实验二十六  温度传感器及温度控制实验(AD590)

一、实验目的

1、熟悉半导体型温度传感器AD590的基本性能。

2、应用AD590实现对温度的检测和简单控制。

二、实验所用单元

保温盒（内附温度传感器）、温度传感器转换电路板、温度控制电路板、玻璃管水银温度计、直流稳压电源、低压交流电源、数字电压表、位移台架

三、实验原理及电路

1、温度传感器电路如图26-1所示。AD590能把温度信号转变为与绝对温度值成正比的电流信号I₀，比例因子为1μA/K。通过运算放大器实现电流运算，在运算放大器输出端得到与温度成线性关系的电压U_O。

通过调节电位器RP₁和RP₂，可以使U_O在被测温度范围内具有合适数值。例如被测温度范围为0～100℃，则可在0℃时，调节RP₁使U_O为0V；在100℃时，调节RP₂使U_O为5V，这样被测温度每变化1℃对应U_O变化50mV。

图26-1 温度传感器实验原理图

在本实验中，由于0℃和100℃这两个温度不便得到，因此温度/电压的标定采用理论值推算的方法。在0℃下AD590的电流理论值为273.2μA，要使输出电压U_O为0V，则I₀与I₁相等：

那么

100℃下AD590的电流理论值为373.2μA，此时要使U_O为5V，则：

那么

2、如果将转换电路的输出电压连接到加热及温度控制电路中（图24-2）的电压比较器，通过继电器控制保温盒电热元件的通电或断电，这样根据电压比较器调温端的基准电压大小，就能使保温盒内的温度保持在某一数值范围内。

图26-2 加热及温度控制电路图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将内装温度传感器的保温盒置于位移台架上，将水银温度计插入保温盒内，轻靠在温度传感器上。

2、在此实验中，我们用输出电压U_O反映实测温度，用温度计作为校核标准。根据上述理论推算方法，在温度传感器转换电路板上，调整好RP₁和RP₂的阻值。

3、按照图26-1和图26-2接线，将实验箱（台）面板、转换电路板和温度传感器小板上的有关点相连，另外连接E点和Q点，将面板上数字电压表置于20V档，转换电路板上K₂打在B₂（低温）侧。

4、接通电源（加热电源开关K₁断开），经过几分钟，等待电路工作稳定，此时实验系统所测量的温度为室温t。细调RP1使输出电压U_O与室温相对应，其数值的关系为。

5、调节电位器RP₄，使温度给定电压为2V，即表示设定温度为40℃，接通加热电源开关，观察升温过程。

在升温过程中，由于温度计的热惯性比AD590小，因此温度计指示值要慢于U_O的变化。此时转换电路板上的红色指示灯VD₁灭，继电器J断开，传感器小板上的绿色指示灯亮，表示处于加热过程。

当U_O达到2V时，继电器J吸合，断开加热电源，但温度仍会继续稍有上升，然后下降。当UO降到2V左右时，继电器J断开，接通加热电源，温度仍会继续稍有下降，然后上升。经过几次这样的循环，温度变化范围会稳定下来。

如果温度计的平均指示值小于40℃，应适当减小RP₂的阻值，反之则要增加。调整RP₂，使温度计的平均指示值尽量接近40℃。

6、调节RP₄，使给定电压为2.5V，设定温度为50℃，重复上一步骤。

五、实验报告

1、实验内容中所采用的调节方法：先调节室温下的RP₁，再调节40℃下的RP₂，如果不考虑其它因素，这种方法是否是最合适的？为什么？

2、说明本实验中的温度控制原理，这种控制方法有什么优缺点？

实验二十七  K型热电偶的温度控制实验

一、实验目的

了解K型热电偶的特性与应用。

二、实验所用单元

加热室、K型热电偶（温度控制用）、K型热电偶（测量用）、温度控制单位、热电偶、热电阻传感器转换板、数字电压表、万用表（自备）

三、实验原理及电路

当两种不同的金属组成回路，如二个接点处的温度不同，在回路中就会产生热电势，这就是热电效应。温度高的接点称为工作端，置于被测温度场，温度低的接点称为冷端（或自由端），冷端的温度为恒温，一般为室温或补偿后的0℃或25℃。

热电偶实验原理图如图25-1所示。K型热电偶接至差动放大器的输入端，经放大后输出电压由数字电压表显示。

图27-1 K型热电偶温度控制实验原理图

四、实验步骤

1、仔细阅读附录中的“温度控制仪表操作说明”，学会基本参数设定。

2、将温度控制用的热电偶插入加热室的一个传感器安置孔中，热电偶自由端引线插入实验台面板中的标准值输入端，红线为正极。

3、将加热源AC16V输出的两根电源线与加热室面板上的输入相连。

4、将转换电路板E、G两端短接并接地，接通电源，调节RP₃使OUT₂为零，然后断开E、G之间的短接线。

5、按照图27-1进行接线，测量用的K型热电偶放入加热源的另一个插孔中，两根引出线接至电路板上E、G两端，注意引出线带红色套管或红色线的为正极，接至E端，黑色线接至G端。

