传感器原理及应用
实验指导书
黄 敏 马汇海
陕西科技大学电气与信息工程学院
2009. 10
传感器原理及应用实验指导书
目 录
实验一 热电偶测温 ······················································································· 8 实验二 应变片性能及电桥（设计性实验） ················································ 12 实验三 半导体应变片性能检测 ···································································· 16 实验四 霍尔式传感器直流激励特性 ····························································· 20 实验五 压电传感器动态特性实验 ································································· 22 实验六 差动变压器性能检测 ······································································· 24 实验七 磁电式传感器性能检测 ··································································· 27 实验八 差动变面积电容传感器特性 ····························································· 29 实验九 电涡流传感器静态性能检测 ··························································· 31 实验十 扩散硅压力传感器实验 ···································································· 33 实验十一 光电器件特性测量（一） ································································· 36 实验十二 光电器件特性测量（二） ································································· 40 实验十三 光纤位移传感器实验测量 ···························································· 45 实验十四 热释电红外传感器特性实验 ····························································· 48 实验十五 温度变送器的校验（设计性实验） ················································· 50 附录：铂电阻分度表
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实验仪简介
CSY传感器系统实验仪上采用的大部分传感器虽是教学传感器（透明结构便于教学）但其结构与线路是工业应用的基础。实验帮助广大学生加深理解课本知识，学会作为一个科技工作者应具有的动手能力、操作技能及分析与解决问题的能力。实验指导书每个实验中都有注意事项。希望学生认真阅读，谨慎操作，否则容易引起器件损坏。
实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。
传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头、小电机、电涡流传感器及支座、电涡流传感器引线Φ3.５插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、半导体扩散硅压阻式差压传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒、热释电传感器、光电开关、硅光电池、光敏电阻元件安装盒，具体安装部位参看附录。
显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（土2V一土10V分５档调节）、F/V显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5ｍV－500ｍV）、音频振荡器、低频振荡器、土15V不可调稳压电源。
实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。
处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容变换放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。
CSY实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验,也可以利用传感器及处理电路开发实验项目。
二、主要技术参数、性能及说明 （一） 传感器安装台部分：
双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器Vo可做静态或动态测量。
应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结构端部有较好的线性位移。（或采用标准双孔悬臂梁传感器应变梁）。
传感器：
1．差动变压器（电感式）
量程：≥5mm，直流电阻：5Ω-10Ω。由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心圈，铁芯为软磁铁氧体。
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2．电涡流位移传感器
量程：≥1mm，直流电阻：1Ω-2Ω。多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。
3．霍尔式传感器
量程：≥2mm，直流电阻：激励源端口800Ω-1.5KΩ；输出端口300Ω-500Ω。 日本JVC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。 4．热电偶
直流电阻：10Ω左右。由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为Ｔ，冷端温度为环境温度。 5．电容式传感器
量程：≥土2mm。由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。 6．热敏电阻
半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25℃时为10KΩ。 7．光纤传感器
由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围≥2mm。 8．半导体扩散硅压阻式压力传感器 量程：10KPa（差压）供电：≤６Ｖ
美国摩托罗拉公司生产的MPX型压阻式差压传感器。 9．压电加速度计
PZT-5压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：≥10KHz，电荷灵敏度：ｑ≥20PC/G。 10．应变式传感器
箔式应变片电阻值：350Ω、应变系数：2，平行梁上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有６片应变片，横向所贴的两片为温度补偿片。 11．PN结温度传感器
利用半导体PN结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测灵敏度：－2.1mV／℃。 12．磁电式传感器
Φ0.21Ｘ1000 直流电阻：30Ω－４0Ω，由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度0.5ｖ/M/S
13．气敏传感器MQ3（酒精）： 测量范围：50－2000PPM。 14．湿敏电阻
高分子薄膜电阻型（ＲＨ）：几兆Ω一几KΩ；响应时间：吸湿、脱湿小于10秒。 湿度系数：0.5ＲＨ％／℃；测量范围：10％－95％，工作温度为0℃－50℃。 15．光电开关：反射型
16．光敏电阻：CDS材料：几Ω一几MΩ 17．硅光电池：SI日光型
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18．热释电红外传感器：远红外式 （二）信号及变换 1．电桥：
用于组成直流或交流电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。 2．差动放大器：
通频带0－10ＭHz。可接成同相、反相，差动结构，增益为1－100倍的直流放大器。
3．电容变换器：
由高频振荡，放大和双Ｔ电桥组成的处理电路。 4．电压放大器：
增益约为５倍 同相输入。通频带0－10 KHz。 5．移相器：
允许最大输入电压10Vp－p 移相范围≥20（5ＫＨｚ时） 6．相敏检波器
可检波电压频率：0－10KHz。允许最大输入电压：10VP-P极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路 7．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。 8．低通滤波器：
由50Ｈz陷波器和ＲＣ滤波器组成，转折频率35ＨZ左右 9．涡流变换器：
输出电压≥181Ｖ（探头离开被测物），变频调幅式变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件 10．光电变换座：
由红外发射、接收组成。 （三）二套显示仪表
１．数字式电压／频率表：
３位半显示，电压范围（0－２V、0－20V，频率范围3Hz-2KHz。10 Hz－20KHz，灵敏度≤50mV。 ２．指针式毫伏表：
85CL表，分500 mV、50 mV、5mV三档，精度2.5％。 （四）二种振荡器 １．音频振荡器：
0.4 KHz－10KHz输出连续可调，Ｖp－p值20V，输出连续可调，180º、0º反相输出，LV端最大功率输出电流0.5Ａ。 ２．低频振荡器：
ｌ－30ＨZ输出连续可调，Ｖｐ－ｐ值２0V输出连续可调，最大输出电流0.5Ａ，
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Ｖｉ端可提供用做电流放大器。 （五）二套悬臂梁、测微头
双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一到副在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行位移与振动实验（右边圆盘式工作台由“激振Ι”带动。左边平行式悬臂梁由“激振Ⅱ”带动）。 （六）电加热器二组
电热丝组成，加热时可获得高于环境温度３０℃左右的升温。 （七）测速电机一组
由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电开关、光纤传感器配合进行测速实验。 （八）二组稳压电源
