液位（變S）等多種電容傳感器。變面積型電容傳感器中，平板結(jié)構(gòu)對(duì)極距特別敏感，測(cè)量精度受到影響，而圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關(guān)系，（但實(shí)際由于邊緣效應(yīng)的影響，會(huì)引起極板間的電場(chǎng)分布不均，導(dǎo)致非線性問題仍然存在，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。）成為實(shí)際中最常用的結(jié)構(gòu)，其中線位移單組式的電容量C在忽略邊緣效應(yīng)時(shí)為： （1）式中 外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋

16、部分的長(zhǎng)度； 外圓筒內(nèi)半徑和內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)時(shí)，電容變化量為 （2）于是，可得其靜態(tài)靈敏度為： （3）可見靈敏度與有關(guān)，越接近，靈敏度越高，雖然內(nèi)外極筒原始覆蓋長(zhǎng)度與靈敏度無關(guān)，但不可太小，否則邊緣效應(yīng)將影響到傳感器的線性。本實(shí)驗(yàn)為變面積式電容傳感器，采用差動(dòng)式圓柱形結(jié)構(gòu)，可以減小非線性誤差和增加傳感器的靈敏度。 電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)電路如圖51所示，555時(shí)基集成電路組成方波信號(hào)產(chǎn)生電路，CX1、CX2是電容傳感器的兩個(gè)差動(dòng)電容，四臂二極管橋路實(shí)現(xiàn)把兩個(gè)差動(dòng)電容器電容量的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，經(jīng)過RW調(diào)節(jié)和放大后輸出。三、 需用器件與單元：電容傳感器、電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、測(cè)微頭、數(shù)

17、顯單元、直流穩(wěn)壓源。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、將電容式傳感器裝于電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳?，將傳感器引線插頭用標(biāo)記電容的專用電纜插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓牟遄校?#177;15V地與放大器的地線相連，如圖51。2、將電容傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓妮敵龆薞o1與數(shù)顯單元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw調(diào)節(jié)到中間位置。3、接入±15V電源，旋動(dòng)測(cè)微頭改變電容傳感器動(dòng)極板的位置，初始位置為內(nèi)園筒在中間位置，這時(shí)輸出電壓最小,VO0時(shí)線性較好。每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表5-1。測(cè)微頭刻度變化1代表位移10m。表51 電容傳感器位移與輸出電壓值記錄表（數(shù)字電壓表選20V量程）X(mm) U(v)五、實(shí)驗(yàn)注意

18、事項(xiàng)：1、 傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2、做實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要接觸傳感器，否則將會(huì)使線性變差。圖5-1電容傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出電容傳感器的位移特性曲線，并利用最小二乘法算出擬合直線方程，畫出擬合直線。2、計(jì)算電容傳感器的靈敏度、非線性誤差。3、電容式傳感器可分成哪三種類型，實(shí)驗(yàn)中使用的電容傳感器是哪一類？實(shí)驗(yàn)六 直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移特性實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆栈魻柺絺鞲衅髟砼c應(yīng)用。二、基本原理：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的元件成為霍爾元

19、件，根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾電勢(shì)UHKHIB，當(dāng)保持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個(gè)均勻梯度的磁場(chǎng)中沿水平方向移動(dòng)，則輸出的霍爾電動(dòng)勢(shì)為，式中k位移傳感器的靈敏度。這樣它就可以用來測(cè)量位移?；魻栯妱?dòng)勢(shì)的極性表示磁場(chǎng)的方向。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度就越好。三、需用器件與單元：霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、霍爾傳感器?#177;15V直流電源、測(cè)微頭、數(shù)顯單元。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將霍爾傳感器安裝在霍爾傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)K上，將傳感器引線插頭用標(biāo)記霍爾的專用電纜插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓牟遄校?#177;15V地與放大器的地線相連，實(shí)驗(yàn)板的連接線按圖6-1進(jìn)行。2、開啟電源，將RW1大約旋到

20、中間位置，調(diào)節(jié)測(cè)微頭使霍爾片大致在磁鐵中間位置，這時(shí)磁場(chǎng)最弱，產(chǎn)生霍爾電勢(shì)最小，使數(shù)字電壓表指示為零。圖6-1 直流激勵(lì)時(shí)霍爾傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線圖3、測(cè)微頭往軸向方向推進(jìn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)0.2mm記下一個(gè)讀數(shù)，將讀數(shù)填入表6-1。測(cè)微頭刻度變化1代表位移10m。表61霍爾傳感器位移與輸出電壓值記錄表X（mm）U(mv)五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、對(duì)傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2、不要將霍爾傳感器的激勵(lì)電壓錯(cuò)接成±15V，否則將可能燒毀霍爾元件。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線和擬合直線。2、計(jì)算霍爾傳感器的靈敏度、非線性誤差。3、本實(shí)驗(yàn)中霍爾元件位移的

21、線性度實(shí)際上反映的是什么量的變化？實(shí)驗(yàn)七 Pt100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諢犭娮璧奶匦耘c應(yīng)用。二、 基本原理：利用導(dǎo)體電阻隨溫度變化這一特性，熱電阻用于測(cè)量時(shí)，要求其材料電阻溫度系數(shù)大，而穩(wěn)定，電阻率高，電阻與溫度之間最好有線性關(guān)系。常用鉑電阻和銅電阻，鉑電阻在0630.74以內(nèi)，電阻Rt與溫度t的關(guān)系為： Rt=Ro(1+At+Bt2)Ro系溫度為0時(shí)的電阻。本實(shí)驗(yàn)Ro100。A3.9684×102，B5.847×1072，鉑電阻內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種，兩線制中引線電阻對(duì)測(cè)量的影響大，用于測(cè)溫精度不高的場(chǎng)合，三線制可以減小熱電阻與測(cè)量?jī)x表之

22、間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響，用于高精度溫度檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)是三線制連接，其中一端接二根引線主要為消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響。 三、 需用器件與單元：Pt100鉑熱電阻（溫度模塊上）、1A恒流源、溫度控制單元（溫控器）、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、?shù)顯單元、萬用表。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、測(cè)量Pt100鉑熱電阻的阻值（約108歐姆），將溫度模塊中的實(shí)驗(yàn)Pt100鉑熱電阻接入a、b間，把b、c連接起來，這樣，R1、R3、R4、Rw1、Pt100就組成了一種直流單臂電橋（圖71所示），再把Rw2逆時(shí)針旋到底（增益最?。?。 圖7-1 Pt100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

23、接線圖2、把溫度模塊的±15V和主控箱的±15V輸出連接起來，±15V地與放大器的地線相連，差動(dòng)放大器的Vo與主控箱的電壓表相連，再將差動(dòng)放大器的輸入端與地短接，調(diào)節(jié)Rw3使差動(dòng)放大器的輸出為零。3、“溫控Pt100”與“溫度檢測(cè)與控制Pt100“三根線對(duì)應(yīng)連接，將溫度模塊上的“恒流輸入”和主控箱上的“恒流加熱電源輸出”連接好。4、按圖7-1連接好線，在端點(diǎn)a與地之間加+5V的直流電源，按圖7-1將電橋的輸出與差動(dòng)放大器相連，溫度控制器的SV窗口設(shè)定為（設(shè)置方法見附錄2），溫度達(dá)到時(shí)，調(diào)節(jié)Rw1使電橋平衡，即使差放的輸出為零。5、在的基礎(chǔ)上，以后每隔設(shè)定一次，即t

24、=，達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)讀取數(shù)字顯示電壓表顯示值，將結(jié)果填入表7-1。表71 Pt100鉑熱電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表T（）U(V)五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，畫出傳感器的特性曲線，并畫出擬合直線，2、計(jì)算Pt100鉑熱電阻傳感器的靈敏度、非線性誤差。3、Pt100鉑熱電阻傳感器有哪些特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)八 熱敏電阻特性研究一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諢崦綦娮璧奶匦耘c應(yīng)用方法。二、基本原理：熱敏電阻是一種對(duì)熱敏感的電阻元件，一般用半導(dǎo)體材料做成，可以分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC（Negative Temperature coefficie