直流±15Ｖ，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5Ａ，±2V－±10V分五档输出，最大输出电流1.5Ａ，提供直流激励源。 （九）计算机联接与处理
数据采集卡：十二位Ａ／Ｄ转换，采样速度10000点/秒，采样速度可控制，采样形式多样。标准RS－232接口，与计算机串行工作。
良好的计算机显示界面与方便实用处理软件，实验项目的选择与编辑、数据采集＼数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。
使用仪器时打开电源开关，检查交、直流信号源及显示仪表是否正常。仪器下部面板左下角处的开关为控制处理电路15Ｖ的工作电源，进行实验时请勿关掉，为保证仪器正常工作，严禁15Ｖ电源间的相互短路，建议平时将此两插口封住。
指针式毫伏表工作前需对地短路调零，取掉短路线后指针有所偏转是正常现象不影响测试。
注意：本仪器是实验性仪器，各电路完成的实验主要目的是对各传感器测试电路做定性的验证，而非工业应用型的传感器定量测试。 各电路和传感器性能建议通过以下实验检查是否正常。
1．应变片及差动放大器，进行单臂、半桥和全桥实验，各应变片是否正常可用万用表电阻档在应变片两端测量。各接线图两个节点间即一实验接插线，接插线可多根迭插，为保证接触良好插入插孔后请将插头稍许旋转。
2．热电偶，接入差动放大器，打开“加热”开关，观察随温度升高热电势的变化。 3．热敏式，进行“热敏传感器实验”，电热器加热升温，观察随温度升高，电阻两端的阻值变化情况，注意热敏电阻是负温度系数。
4．Ｐ－Ｎ结温度传感器，进行Ｐ－Ｎ结温度传感器测温实验，注意电压表2V档显示值为绝对温度Ｔ。
5．进行“移相器实验”用双踪示波器观察两通道波形。 6．进行“相敏检波器实验”，相敏检波器端口序数规律为从左至右，从上到下，其中５端为参考电压输入端。
7．进行“电容式传感器特性”实验，当振动圆盘带动动片上下移动时，电容变换器
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Ｖ。端电压应正负过零变化。
8．进行“光纤传感器位移测量”，光纤探头可安装在原电涡流线圈的横支架上固定，端面垂直于镀铬反射片，旋动测微仪带动反射片位置变化，从差动放大器输出端读出电压变化值。
9．进行光纤（光电）式传感器测速实验，从Ｆ／Ｖ表Ｆo端读出频率信号。Ｆ／Ｖ表置2Ｋ档。
10．低通滤波器：将低频振荡器输出信号送入低通滤波器输入端，输出端用示波器观察，注意根据低通输出幅值调节输入信号大小。
11．进行“差动变压器性能”实验，检查电感式传感器性能，实验前要找出次级线圈同名端，次级所接示波器为悬浮工作状态。
12．进行“霍尔式传感器直流激励特性”实验，直流激励信号不能大于2Ｖ。
13．进行“磁电式传感器”实验，磁电传感器两端接差动放大器输入端，用示波器观察输出波形。
14．进行“压电加速度传感器”实验，此实验与上述第十一项内容均无定量要求。 15．进行“电涡流传感器的静态标定”实验，其中示波器观察波形端口应在涡流变换器的左上方，即接电涡流线圈处，右上端端口为输出经整流后的直流电压。
16．进行“扩散硅压力传感器”实验，注意MPX压力传感器为差压输出，故输出信号有正、负两种。
17．进行“气敏传感器特性”实验，观察输出电压变化。 18．进行‘湿敏传感器特性演示”实验。 19．进行“光敏电阻”实验 20．进行“硅光电池”实验 21．进行“光电开关（反射）”实验
22．进行“热释电传感器”实验。以上第17项起实验均为演示性质，无定量要求。 23．如果仪器是带微机接口和实验软件的，请参阅《微机数据采集系统软件》使用说明。数据采集卡已装入仪器中，其中Ａ／Ｄ转换是１２位转换器。
仪器后部的ＲＳ２３２接口与计算机串行口相接，信号采集前请正确设置串口，否则计算机将收不到信号。
仪器工作时质量需良好的接地，以减小干扰信号，并尽量远离电磁干扰源。 上述检查及实验能够完成，则整台仪器各部分均为正常。 实验时请非常注意实验任务书中实验内容后的“注意事项”，要在确认接线无误的情况下再开启电源，要尽量避免电源短路情况的发生，实验工作台上各传感器部分，如位置不太正确可松动调节螺丝稍作调整，以按下振动梁松手，各部分能随梁上下振动而无碰擦为宜。
附件中的称重砝码是在实验工作台左边的悬臂梁旁的测微头取开后装于顶端的永久磁钢上方。实验开始前请检查实验连接是否完好，以保证实验顺利进行。 本实验仪器需防尘，以保证实验接触良好，仪器正常工作温度０℃-40℃。
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实验一 热电偶测温
一．实验目的
1. 掌握热电偶测温原理，了解其测温过程。 2. 学会分度表的应用。
3. 了解ＮＴＣ热敏电阻的热敏特性现象。
二．实验原理
1. 热电偶的基本工作原理是热电效应，二种不同的导体互相焊接成闭合回路时，当
两个接点温度不同时回路中就会产生电流，这一现象称为热电效应，产生电流的电动势叫做热电势。通常把两种不同导体的这种组合称为热电偶（具体热电偶原理参考教课书）。当工作端与参比端的温度不同时，通过测量热电势即可知道两端温差。如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或零摄氏度）。则另一端的温度就可知，从而实现温度测量。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）。本实验仪有二个热电偶，它们封装在双平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中间二根细金属丝焊成的一点，就是热电偶）和下片梁的下表面，二个热电偶串联在一起产生热电势为二者的总和。
2. 热电偶一般测高温时线性较好，而热敏电阻则用于200℃以下温度较为方便。热
敏电阻的温度系数有正有负，因此分成两类：ＰＴＣ（正温度系数）、CTR（临界温度系数）与ＮＴＣ（负温度系数）热敏电阻。一般ＮＴＣ热敏电阻测量范围较宽，主要用于温度测量；而PTC和CTR属突变型热敏电阻，温度范围较窄，一般用于恒温控制或温度开关。通常的NTC热敏电阻测温范围为：-50℃－＋300℃。一般只适用于低精度的温度测量。
三．实验所需部件
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
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主副电源
–15Ｖ直流稳压电源 可调直流稳压电源 差动放大器 F/Ｖ数显表。 加热器
热电偶及双孔悬臂梁、热敏电阻。
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四．实验任务与步骤
（一）热电偶测温
1. 了解热电偶、差动放大器、F/Ｖ数显表，-15V电源在实验仪上的位置及符号，按
图示1接线（-15V电源先不要接）。
2. 注意旋钮初始位置： Ｆ／Ｖ数显表：置于2Ｖ档。
差动放大器：将两输入端对地短路，增益旋钮顺时针调到最大。 开启主、副电源，调节差动放大器调零旋钮，使Ｆ/Ｖ表显示为零。
－15V-加热器热电偶+差动放大器ViF/V数显表
图1 热电偶测温电路图
3. 将–15Ｖ直流电源接入加热器的一端，加热器的另一端接地，观察Ｆ/Ｖ表显示值
的变化，待显示值稳定不变时记录下Ｆ/Ｖ表显示的读数Ｅ。记录实验室内的室温。 4. 用玻璃管温度计测出此时上梁表面热电偶处的温度ｔ并记录下来（注意：温度计
不要触到应变片，只要触及热电偶处附近的梁体即可）。
5. 实验完毕后关闭主、副电源，尤其是加热器 –１５Ｖ电源（玻璃管温度计测出温
度后马上拆去－15Ｖ电源连接线）其它旋钮置原始位置。 6. 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)
其中：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）温度，也就是室温 to----0℃
（t,tn)7. 热端温度为t，冷端温度为室温tn时的热电势：EEt
KN其中：Et----F/V表显示值
K----差动放大器的放大倍数，此处K=100 N----热电偶串联数目，此处N=2
8. 热端温度为室温tn，冷端温度为０℃铜-康铜热电势Ｅ(tn，to)，可以从以下所附
的铜-康铜热电偶分度表中得到。
9. 根据以上计算结果得到热端温度为ｔ、冷端温度为０℃时的热电势Ｅ(ｔ,to)，然
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后查分度表得到上梁表面温度t。
10. 将热电偶测得温度值与玻璃管温度计测得温度值相比较。（注意：本实验仪所配
的热电偶为简易热电偶、并非标准热电偶，只是了解热电势现象）。 （二）热敏电阻测温
1. 了解热敏电阻在实验仪的所在位置及符号（它是一个蓝色元件，封装在加热器旁）。
2. 将F/V数显表置于2Ｖ档，直流稳压电源切换开关置±2Ｖ档．按图示2接线。 3. 开启主、副电源，调整Ｗ1电位器。使Ｆ／Ｖ数显表指示为200mV左右。
4. 将-15Ｖ电源接入加热器，观察电压表的读数变化，并得出当温度升高时，温敏电
阻Rt是增大还是减小，由此判断出本次使用的是何种温度系数的热敏电阻。
V+－15VRt热敏电阻加热器W1rViF/V数显表 图2 热敏电阻测温电路图
五．思考
1. 为什么差动放大器接入热电偶后需再调差放零点？
2. 即使采用标准热电偶按本实验方法测量温度也会有很大误差，为什么？ 3. 如果你手上有这样一个热敏电阻，想把它作为一个0~50℃的温度测量电路，你认
为该怎样来实现？
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铜—康铜热电偶分度（0℃）
分度号：T 工作端温度℃ -10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 0.534 0.154 0.156 0.549 0.951 1.361 1.780 2.207 3.087 3.538 4.012 4.479 5 0.571 0.193 0.195 0.589 0.992 1.403 1.822 2.250 3.131 3.584 4.058 4.529 6 0.608 0.231 0.234 0.629 1.032 1.444 1.865 2.294 2.731 3.176 3.630 4.105 4.573 7 0.646 0.269 0.273 0.669 1.073 1.486 1.907 2.337 2.775 3.221 3.676 4.151 4.621 8 0.683 0.307 0.312 0.709 1.114 1.528 1.950 2.380 2.819 3.266 3.721 4.198 4.668 9 0.720 0.345 0.351 0.749 1.155 1.569 1.992 2.424 2.864 3.312 3.767 4.244 4.715 热 电 动 势 （mv） -0.308 -0.421 -0.459 0.496 0.000 0.000 0.391 0.789 1.196 1.611 2.035 2.467 2.908 3.357 3.827 4.291 0.039 0.039 0.430 0.830 1.237 1.653 2.078 2.511 2.953 3.402 3.873 4.338 0.077 0.078 0.470 0.870 1.279 1.695 2.121 2.555 2.997 3.447 3.919 4.385 0.116 0.147 0.510 0.911 1.320 1.738 2.164 2.599 3.042 3.483 3.965 4.432 2.643. 2.687 11
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实验二 应变片性能及电桥(设计性实验)
一．实验目的
1． 了解金属箔式应变片的应变特性。
2． 掌握和理解应变片单桥、双桥和全桥的性能和相互关系。
二．设计要求
1． 熟悉悬臂梁受力实验系统，测量悬臂梁上、下两个金属箔式应变片在无受力情
况下的阻值。
2． 设计完成用金属箔式应变片构成单臂电桥测量电路的实验方案，检测悬臂梁系
统的受力输出情况。
3． 设计完成用金属箔式应变片构成双臂电桥测量电路的电路图，在电路图上标明
应变片阻值在受力情况下的阻值变化方向，检测悬臂梁系统的受力输出情况。 4． 设计完成用金属箔式应变片构成全桥测量电路的电路图，在电路图上标明应变
片阻值在受力情况下的阻值变化方向，检测悬臂梁系统的受力输出情况。 5． 根据单、双臂和全桥所测数据，计算每一个砝码所对应灵敏度S平均值。
6． 绘出电桥输出与砝码数量(U/N)的关系曲线，并对三种电桥的线性输出情况和
灵敏度进行分析和比较。
7． 试对比分析由应变片构成的三种电桥电路如果受温度影响下的输出情况。
U,并取P三．所需部件
1． 直流稳压电源 2． 电桥及应变片 3． 差动放大器
4． 悬臂梁及称重砝码 5． 电压/数显表
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四．实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。当测试体受力发生形变时，其应变主要由电阻率变化引起。如果用应变片检测物体受力情况，应变片要牢固地粘贴在检测物体表面。当检测物体受力时，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路可转换成电信号输出。
电桥电路是最常用的非电量转换电测电路中的一种。当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为
RRR1RR、2、5、4，当使用一个应变片时，应变R；
RR1R2R4R52R；用四个应变片组成二个差R4R动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，则有R。由此可知，单臂电桥、半桥、
R当使用两个应变片组成差动状态工作，则有R全桥电路的灵敏度依次增大。
五．注意事项
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以
避免引入干扰。 2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内
导线断裂。
3．在更换应变片时应将电源关闭。
4．稳压电源不要对地短路，直流激励电压不要过大，以免造成应变片自热损坏。
5．直流电源电压±4V不能过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。 6．接全桥时要注意区别各应变片的工作状态方向。
六．实验思考
1. 测量悬臂梁上、下应变片的阻值为何会不一致？阻值大的应变片在悬臂梁上方还是下方？ 2. 由应变片构成的电桥电路中，固定电阻应该如何选取才比较合适？
3. 由应变片构成的三个电桥电路中，应变片如何布局在电桥桥臂中才能获得最大的差动输出？
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七．参考文献
[1] 黄贤武、郑筱霞编著. 《传感器原理与应用》. 成都；电子科技大学出版社 [2] 王家桢、王俊杰编著.《传感器与变送器》.北京；清华大学出版社 [3] 丁镇生编著.《传感器与传感技术应用》. 北京；电子工业出版社 [4] 何希才编著.《传感器及其应用》. 北京；国防工业出版社
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附录．实验提示
1． 各旋钮初始位置：
直流稳压电源：±4V档，F/V表：2V档，差动放大器增益旋钮：顺时针旋至最大。了解所需单元、部件在实验仪上所在的位置，观察应变梁上的应变片。 2． 差动放大器调零
将差动放大器“增益”旋钮顺时针方向旋到最大，放大器（＋）、（－）输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表。接通实验仪电源，用“调零”电位器调整差动放大器使输出电压为零，调零后关闭仪器电源，拔掉短路实验线（调零后不要再动“调零”电位器）。 3． 测量单臂电桥输出
图1. 单臂电桥实验电路
+4V RrR-4V R 1Rw＋ － 数字电压表W1 （1） 按图1将实验部件用实验线连接成测量桥路。桥路中的R为均固定电阻，
W1为直流调平衡电位器，Rw1为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流电源为±4V。确认接线无误后开启仪器正、副电源，并预热数分钟。调整电桥W1电位器，使测试系统输出为零。
（2） 在悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录对应的输出电压，并将结果填入
表1内。（注：砝码重量P=20g)
表1 砝码N 电压U(V) 1 2 3 4 5 6 UnUn1 15
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实验三 半导体应变片性能检测
一．实验目的
1. 了解半导体应变片的应变特性。
2. 掌握和理解半导体单臂电桥和双臂电桥的输出特性。 3. 了解半导体单臂电桥和双臂电桥的温度补偿状况。
二．实验原理
应变片是最常用的测力传感元件。由于材料阻值为Rρl，对于半导体应变s计，当测试体受力发生形变时，其应变主要由电阻率变化引起。由于半导体材料的“压阻效应”特别明显，灵敏度比较大，可以反映出很微小的形变，但是受温度影响大。如果用应变片检测物体受力情况，应变片要牢固地粘贴在检测物体表面。当检测物体受力时，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路可转换成电信号输出。电桥电路是最常用的非电量转换电测电路中的一种。当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零。在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为
RR1R2R5R4、、、，当使用一个应变片时，应变R；
RR1R2R4R52R；用四个应变片组成二个差R当使用两个应变片组成差动状态工作，则有R动对工作，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，R路的灵敏度依次增大。
4R。由此可知，单臂，半桥，全桥电R三．实验所需部件
1. 直流稳压电源
2. 电桥及半导体应变计 3. 差动放大器
4. 悬臂梁及称重砝码 5. 电压/数显表 2． 加热器
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四．实验内容
1. 观测由半导体单臂电桥构成悬臂梁受力系统的受力输出情况及所受温度的影响。 2. 观测由半导体双臂电桥构成悬臂梁受力系统的受力输出情况及所受温度的影响。
五．实验步骤
1. 差动放大器调零
开启仪器电源，差动放大器“增益”顺时针方向旋到最大，放大器＋、－输入端用实验线对地短路，输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器使输出电压为零，然后拔掉短路实验线。调零后电位器位置不要变化，调零后关闭仪器电源。
2. 观察半导体应变片应变阻值 （1）用数字万用表电阻档，测量标有
的半导体应变片两端，记录Rw1阻值。
然后在悬臂梁上添加两个砝码，根据其阻值变化情况，说明此应变片在悬臂梁的上表面还是下表面？ （2）用数字万用表电阻档测量标有的半导体应变片两端，记录Rw2阻值。
然后在悬臂梁上添加两个砝码，根据其阻值变化情况，说明此应变片在悬臂梁的上表面还是下表面？ 受力前Rw1(Ω) 受力前Rw2(Ω) 3. 测量单臂电桥的输出
图1. 单臂电桥实验电路
受力后Rw1（Ω） 受力后Rw2（Ω） 结论 结论 +2VRRR-2VRRw1＋－数字电压表WD 17
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（1）按图1将实验部件用实验线连接成测量桥路。桥路中的R为均固定电阻，WD为直流调平衡电位器，Rw1为半导体应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流电源为±2V。确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零。
（2）在悬臂梁称重平台上依次放上砝码，记录对应的输出电压并将结果填入表内。
砝码N 电压U(V) 1 2 3 4 5 UnUn1 砝码N 电压U(V) 6 7 8 9 10 UnUn1
（3） 去掉悬臂梁称重平台上的砝码，并调节平衡电位器WD输出为零，打开“加热器”
电源开关，同时开始计时，记录1分钟内升温电压，之后断开加热器和仪器总电源。
图2. 双臂电桥实验电路
+2VRRR-2VRw2Rw1＋－数字电压表WD
4. 测量双臂电桥的输出
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按图2将实验部件用实验线连接成测量桥路，待半导体应变片温度平衡后，重复以上单臂电桥的（1）、（2）、（3）步骤，并将结果填入表内。 注：砝码重量P=20g 砝码N 电压U(V) 1 2 3 4 5 UnUn1 砝码N 电压U(V) 6 7 8 9 10 UnUn1
六．实验要求
1．根据单、双臂电桥所测数据，计算每一个砝码所对应灵敏度S平均值。
2．在坐标图上绘出U－N关系曲线，并对两种电桥进行比较。
3．对两种电桥受温度影响的输出进行比较，并说明哪种电桥具有温度补偿作用？
U,之后取N七．注意事项
1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以
避免引入干扰。 2．接插线插入插孔，以保证接触良好，，切忌用力拉扯接插线尾部，以免造成线内
导线断裂。
3．稳压电源不要对地短路，直流激励电压不要过大，以免造成应变片自热损坏。
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实验四 霍尔式传感器直流激励特性
一．实验目的
1. 了解霍尔式传感器的结构和工作原理。 2. 学会用霍尔式传感器做静态位移测量。
二．实验原理
霍尔式传感器是由两个环形磁钢组成梯度磁场和位于梯度磁场中的霍尔元件组成。当霍尔元件通过恒定电流、霍尔元件在梯度磁场中上、下移动时，输出的霍尔电势Ｖ取决于其在磁场中的位移量Ｘ，所以测得霍尔电势的大小便可获知霍尔元件的静位移量（图示1）。
霍尔元件运动方向霍尔元件NS环形磁铁SN图1 霍尔元件实验原理图
三．实验所需部件
1. 2. 3. 4.