25、nt Thermistor）和正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient Thermistor），臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR（Critical Temperature Resistor）三種，本實(shí)驗(yàn)主要研究前兩種，半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理一般用量子躍遷觀點(diǎn)進(jìn)行分析。由于熱運(yùn)動(dòng)（譬如溫度升高），越來越多的載流子克服禁帶（或電離能）引起導(dǎo)電，這種熱躍遷使半導(dǎo)體載流子濃度和遷移發(fā)生變化，根據(jù)電阻率公式可知元件電阻值發(fā)生變化。NTC通常是一種氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，特別適合于之間的溫度測(cè)量，它的電阻值隨著溫度的升高而減小，其經(jīng)驗(yàn)公式為：，式中，R0是在25時(shí)

26、或其他參考溫度時(shí)的電阻，T0是熱力學(xué)溫度（K），B稱為材料的常數(shù)，其值與材料有關(guān)，主要用于溫度測(cè)量。PTC是由在BaTiO3和SrTiO3為主的成分中加入少量Y2O3和Mn2O3構(gòu)成的燒結(jié)體。其特征曲線是隨溫度升高而阻值增大，開關(guān)型的PTC在居里點(diǎn)附近阻值發(fā)生突變，有斜率最大的區(qū)段，即電阻值突然迅速升高。PTC適用的溫度范圍為，主要用于過熱保護(hù)及作溫度開關(guān)。NTC和PTC的特征曲線為：圖81 NTC、PTC電阻溫度電阻值曲線圖二、 需用器件與單元：加熱源、溫度控制單元、溫度傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、萬用表。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、將溫度模塊上的“恒流輸入”和主控箱上的“恒流加熱電源輸出”連接好，“溫控P

27、t100”與主控箱上的“溫度檢測(cè)與控制Pt100”三根線對(duì)應(yīng)連接。2、將溫度控制器的SV窗口設(shè)置在，設(shè)置方法見附錄2。然后每隔設(shè)置一次。直到110度。3、用萬用表測(cè)量溫度模塊上的NTC和PTC的電阻值，記下每次設(shè)置溫度到達(dá)時(shí)的電阻值，將結(jié)果填入以下表格： 表81 NTC熱敏電阻溫度電阻值記錄表：t()Rt()R表82 PTC熱敏電阻溫度電阻值記錄表：t()RT()R五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)繪制出NTC、PTC的溫度電阻特性曲線圖。2、歸納總結(jié)NTC用作溫度測(cè)量時(shí)應(yīng)注意哪些問題？ 3、NTC、PTC熱敏電阻各

28、適用于何種場(chǎng)合？實(shí)驗(yàn)九 集成溫度傳感器實(shí)驗(yàn)一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆粘Ｓ玫募蓽囟葌鞲衅骰驹怼⑿阅芘c應(yīng)用方法。二、 基本原理：集成溫度傳器將溫敏晶體管與相應(yīng)的輔助電路集成在同一芯片上，它能直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想線性輸出，一般用于50150之間測(cè)量，溫敏晶體管是利用管子的集電極電流恒定時(shí)，晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度成線性關(guān)系。為克服溫敏晶體管Ub電壓生產(chǎn)時(shí)的離散性、均采用了特殊的差分電路。集成溫度傳感器有電壓型和電流型數(shù)字輸出型三種，電流輸出型集成溫度傳感器，在一定溫度下，它相當(dāng)于一個(gè)恒流源。因此它具有不易受接觸電阻、引線電阻、電壓噪聲的干擾。具有很好的線性特性。本實(shí)驗(yàn)采用的是國(guó)產(chǎn)的AD5

29、90電流型集成溫度傳感器。溫度變化1度，電流變化約1微安，它只需要一種電源（4V30V）。即可實(shí)現(xiàn)溫度到電流的線性變換，然后在終端使用一只取樣電阻（本實(shí)驗(yàn)中為R2）即可實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換。它使用方便且電流型比電壓型的測(cè)量精度更高。AD590電流型集成溫度傳感器輸出：t 是攝氏溫度。三、 需用器件與單元：溫度控制器、加熱源、溫度模塊、數(shù)顯單元、萬用表。四、 實(shí)驗(yàn)步驟：1、將主控箱上總電源關(guān)閉，把主控箱中的“恒流加熱電源輸出”與溫度模塊中的“恒流輸入”連接起來。2、將溫度模塊中的溫控Pt100與主控箱的Pt100輸入連接起來。3、將溫度模塊中左上角的AD590接到a、b上（正端接a，負(fù)端接b），