霍尔片、磁路系统。 电桥、差动放大器。
Ｆ／Ｖ数显表、直流稳压电源、主、副电源。 测微头、振动平台。
四．实验任务与步骤
1. 了解霍尔式传感器的结构及实验仪上的安装位置，熟悉实验面板上霍尔片的符号
（霍尔片安装在实验仪的振动圆盘上，两个半圆永久磁钢固定在实验仪的顶板上，二者组合成霍尔传感器）。 2. 旋钮初始位置：
（1） 差动放大器：增益旋钮适度 （2） F/V数显表：置于２０Ｖ档
（3） 直流稳压电源：置于±2Ｖ档
3． 根据图示2接线（Ｗ1、ｒ为电桥单元的直流电桥平衡网络）。仔细检测线路，传
感器的电源端与信号端绝对不能接错！
4． 装好测微头，调节测微头与振动台吸合并使霍尔片置于半圆磁钢上下正中位置。
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5． 开启电源，调整Ｗ1使F/V数显表指示为零（此时勿动差动放大器调零旋钮）。 6． 向上旋动测微头，每隔０.5mm记下F/V数显表的读数，并填入表内。 7． 作出Ｖ－Ｘ曲线，指出线性范围，求出灵敏度。得出实验结论。（可见，不实验测
出的实际上是磁场情况，磁场分布为梯度磁场与磁场分布有很大差异，位移测量的线性度，灵敏度与磁场分布也有很大关系）。
8． 实验结束后，关闭主、副电源，各旋钮置初始位置。
V+ (+2V)-差动放大器ViF/V数显表rW1霍尔元件+V- (-2V)图2 霍尔元件实验接线图
上行 X(mm) V(V) 上行 X(mm) V(V) 下行 X(mm) V(V) 下行 X(mm) V(V) 1 6 1 6 2 7 2 7 3 8 3 8 4 9 4 9 5 10 5 10 五．注意事项
1. 2. 3. 4.
由于磁路系统的气隙较大，应使霍尔片尽量靠近极靴，以提高灵敏度。 一旦调整好后，测量过程中不能移动磁路系统。 激励电压绝对不能超过2Ｖ，以免损坏霍尔片。 注意上行与下行之间的空程问题。
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实验五 压电传感器动态特性实验
一．实验目的
了解压电传感器的工作原理、结构和应用。
二．实验原理
压电传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。压电传感器元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测。
三．实验所需部件
1. 2. 3. 4. 5.
压电传感器
电荷放大器、单芯屏蔽线 F／Ｖ数显表、示波器 低通滤波器、低频振荡器 激振线圈，振动平台
四．实验任务及步骤
激振线圈Vo低频振荡器ViF/V数显表
压电传感器低通滤波器电荷放大器示波器
图1 压电传感器动态实验电路
1． 了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置。观察了解压电式加速度
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传感器的结构：由PZT双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。 2． 各旋钮初始位置：
Ｆ／Ｖ数显表切换开关置于2K档
低频振荡器的幅度旋钮逆时针旋至最小
3． 根据图1的电路结构，压电式传感器、电荷放大器、低通滤波器和双踪示波器连
接起来，组成一个测量线路。将低频振荡器的输出端与激振线圈和F/V数显表相连接。
4． 打开主、副电源，调整好示波器，将低频振荡器的幅度旋钮缓缓调至最大，调节
其输出频率，并用F/V数显表监测。用示波器观察低通滤波器输出波形、读出其峰峰值并填入下表。
5． 示波器的另一通道观察磁电式传感器的输出波形，并与压电波形相比较，并观察
其波形和相位差。当振动平台处于谐振状态时振幅最大，此时示波器所观察到的波形Vp-p也最大，由此可以得出结论：压电传感器是一种对外力作用变化敏感的传感器。
6． 将压电式传感器与电荷放大器之间的连接导线改用普通的单芯导线，调节低频振
荡器的频率并用示波器观察波形，与前面的实验进行比较。
F（Hz） Vp-p
五．思考
1. 根据实验结果，可以知道振动台的自振频率大致是多少？
2. 压电式传感器的特点是什么？比较磁电式传感器输出波形的相位差是多少？
六．注意事项
做此实验时，振动平台的振动频率不能过低（1～3Hz），否则电荷放大器将无法输出。
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实验六 差动变压器性能检测
一．实验目的
1．了解差动变压器的基本结构及工作原理。 2．通过实验验证差动变压器的基本输出特性。 3．掌握使用差动变压器测量小位移的方法。
二．实验原理
差动变压器是由衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈骨架等组成的互感式位移传感器。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，次级线圈由两个结构尺寸和参数相同的线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。差动变压器是开磁路，工作是建立在互感基础上的。在铁心位于中央位置时，差动信号输出电压为零，当铁心因位移而偏离中央位置时，差动信号的输出为与位移成正比的交流电压，其原理及输出特性见图1、图2。
图1 差动变压器等效电路
r1铁心L0r2e2r3L0～e1e2-e3=e0Lie3
0U(V)X（mm）图2 差动变压器输出特性
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三．实验所需部件
1． 差动变压器 2． 音频振荡器 3． 螺旋测微头 4． 双通道示波器
四．实验内容
1．在差动变压器的初级线圈上加一音频信号，转动螺旋测微头，用示波器观测其次
级线圈的输出情况，并记录其输出与位置的关系。
2根据表格所列结果，画出输出Vop-p与位移X的关系曲线，指出线性工作范围并求
出灵敏度S。
Lv 音频振荡器电感线圈Lo Li 示波器第二通道示波器第一通道Lo 图3 差动变压器实验电路
五．实验步骤
1．按图3接线，差动变压器初级线圈必须从音频振荡器LV端功率输出，音频振荡器
输出频率5KHZ左右，输出值峰峰值VP－P 为 2V。
2．双线示波器第一通道灵敏度500mv/格接差动变压器的初级线圈Li，第二通道灵敏
度10mv／格接差动变压器的次级线圈Lo。
3．用手提压差动变压器磁芯，观察示波器第二通道波形是否能过零翻转，如不能则
改变两个次级线圈Lo的串接端。
4．仔细调节螺旋测微头使次级线圈的输出波形至不能再小，记录此位置的电压值（这
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就是零点残余电压。可以看出它与输入电压的相位差约为π／2，是基频分量） 5．旋动螺旋测微头，带动差动变压器衔铁在线圈中移动，每增加0.5mm从示波器中
读出次级输出电压VP－P值并填入表1。
6．重复以上步骤每减少0.5mm从示波器中读出次级输出电压VP－P值并填入表1。读数
过程中应注意初、次级电压波形的相位关系。 表1 位移 （mm） 电压 （V） 位移 （mm） 电压 （V）
六．注意事项
示波器第二通道为悬浮工作状态。
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实验七 磁电式传感器性能检测
一．实验目的
通过实验了解磁电式传器的原理、结构、性能及应用。
二．实验原理
磁电式传感器是一种能将非电量的变化转为感应电动势的传感器，所以也称为感应式传感器。根据电磁感应定律，ω匝线圈中的感应电动势ｅ的大小决定于穿过线圈的磁通ψ的变化率：ｅ＝－ωdψ/dt。在本实验装置中的磁电式传感器是由动铁与感应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定的直流磁场，当动铁与线圈有相对运动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电势，ｅ与磁通变化率成正比，所以是一种动态传感器。
三．实验所需部件
1. 磁电式传感器、差动放大器
2. 低通滤波器、示波器、F／Ｖ数显表
3. 激振线圈、低频振荡器、振动平台、主、副电源
四．实验任务及步骤
1. 有关旋钮初始位置：差动放大器增益旋钮置于中间，低频振荡器的幅度旋钮置于
最小，F/V数显表置2K档。 2. 观察磁电式传感器的结构，根据图1的电路结构，将磁电式传感器、差动放大器、
低通滤波器和双线示波器连接起来，组成一个测量线路。将低频振荡器的输出端与激振线圈和F／Ｖ数显表的输入端相连。
3. 开启主、副电源，调整好示波器，低频振荡器的幅度旋钮固定至某一位置，调节
频率，调节时用F／Ｖ数显表监测频率。用示波器观察低通滤波器输出波形，记录峰峰值填入下表。 F(Hz) Vp-p 4. 拆去磁电传感器的引线，把涡流传感器经涡流变换器接入低通滤波器，再用示波
器观察输出波形（波形好坏与涡流传感器的安装位置有关，参照涡流传感器的实验）并与磁电传感器的输出波形相比较。
5. 通过观察，可以得出结论：磁电式对速度敏感，电涡流式传感器则对位置敏感，
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速度的变化对它影响不大。
激振线圈Vo低频振荡器ViF/V数显表
磁电线圈N+差动放大器低通滤波器示波器-S
图 1 磁电式传感器实验电路
四．思考
1. 试回答磁电式传感器的特点？
2. 比较磁电式传感器与涡流传感器输出波形的相位，为什么？
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实验八 差动变面积电容传感器特性
一．实验目的
1. 了解差动变面积电容传感器的工作原理。
2. 掌握差动变面积电容传感器的输出特性和性能指标。
二．实验原理
电容式传感器有多种形式，本次实验中使用的是差动平行变面积式电容式传感器，它由两组定片和一组动片构成。当安装于振动台上的动片上下改变位置时，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极间电容也发生相应变化，成为差动电容。如果将上层定片和动片形成的电容定为Cx1，下层定片和动片形成的电容定为Cx2，当将Cx1和Cx2接入双T型桥路作为相邻两桥臂时，桥路的输出电压与电容量的变化有关，即与振动台的位移有关。
三．实验所需部件
1. 2. 3. 4.
平板电容传感器、电容放大器
差动放大器、F／Ｖ数显表、示波器 低通滤波器、低频振荡器 激振线圈，振动平台、测微头
四．实验任务及步骤
Cx1Vo+电容放大器差动放大器低通滤波器F/V数显表Cx2-
图1 电容传感器静态实验电路
1. 了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置，按图示1接线。
2. 各旋钮初始位置：Ｆ／Ｖ数显表切换开关置于2Ｖ档，差动放大器增益旋钮顺时
针旋至最大，电容放大器增益增益旋钮顺时针旋至最大。
3. 打开主、副电源，调节测微头带动振动平台位移，使电容动片位于两动片中部，
此时调节差动放大器调零旋钮使输出为零。 4. 以此中心点，旋转测微头向下移动电容动片，每移动0.5mm记录一组数据并填入
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表内，直至电容动片与静片完全重合为止。
5. 退回测微头至中心点位置，并开始反方向向上移动电容动片，方法同上。
6. 作出位移X与电压输出U的关系曲线，分析其线性情况和确定线性范围。根据
所得结果计算系统灵敏度 Ｓ= △Ｖ／△X。
CX1激振线圈低频振荡器电容放大器Vo+差动放大器低通滤波器示波器CX2- 图2 电容传感器动态实验电路
7. 将测微头向上移开，并使其与振动平台分离，按图2接通低频振荡器和激振线圈。
调节低频振荡器的输出幅度和频率范围，用示波器观察、记录和分析输出波形。 X（mm） 电压（V） X（mm） 电压（V） X（mm） 电压（V） X（mm） 电压（V） 五．注意事项
1. 电容动片与两定片之间的片间距离须相等，必要时可稍做调整。位移和振动时
均应避免擦片现象，否则会造成输出信号突变。
2. 如果差动放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，请将电容变换器增益进
一步减小。
3. 由于悬臂梁弹性恢复的滞后，进行反相采集时测微仪虽然回到起始位置，但系
统输出电压可能并不回到零，此时可反向位移悬臂梁使输出电压过零后再回起始位置，待系统输出为零后进行反方向的采集。
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实验九 电涡流传感器静态性能检测
一．实验目的
1．了解电涡流传感器的结构和工作原理。 2．学会检测电涡流传感器并了解其输出特性。
二．实验原理
电涡流式传感器由平面线圈和金属涡流片组成，当线圈中通以高频交变电流后，与其平行的金属片上感应产生电涡流，电涡流的大小影响线圈的阻抗Z，而涡流的大小与金属涡流片的电阻率、导磁率、厚度、温度以及与线圈的距离X有关。当平面线圈、被测体（涡流片）、激励源已确定，并保持环境温度基本不变，阻抗Z只与X距离有关。将阻抗变化经涡流变换器变换成电压V输出，则输出电压是距离X的单值函数。
三．实验所需部件
1. 电涡传感器、电涡流变换器 2. 金属涡流片、测微头、振动平台 3. 示波器、F/V数显表
四．实验内容
1．作出电涡流传感器输出特性V－X曲线，分析其线性情况，指出线性范围。 2．求出电涡流传感器在其线性范围内的灵敏度。 3．分析两种金属涡流片的输出特性和相关参数。
五．实验步骤
1． 观察电涡流传感器的结构，确认安装好电涡流线圈并将其对准金属涡流片（注
意两者必须保持平行，必要时可稍许调整探头角度）。
2． 安装好测微头，将电涡流线圈接入涡流变换器输入端。涡流变换器输出端接F/V
数显表20V档（如图1）。
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传感器原理及应用实验指导书
涡流线圈电涡流变换器示波器ViF/V数显表图1 涡流线圈与电涡流变换器接线示意图
3． 开启仪器电源，旋动测微头带动振动平台使电涡流线圈与涡流片分开一定距离，
此时输出端有一电压值输出。用示波器接涡流变换器输入端观察电涡流传感器的高频波形，信号频率约为1MHZ。
4． 用测微头带动振动平台使平面线圈贴紧金属涡流片，此时涡流变换器输出F/V
数显表为零。涡流变换器中的振荡电路停振。
5． 旋动测微头使平面线圈离开金属涡流片，每移动0.5mm记录一读数，将V、X
数据填入表中，并用示波器观察变换器的高频振荡波形。直至线性严重变坏为止。
6． 更换另一种涡流片，重复以上步骤。 位 移 X（mm） 电 压 U（V） 位 移 X（mm） 电 压 U（V） 六． 注意事项
当涡流变换器接入电涡流线圈处于工作状态时，接入示波器会影响线圈的阻抗，使变换器的输出电压减小（如果示波器探头阻抗太小，甚至会使变换器电路停振而无输出），或是使传感器在初始状态有一死区。
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实验十 扩散硅压力传感器实验
一．实验目的
1． 了解半导体扩散硅压力传感器的工作原理和使用方法。 2． 掌握半导体扩散硅压力传感器的输出特性和性能指标。 3． 学会使用“U”形管压力计测量压力。
二．实验原理
压阻式扩散硅压力传感器（MPX）是利用单晶硅的压阻效应，并采用集成工艺技术制成的器件。也就是在单晶硅基片上用扩散工艺技术（或离子注入及溅射工艺）制成由四个呈X型的等值电阻构成的应变元件，并进行激光修正和温度补偿。由此制造出的传感器电路线性好，灵敏度高，重复性好。当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。
三．实验所需部件
1. 2. 3. 4.