30、再將b、d連接起來。如圖91所示(參考圖71)。4、將主控箱的+5V電源接入圖9-1所示電路。5、將d和地與主控箱的電壓表輸入端相連，如圖9-1（即測(cè)量1K電阻兩端的電壓）。6、開啟主電源，將溫度控制器的SV窗口設(shè)定為（設(shè)置方法見附錄2），以后每隔設(shè)定一次，即t=，讀取數(shù)顯表值，將結(jié)果填入下表。表91 AD590電流型集成溫度傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表T（）U(mV) 圖91 AD590電流型集成溫度傳感器實(shí)驗(yàn)連接圖五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、加熱器溫度不能加熱到120以上，否則將可能損壞加熱器。2、不要將AD590的+、-端接反，因?yàn)榉聪螂妷嚎赡軗舸〢D590。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出擬合

31、直線，2、計(jì)算輸出電壓靈敏度、非線性誤差，3、說明AD590的測(cè)量溫度范圍和電流溫度系數(shù)。實(shí)驗(yàn)十 光電二極管和光敏電阻特性研究一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私夤怆姸O管和光敏電阻的特性與應(yīng)用。二、基本原理：（1）光電二極管：光電二極管是由PN結(jié)組成的結(jié)型光電器件，結(jié)構(gòu)與一般二極管類似。PN結(jié)安裝在管的頂部，便于接受光照。外殼上有以透鏡制成的窗口以使光線集中在敏感面上，為了獲得盡可能大的光生電流，PN結(jié)的面積比一般二極管要大。為了光電轉(zhuǎn)換效率高，PN結(jié)的深度比一般二極管淺。光電二極管可工作在兩種狀態(tài)：（1）大多數(shù)情況下工作在反向偏壓狀態(tài)。在這種情況下，當(dāng)無光照時(shí)，處于反偏的二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)

32、載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流，即暗電流。反向電流小的原因是在PN結(jié)中，P型中的電子和N型中的空穴（少數(shù)載流子）很少。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，在外加反偏電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成了光電流，反向電流隨光照強(qiáng)度增加而增加。應(yīng)用在作光電檢測(cè)及控制方面。（2）另一種工作狀態(tài)是在光電二極管上不加電壓，PN結(jié)受光照時(shí)產(chǎn)生正向電壓的原理，將其作為微型光電池用。這種工作方式一般應(yīng)用在作光電檢測(cè)及

33、控制方面。流過光電池的短路電流與光照度成線性關(guān)系。光電二極管常用的材料有硅、鍺、銻化銦、砷化銦等，使用最廣泛的是硅、鍺光電二極管。光電二極管具有響應(yīng)速度快、精巧、堅(jiān)固、良好的溫度穩(wěn)定性和低工作電壓的優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。圖10-1為光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，Vo=IpR，Ip為光電流，R是反饋電阻。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的電壓是轉(zhuǎn)換電路輸出電壓VO。圖101 光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電路（2）光敏電阻：光敏電阻是利用光的入射引起半導(dǎo)體電阻的變化來進(jìn)行工作的。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)：在無光照時(shí)，光敏電阻具有很高的阻值；在有光照時(shí)，當(dāng)光電子的能量大于材料禁帶寬度，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出

34、可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)，使電阻降低，光線愈強(qiáng)，激發(fā)出的電子空穴對(duì)越多，電阻值越低；光照停止后，自由電子與空穴復(fù)合，導(dǎo)電能力下降，電阻恢復(fù)原值。制作光敏電阻的材料常用硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbSe）銻化銦（InSb）等。由于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照表面的薄層，所以一般都把半導(dǎo)體材料制成薄膜，并賦予適當(dāng)?shù)碾娮柚?，電極構(gòu)造通常做成梳形，這樣，光敏電阻與電極之間的距離短，載流子通過電極的時(shí)間少，而材料的載流子壽命又較長(zhǎng)，于是就有很高的內(nèi)部增益G，從而獲得很高的靈敏度。光敏電阻具有靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，抗過載能力強(qiáng)，耗散功率大，以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。光敏電阻的阻值R和光照強(qiáng)度呈現(xiàn)非線性特

35、性。主要應(yīng)用在光電控制及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。（3）發(fā)光二極管（LED）特性，發(fā)光二極管作為光源，發(fā)出光亮度在一定范圍內(nèi)與流過發(fā)光二極管的電流成正比。三、實(shí)驗(yàn)器件與單元：光電模塊，主控箱，萬用表，020mA恒流源。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、將主控箱左上角的020mA恒流源調(diào)節(jié)到最小。2、把020mA恒流源的輸出和光電模塊上的“恒流輸入”連接起來，以驅(qū)動(dòng)LED光源。調(diào)節(jié)恒流源的電流，就改變了LED的發(fā)光亮度。3.1、硅光電池實(shí)驗(yàn)：將恒流源從0開始每隔2mA記錄一次輸出電壓（是光電流經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓），填入表10-1，光電二極管的輸出指示在光電模塊的右邊數(shù)字顯示電壓表上指示，單位mV。光電

36、模塊的左邊數(shù)字顯示電流表上指示通過LED的電流，單位mA。3.2、光敏電阻實(shí)驗(yàn)：由于光敏電阻光較弱時(shí)變化較大，所以在02mA之間，每隔0.5mA記錄一次光敏電阻阻值，以后每隔2mA記錄光敏電阻阻值，測(cè)得的數(shù)據(jù)填入表10-2。光敏電阻阻值的大小用萬用表測(cè)量光電模塊上的光敏電阻引腳。（1）表101，光電二極管光敏特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：I（mA）U(mv)（2）表102，光敏電阻光敏特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：I（mA）R五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)： 注意要將主控箱上恒流輸出的正負(fù)端和光電模塊上的正負(fù)端對(duì)應(yīng)接好。+5V電源的地線要求獨(dú)立，不能與其他電源地線連接。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出光敏電阻和光電池的特性曲線圖。2

37、、簡(jiǎn)述光敏電阻和光電池的光照特性。3、當(dāng)將硅光電池作為光探測(cè)器時(shí)應(yīng)注意那些問題？4、光敏電阻主要應(yīng)用在什么場(chǎng)合。附錄1 實(shí)驗(yàn)箱溫度控制簡(jiǎn)要原理當(dāng)總電源開關(guān)合上，并且溫度控制器的開關(guān)也閉合時(shí)，如果溫度控制器測(cè)得的溫度低于設(shè)定的溫度值，那么溫度控制器面板上ALM2燈亮（ALM2為一繼電器的常開觸點(diǎn)，恒流源是與這個(gè)常開觸點(diǎn)串聯(lián)的），內(nèi)部繼電器閉合，溫度模塊開始加熱，加熱電源為1A恒流源，當(dāng)溫度加熱到略高于設(shè)定溫度值時(shí)，ALM2燈滅，內(nèi)部繼電器斷開，溫度模塊停止加熱，但由于溫度的慣性比較大，因此當(dāng)溫度模塊停止加熱后，溫度顯示仍有一定的向上的沖量。附錄2 溫度控制器使用說明1、儀表通電顯示窗先顯示PV窗

38、輸出代碼、SV窗輸入代碼，后顯示PV窗量程上限、SV窗量程下限（N型顯示PV窗Jd05、SV窗2003），隨后即進(jìn)入工作狀態(tài)，其中PV顯示的為測(cè)量的溫度值，SV顯示的為設(shè)定的溫度值，當(dāng)SV的值大于PV的值時(shí)ALM2燈亮，恒流源有輸出，當(dāng)PV的值大于SV的值時(shí)，ALM1燈亮，恒流源無輸出，按SET鍵0.5秒SV顯示窗閃爍，此時(shí)可改變?cè)O(shè)定值，再按SET鍵0.5秒確認(rèn)，如需要修改其他參數(shù)，必須按住SET鍵大于3秒，即進(jìn)入B菜單，可按要求逐一修改內(nèi)容（見操作流程表），修改完畢再按SET鍵0.5秒若干下，退出菜單，如15秒內(nèi)無鍵按下（該窗內(nèi)新設(shè)置的數(shù)據(jù)無效）自動(dòng)進(jìn)入新的工作狀態(tài)。2、當(dāng)輸入信號(hào)大于量程上