主、副电源、直流稳压电源。 差动放大器、F／Ｖ数显表。 压阻式差压传感器。
“U”形管、气压皮囊及加压配件。
四．实验任务及步骤
1. 了解所需单元、部件、传感器的符号及在仪器上的位置，观察并分析扩散硅压力
传感器的受压情况。 V+(2V)Vs+压力传感器Vo+-差动放大器+ViF/V数显表V-(2V)Vo-Vs- 图1 压力传感器实验电路
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2. 各旋钮初始位置：
直流稳压电源±2Ｖ档；
Ｆ／Ｖ表切换开关置于2Ｖ档；
差动放大器增益旋钮顺时针旋至最大。
3. 按图1将传感器及电路连接好，注意接线正确，否则易损坏元器件，差动放大器
接成同相或反相均可。
4. 将清洁的自来水小心注入“Ｕ”形管内，直至20cm处（少一点也可以）。
5. 按图2接好传感器供压回路，传感器具有两个气咀、一个高压咀和一个低压咀，
当高压咀接入正压力时（相对于低压咀）输出为正，反之为负。
皮管 压力传感器U形管单向调节阀气压皮囊
图2 压力传感器供压回路
6. 将加压皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝拧松，将“Ｕ”形管直立于观察方便的地方，
尽量保持“Ｕ”形管垂直。
7． 开启主副电源，调整差动放大器零位旋钮，使电压表指示尽可能为零，记下此时
电压表读数。
8． 拧紧皮囊上单向调节阀的锁紧螺丝，轻按加压皮囊（注意：不要用力太大，否则水会从“Ｕ”形管中冲出！），当“Ｕ”形管中的两液柱刻度差≤４cm（0.4KP），且电压表有压力指示时，记下此时的读数。 表1 次数N 压力（Kpa） 电压（mV） 次数N 压力（Kpa） 电压（mV）
1 6 2 7 34
3 8 4 9 5 10 传感器原理及应用实验指导书
9． 每隔4cm刻度差记下输出电压读数，并将数据填入表1。作出压力P与电压输出U
的关系曲线，分析其线性情况，确定线性范围。根据所得结果计算系统灵敏度 Ｓ= △Ｖ／△Ｐ。（注：1Kpa＝10ｃｍ水柱高）
五．注意事项
1. 如在实验中“Ｕ”形管内液面刻度不稳定，应检查加压气体回路是否有漏气现象。气囊上单向调节阀的锁紧螺丝是否拧紧。
2. 如读数误差较大，应检查气管是否有折压现象，造成传感器与“Ｕ”管之间的供
气压力不均匀。
3. 如觉得差动放大器增益不理想，可调整其“增益”旋钮，不过此时应重新调整零
位。调好以后在整个实验过程中不得再改变其位置。 4. 实验完毕必须关闭主、副电源后再拆去实验连接线。（拆去实验连接线时要注意
手要拿住连接线头部拉起，以免拉断实验连接线。）
六．思考
差压传感器是否可用作真空度以及负压测试？
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实验十一 光电器件特性测量（一）
一、
实验目的
1． 了解光敏电阻及工作特性。 2． 了解光敏三极管及工作特性。 3． 了解硅光电池及工作特性。
二、 实验原理
光敏电阻又称为光导管，是一种均质的半导体光电器件，其结构如图1所示。由于半导体在光照的作用下，电导率的变化只限于表面薄层,因此将掺杂的半导体薄膜沉积在绝缘体表面就制成了光敏电阻。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。
光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，结构与普通三极管类似。但它的引出电极通常只有两个，入射光主要被面积做得较大的基区所吸收。光敏三极管集电极接正电压、发射极接负电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏三极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。
光电池的结构如图2所示其实是一个较大面积的半导体PN结，工作原理即是光生伏特效应,当负载接入PN两极后即得到功率输出。
图1 光敏电阻表面结构图PIN硅光电池微安表图2 硅光电池结构三、 实验内容及步骤
1． 测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻
观察光敏电阻的结构，用遮光罩将光敏电阻完全掩盖，用万用表测得的电阻值为暗电阻。移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻。暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能分析并将结果填入表内。
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光敏电阻 RG1 RG2 暗电阻（Ω） 亮电阻（Ω） 光电阻（Ω） 分析结论 2． 光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流测试
按照图3接线，电源E可从+2~+8V间选用，RL选用电位器1～100KΩ，分别在暗光和正常光照环境下测出输出电流和电压。亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。
IRL微安表V0ERG图3 光敏电阻电流测试电路光敏 电阻 RG1 RG2 暗电流（µA） 亮电流（µA） 光电流（µA） 亮电压（V） 暗电压（V） 比较结论
3． 光敏电阻应用
图4是一由光敏电阻构成的暗光灯控电路原理图。在放大电路中，当光照度下降时晶体管T基极电压升高而导通，集电极负载LED流过的电流增大，LED发光，这是一个暗通电路.。
E+R2R1LEDTRGD数显电压表光敏电阻光敏灯控发光二极管IV0I光敏入发光管暗光控制旋钮图4 光敏电阻暗光灯控电路原理图图5 光敏电阻暗光灯控实验接线示意图
（1） 将光敏电阻和发光二极管按图5接入光敏灯控电路。调节控制电位器使其在
自然光下负载发光二极管不亮。
（2） 分别用白纸、带色的纸、书本和遮光板挡住光照，观察灯控电路的亮灯情况。
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其原理与马路灯光控制情况是否相同？
（3） 根据图5暗通电路原理，试设计一个亮通电路。
微安表4． 判断光敏三极管C、E极性 RL 用万用表欧姆20M测试档，测得管阻小的时候红表棒端触脚为C极，黑表棒
V0为E极。
5． 暗电流、光电流测试
ETG按图6接线，稳压电源E用选用+10V档，负载电阻RL阻值选用0～1K，如果光敏器件模板被遮光罩盖住时微安表显
图6 光敏三极管电流测试电路示有电流，这即是光敏三极管的暗电流
（硅光敏三极管暗电流可能要小于10-9A，一般不易测出）。取走遮光罩，即可测得光电流I光，通过实验比较可以看出，光敏三极管具有更高的灵敏度。 6． 伏安特征测试
在图6中，负载电阻RL阻值选用1～100K保持光敏三极管光照强度不变，电源电压E从+4V~+10V变换，记录光敏管ce间的工作电压VT与工作电流记录I，并作出一组V/I曲线并进行分析。 E（V） VT（V） I（µA） 4 6 8 10 结论分析
7． 光敏三极管应用
按图7接线，调节增益使光敏三极管不发光，增加光照观察二极管的发光情况。
E+光敏三极管数显电压表发光二极管光敏三极管RRRLEDT1IV0ITGRT2传感器入发光管增益图7 光敏三极管暗光灯控电路原理图图8 光敏三极管灯控实验接线示意图 38
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8. 光电池短路电流测试
光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在微安表测得暗光条件下光电池的内阻后，应选用相对小得多的负载电阻 (这样所测得的电流近似短路电流)。 硅光电池 ERL（1） 在图9的硅光电池测试电路中，分别调节负
I载电阻RL阻值为5、10、20、30Ω后，打
开光源灯光。
图9 硅光电池测试电路（2） 在不同的距离和角度照射光电池，记录光电
流的变化情况，可以看出，负载电阻越小，光电流与光强的线性关系就越好。 9． 光电池光电特性测试
光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性，其关系曲线见图10。
图10 硅光电池光电特性曲线
（1） 用遮光罩盖住光电器件模板，用数显电压表测得光电池的开路电势。 （2） 取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与距离，即改变光电池接
收的光通量，测量光生开路电动势的变化情况，可以看出它们之间的关系是非线性的。当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。
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实验十二 光电器件特性测量（二）
一、实验目的
1． 了解光敏电阻及工作特性。 2． 了解光敏三极管及工作特性。 3． 了解硅光电池及工作特性。
二、 实验内容
（一）光敏电阻
1. 用数字万用表测量光敏电阻的亮电阻和暗电阻，并计算出光电阻。 2. 观察光敏电阻的结构，按图1接线
数字万用表+2V I+LED电流源I-RGF/V数显表rRW1图1 光敏电阻实验接线图
3. 打开仪器主电源。
4. 将电流源调节旋钮置小位，F/V置2V档，调节RW1电位，使F/V示值最小
慢慢调节电流源旋钮，逐渐增加发光二极管亮度。注意观察数字万用表和F/V表的数字变化。 表1 I(mA) U(V) 40
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5. 每增加0.5mA，记录F/V表的电压值，并将测量结果记录表1 6. 根据数据表格作出实验曲线，并根据曲线进行分析。 （二）硅光电池
1. 观察硅光电池的结构，按图2接线。
数字万用表I+电流源I-图2 硅光电池实验接线图
+LEDEG-F/V数显表
2. 打开仪器主电源。
3. 慢慢调节电流源旋钮，逐渐增加发光二极管亮度。注意观察数字万用表和F/V表
的数字变化。
4. 每增加0.4mA，记录F/V表的电压值，并将测量结果记录表2. 5. 根据数据表格作出实验曲线，并根据曲线进行分析。 表2 I(mA) U(V)
（三）光敏三极管
1. 观察光敏三极管的结构，按图3接线。
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数字万用表+2V I+LEDI-TGVi++差动放大器Vi-VoF/V数显表-
图3 光敏三极管实验接线图
2. 打开仪器主电源。调节差动放大器“增益”旋钮使放大倍数最小，“调零”旋钮使
F/V表输出最小。
3. 慢慢调节电流源旋钮，逐渐增加发光二极管亮度。注意观察数字万用表和F/V表
的数字变化。
4. 每增加0.4mA，记录F/V表的电压值，并将测量结果记录表3. 5. 根据数据表格作出实验曲线，并根据曲线进行分析。 表3 I(mA) U(V)
（四）热释电传感器
1. 热释电传感器是利用热电效应的热电型红外传感器。所谓电效应就是随温度变化
生产电荷的现象。热释电传感器在温度没有变化时不产生信号，称为积分型传感器，多用于人体红外幅射温度检测。热释电传感器的输出是电荷，这并不能使用，要付加电阻，用电压形式输出。但因电阻值非常大（1-100G）要用场效应晶体管进行阻抗变换。该传感器内部已进行阻抗变换。其外形结构和内部电路如图4所示。
2. 观察热释电传感器的外部结构，按图5接线。
3. 直流稳压电源置4V档，将4V引入仪器顶部光电类传感器盒4V端口。差动放大
器增益适中。
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(a) 外形结构
图4 热释电传感器外形结构和内部电路图
热释电+4V 低通滤波器VoVi--差动放大器+VoF/V数显表示波器Vi+
图5 热释电传感器实验电路图
开启主、副电源，注意周围人体尽量不要晃动，调整差动放大器零位，使输出指示最小，并调整好示波器（Y：0.1V/div;X0.1S/div) 5. 观察现象（1）：用手掌在距离约10mm处晃动，注意数显表及示波器的波形的变
化。停止晃动。重新观察数显表及示波器的波形的变化。 6. 观察现象（2）：用手掌靠近传感器晃动，注意数显表及示波器的波形的变化。 7. 通过上述5、6步骤实验可得出如下图6波形。 8. 通过实验验证：热释电传感器的三个工作特性： （1）只检测温度的变化； （2）当温度不变时无输出；
（3）温度（变化）越高输出越大。
4.
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V10cm晃动>10cm晃动t0
图6 热释电传感器实验波形
9. 注意事项：
因传感器灵敏度较高，对周围较远的红外幅射也能接受，数字表有些跳动是正常现象，所以实验时最好不要有人走动。
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实验十三 光纤位移传感器实验测量
一、 实验目地
1. 了解反射式光纤位移传感器的工作特性。 2. 学会用反射式光纤传感器测量位移。
3. 学会用反射式光纤传感器测量振动频率和转速。
二、 实验原理
反射式光纤位移传感器的工作原理如图1所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，在传感系统中，一支为接收光纤，另一支为光源光纤，光纤只起传输信号的作用。当光发射器发生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换器，光电元件将接收到的光信号转换为电信号。其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位置量。当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化；光电变换器输出电量也发生相应的变化，经V／F电路变换，成方波频率信号输出。
接收光纤 输出电压（U）△X 反射体 光源光纤X 图1 反射式光纤位移传感器原理图
位移（X）01234567三、 实验所需部件
1． 光纤、光电转换器和光电变换器
2． 低频振荡器、数显电压表、示波器、函数信号发生/计数器 3． 支架、反射片、测微头、测速电机及转盘
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四、 实验内容
1. 观测反射式光纤位移传感器输出与距离的关系。 2. 用示波器观测振动平台的频率和电机转盘的转速。
五、 实验步骤
1. 观察光纤传感器外形结构：本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤
维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤，振动台上装好测微头。 2. 将操作台的“光纤输出”端Vo接数显电压表，电压表量程旋至20V档。 3. 开启电源，旋动测微头，带动“振动平台”调整到测微螺旋刻度线的10mm处，
调节“光纤探头”端面使其紧贴反射镜面（必要时可稍许调整探头角度），此时Vo输出为最小。
4. 旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.5mm取Vo电压值填入下表。
X(mm) U(V) X(mm) U(V) X(mm) U(V) 5. 振动测量：将测微头移开，振动台处于自由状态，根据V－X曲线选取前坡中
点位置装好光纤探头。将“低频振荡器”输出开关搬向“激振I”，调节激振频率和幅度，使振动台保持适当幅度的振动（以不碰到光纤探头为宜）。 6. 用示波器观察Vo端电压波形并测量其振幅。并用函数信号发生/计数器记录其
频率。
7. 转速测量：将光纤探头转一角度置于测速电机上方，并调整探头高度使其距转
盘面约1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm处为宜。
8. 开启“电机控制”开关，调节转盘转速，测转速时“光纤输出”须先接入“转
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速信号入”端，经整形电路输出，在“转速信号出”端口读取频率信号。用示波器观察输出波形并读出频率。 电机转速＝Fo端方波频率除以2（每周两个方波信号）
六、 实验要求
1. 绘出反射式光纤位移传感器与距离的输出关系曲线，并分析其结果。 2. 测量振动和转速的频率并绘出其波形。
七、 注意事项
1. 光电变换器工作时Vo最大输出电压以2V左右为好，可通过调节“增益”电位
器控制。
2. 实验时请保持反射镜片的洁净与光纤端面的垂直度。 3. 工作时光纤端面不宜长时间直照强光，以免内部电路受损。 4. 注意背景光对实验的影响,光纤勿成锐角曲折。
5. 每台仪器的光电转换器都是与仪器单独调配的，请勿互换使用。
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实验十四 热释电红外传感器特性实验
一、实验目的
1． 了解费涅尔透镜的结构方式。
2． 掌握热释电红外传感器测量方法和特点。
二、实验原理
菲涅尔透镜是一种精密的光学系统,专门是用来与热释电红外传感器配套使用。其结构如图(25)所示。它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠,都相隔一个盲区。当热源在透镜前运动时,顺次从图1 菲涅尔透镜某一单元透镜视场进入又退出，透镜的功能就是将连续的热源信号变成断续的辐射信号,使热释电传感器能正常工作。
热释电红外传感器的具 体结构和内部电路如图(26)所示，主要由滤光片、PZT热电元件、结型场效应管FET及电阻、二极管组成.。其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。本仪器所用的滤光片对5μm以下的光具有高反射率，而对于从人体发
(a) 外形结构出的红外热源则有高穿透性，
图2 热释电红外传感器结构原理图传感器接收到红外能量信号后就有电压信号输出。
三、实验所需部件
1． 热释电红外传感器、慢速电机
2．热释电处理电路、电加热器、电压表、发光二极管
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四、实验内容及步骤
1. 仔细观察菲涅尔透镜结构。
2. 将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上，探头方向对准热源方向，按图3的
图标符号将传感器接入处理电路，接好发光二极管。
3. 开启电源，待电路输出稳定后开启热源，同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热
源透射孔。
4. 随热源温度上升，观察热释电红外传感器的Vo端输出电压变化情况。可以看出传
感器并不因为热源温度上升而有所反应。
热释电红外热释电红外探测DSEDSE低通滤波放大V0数显电压表发光二极管I发光管5.