39、限時(shí)，儀表顯示，當(dāng)輸入信號(hào)小于超出量程下限10%以上時(shí)，儀表仍顯示，并切斷主控輸出；當(dāng)輸入信號(hào)略小于量程下限時(shí)，儀表顯示。3、當(dāng)溫度控制效果不夠理想時(shí)，可以通過人工后自整定來改變PID參數(shù)。操作方法如下：人工修正：將儀表進(jìn)入B菜單至P窗，再用溫度控制器下面的三個(gè)箭號(hào)鍵來修正P值，再按SET0.5S進(jìn)入I窗，I、d、T的修正方法同上，然后再按SET鍵0.5S若干下返回正常工作狀態(tài)，即開始新的PID參數(shù)。自整定修正：先把主控設(shè)定再實(shí)際使用值后實(shí)用值的80%左右，再將儀表進(jìn)入B菜單至ATU窗后選擇（1）選號(hào)按SET鍵確認(rèn)后儀表即進(jìn)入自整定狀態(tài)，同時(shí)AT燈亮，帶自整定完成AT燈滅儀表即按新的自整定PI

40、D參數(shù)工作。用自整定修正PID值時(shí)應(yīng)該注意當(dāng)負(fù)載為多段串聯(lián)加熱方式（如擠出機(jī)械），其中某段進(jìn)入自整定過程時(shí)，應(yīng)盡量保持相鄰前后二段的溫度不變，否則會(huì)影響自整定效果。4、PID參數(shù)的設(shè)置原則：P比例帶設(shè)定，一般取上過沖值的2倍，當(dāng)溫度有規(guī)律波動(dòng)（系統(tǒng)振蕩）應(yīng)增加比例帶，當(dāng)溫度無規(guī)律漂動(dòng)時(shí)，應(yīng)減少比例帶。I積分時(shí)間設(shè)定，當(dāng)溫度有規(guī)律波動(dòng)時(shí)，應(yīng)增加積分時(shí)間，當(dāng)溫度很長(zhǎng)時(shí)間不能消除靜差時(shí)應(yīng)減少積分時(shí)間。D微分時(shí)間設(shè)定，一般取積分時(shí)間的1/51/4，微分時(shí)間的增加有助于減少系統(tǒng)的超調(diào)。5、PID控制與位式控制功能的切換方法：若需把儀表切換成位式控制（常規(guī)儀表出廠設(shè)置為PID控制），正常工作狀態(tài)儀表按住S

41、ET鍵3S以上進(jìn)入B菜單后，再按SET鍵0.5S若干下至P窗，把P設(shè)為0后按SET鍵若干下至T窗，把T設(shè)為1即進(jìn)入位式控制，其控溫范圍（切換差）可通過該變dp值來實(shí)現(xiàn)，位式控制時(shí)的dp值舉例：SV=時(shí)，設(shè)dp=，則實(shí)際輸出控制范圍為87.5。若需返回至PID控制時(shí)，把P、T、dp值還原即可。PID控制適用于高精度控溫場(chǎng)合，系統(tǒng)配置穩(wěn)定合理可達(dá)到±1個(gè)字精度；位式控制適用于控制某一段范圍內(nèi)的溫度。6、限制功能，如儀表為連續(xù)電流或電壓控制及輸出時(shí)為限幅；如儀表時(shí)斷續(xù)通斷式輸出時(shí)為限制輸出通斷時(shí)間比例關(guān)系，也就是周期（T）內(nèi)最長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間的百分比。7、失常請(qǐng)檢查儀表參數(shù)是否被誤修改，傳感器部分是否失效。按鍵不起作用，請(qǐng)檢查L(zhǎng)CK鍵是否被鎖定。8、各參數(shù)功能：面板功能：SET：功能鍵；PV：當(dāng)前測(cè)量值；SV：主控設(shè)定值；OUT：主控輸出指示ALM1：ALM1報(bào)警輸出指示；ALM2：ALM2報(bào)警輸出指示；AT：自整定指示向左箭號(hào)：移位鍵；向下箭號(hào)：減鍵；向上箭號(hào)：加鍵 參數(shù)常規(guī)設(shè)定范圍AH0.00&