6.
7.
8.
开启慢速电机，调节转速旋钮，使电机叶片转速尽量慢，不断的将透热孔开启——遮挡。此时用电压表或示波器观察输出电压端Vo就会发现输出电压随热源的变化而变化。当达到告警电压时，则发光管闪亮。
逐步提高电机转速，当电机转速加快，叶片断续热源的频率增高到一定程度时，传感器又会出现无反应的情况，请分析这是什么原因造成的？(可结合热释电红外传感器工作电路原理分析)
将热释电红外传感器的安装方向调整180°面对仪器前实验者，开启电源，待电路稳定后，实验者从探头前经过，移动速度从慢到快，距离从近到远,观察传感器的反应，记录下传感器最大探测距离（目测）。
在探头前装上菲涅尔透镜，重复步骤7，并尝试在探头的不同视场范围进入，记录下装透镜后最大的探测距离和探测角度（目测），加深对菲涅尔透镜作用的了解。
图3 热释电红外传感器实验接线示意图四、注意事项
慢速电机的叶片因为是不平衡形式，加之电机功率较小，所以开始转动时请用手拨动一下。
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实验十五 温度变送器的校验（设计性实验）
一、实验目的
1．学会使用铂电阻分度表校验温度变送器。 2．掌握变送器的零点、量程调整方法。 3．学会检测仪表的灵敏度、精度和重复性。 4．学会绘制偏差曲线并分析测量偏差。
二、实验要求
1．设计出用查分度表的方法校验鉑电阻温度变送器的实验方案。 2．用实验室所给出的仪器设备，设计并绘出相关的检验电路。 3．检查温度变送器的线性度和重复性。 4．确定鉑电阻温度变送器灵敏度和精度。
5．设计数据记录表格，绘制偏差曲线并分析测量结果、得出检验结论。
三、实验仪器及资料
1. 标准电阻箱（阻值范围：0.01～1000Ω，精度0.2％） 2. 鉑电阻分度表（实验指导书中给出）
3. 热电阻温度变送器校验仪（仪器面板如图1所示）
热电阻温度变送器校验仪温度变送器调零点调量程电源开关数字式电流表直流稳压电源电阻1电阻2电阻3变送输出+-+电流输入-+24VDC-图1 热电阻温度变送器校验仪面板图
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四、实验提示
1．“热电阻温度变送器校验仪”是一台组合式是仪器，其中包括：
2. 待测鉑电阻温度变送器。 3. 三位半数显电流表 4. 稳压电源24VDC/0.5A。 使用者可根据需要自己连接线路。
2．标准电阻箱与鉑电阻温度变送器之间是三线制连接法。变送器在仪器面板上的接线端子示意图2所示。
鉑电阻温度变送器电阻1I+电阻2电阻3变送输出I-
图2 铂电阻温度变送器接线端子示意图
3．鉑电阻温度变送器测温范围：0～300℃，变送输出4～20mADC，要求直流电源供电电压24V，两线制接法。
4．校验时首先要先检查变送器的零点和量程，若不对则需要进行零点和量程的调整（注意调节方法），鉑电阻温度变送器的零点和量程位置示意图3所示。
电流表接线端子电阻箱接线端子零点调节端量程调节端安装孔 图3 铂电阻温变模块端子图
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5．三位半数显电流表测量范围：0～22mADC, 输入端已串接一250Ω限流电阻。
五、参考资料
[1] 孙 瑜、张根宝编著《工业自动化仪表与过程控制》，西北工业大学出版社 [2] 王家桢、王俊杰编著《传感器与变送器》，清华大学出版社
[3] 张宝芬、张 毅等编著《自动检测技术与仪表控制系统》，化学工业出版社
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附录 鉑电阻分度表
分度号 Pt100 （℃） 0 80.31 -50 -40 -30 -20 -10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250
3 79.11 83.08 87.04 90.98 94.91 98.83 4 78.72 82.69 86.64 90.59 94.52 98.44 6 77.92 81.89 85.85 89.8 93.73 97.65 7 77.52 81.5 85.46 89.4 93.34 97.26 R0=100.00 Ω 8 77.13 81.1 85.06 89.01 92.95 96.87 9 76.73 80.7 74.67 88.62 92.55 96.48 1 79.91 83.88 87.83 91.77 95.69 99.61 2 79.51 83.48 87.43 91.37 95.3 99.22 5 78.32 82.29 86.25 90.19 94.12 98.04 84.27 88.22 92.16 96.09 100 100 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.13 103.51 103.9 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.4 107.79 108.18 108.57 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.9 111.28 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 113.99 114.38 114.77 115.15 115.54 115.93 116.31 116.7 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01 119.4 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.7 122.09 122.47 122.86 123.24 123.62 124.01 124.39 124.77 125.16 125.54 125.92 126.31 126.69 127.07 127.45 127.84 128.22 128.6 128.98 129.37 129.75 130.13 130.51 130.89 131.27 131.66 132.04 132.42 132.8 133.18 133.56 133.94 134.32 134.7 135.08 135.46 135.84 136.22 136.6 136.98 137.36 137.74 138.12 138.5 138.88 139.26 139.64 140.02 140.39 140.77 141.15 141.53 141.91 142.29 142.66 143.04 143.42 143.8 144.17 144.55 144.93 145.31 145.68 146.06 146.44 146.81 147.19 147.57 147.94 148.32 148.7 149.07 149.45 149.82 150.2 150.57 150.95 151.33 151.7 152.08 152.45 152.83 153.2 153.58 153.95 154.32 154.7 155.03 155.45 155.82 156.19 156.57 156.94 157.31 157.69 158.06 158.43 158.81 159.18 159.55 159.93 160.3 160.67 161.04 161.42 161.79 162.16 162.53 162.9 163.27 163.65 164.02 164.39 164.76 165.13 165.5 165.87 166.24 1666.6 166.98 167.35 167.72 168.09 168.46 168.83 169.2 169.57 169.94 170.31 170.68 171.05 171.42 171.79 172.16 172.53 172.9 173.26 173.63 174 174.37 174.74 175.1 175.47 175.84 176.21 176.57 176.94 177.31 177.68 178.04 178.41 178.78 179.14 179.51 179.88 180.24 180.61 180.97 181.34 181.71 182.07 182.44 182.8 183.17 183.53 183.9 184.26 184.63 184.99 185.36 185.72 186.09 186.45 186.82 187.18 187.54 187.91 188.27 188.63 189 189.36 189.72 190.09 190.45 190.81 191.18 191.54 191.9 192.26 192.36 192.99 193.35 193.71 194.07 194.44 194.8 195.16 195.52 195.88 196.24 196.6 196.96 197.33 53
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