6、设定温度控制仪的给定值为50℃，接通加热开关，等待温度稳定时，调节Rw₂使数字电压表指示值为K型热电偶50℃下分度值的100倍，以便读数（K型热电偶50℃时的分度值为2.022mV），重新设定温度给定值为52℃，等待温度稳定时记录下数字电压表读数，重复进行以上步骤，温度给定值每次增加2℃，将实验结果记入下表中。

表 27-1

五、实验报告

根据表27-1的实验结果，画出K型热电偶的特性曲线，并计算K型热电偶的非线性误差。

实验二十八  热电偶冷端温度补偿实验 *

一、实验目的

了解热电偶冷（自由）端温度补偿的原理与方法。

二、实验所用单元

热电偶与热电阻传感器转换板、加热室、K型热电偶（温度控制用）、冷端温度补偿器、数字电压表、直流稳压电源。

三、实验原理及电路

根据实验二十七，热电偶是一种温差测量传感器。为直接反映温度的摄氏温度值，需对其自由端进行温度补偿。热电偶冷端补偿的方法有：冰水法、恒温槽法、自动补偿法、电桥法，常用的是电桥法图28-1，它是在热电偶和测温仪表之间接入一个直流电桥，称冷端补偿器，补偿器电桥在0℃时达到平衡（亦有20℃平衡）。当热电偶自由端E、G温度升高时（〉0℃）热电偶回路的电势U_ab下降，由于补偿器中PN结呈负温度系数，其正向压降随温度升高而下降，促使U_ab上升，其值正好补偿热电偶因自由端温度升高而降低的电势，达到补偿目的。

四、实验步骤

1、仔细阅读附录中的“温度控制仪表操作说明”，学会基本参数设定。按实验二十七①、⑥步操作。

2、将冷端温度补偿器0℃上的热电偶K、E插入加热室另一插孔中，在补偿器③、④端加上补偿器电源＋5V，将冷端补偿器的①、②端接入数字电压表，重复实验二十七⑥步的加温过程，记录电压表的数据。

五、实验报告

1、将上述数据与实验二十七中的结果比较，分析补偿前后数据，参照热电偶分度表，计算因补偿后恀使自由温度下降而产生的温差值。

2、上述的温差值代表什么含义？

实验二十九  E型热电偶的温度控制实验

一、实验目的

了解E型热电偶的特性与应用。

二、实验所用单元

加热室、K型热电偶（温度控制用）、E型热电偶（测量用）、温度控制单位、热电偶、热电阻传感器转换板、数字电压表、万用表（自备）

三、实验原理及电路

实验及电路参见实验二十七，本实验测量E型热电偶的特性。

四、实验步骤

按实验二十七的步骤进行操作，将实验结果记入下表中，E型热电偶在50℃时的分度值为3.047mV。

表 29-1

五、实验报告

1、根据表29-1的实验结果，画出E型热电偶的特性曲线，并计算E型热电偶的非线性误差。

2、比较K型热电偶与E型热电偶的特性。

实验三十  铂热电阻的温度控制实验

一、实验目的

了解铂热电阻的特性与应用。

二、实验所用单元

加热室、K型热电偶、Pt₁₀₀热电阻、温度控制单位、热电偶、热电阻传感器转换板、数字电压表、万用表（自备）

三、实验原理及电路

利用导体电阻随温度变化的特性，可以通过测量电路将电阻的变化转换为电压输出，达到测量温度的目的。热电阻用于温度测量时，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呈线性关系。常用的有铂热电阻和铜热电阻，铂热电阻的阻值与温度的关系为：

R_t＝R₀(1＋At＋Bt²)，其中R_t为温度t下的阻值，R₀为0℃下的阻值，铂热电阻一般采用三线连接，其中一端接二根引线主要是为消除引线电阻对测量结果的影响。

铂热电阻实验原理图如图30-1所示。铂热电阻与R₁、R₂、R₄组成直流电桥，经差动放大器放大后输出电压由数字电压表显示。

图30-1 铂热电阻温度控制实验原理图

四、实验步骤

1、按实验二十七的步骤①至③进行操作。

2、按照图30-1进行接线，铂热电阻的三根引线接至R_t输入的A、B两端上：用万用表欧姆档测出铂热电阻三根引线中短接的二根引线，将其接到B端。

3、将转换电路板E、G两端短接并接地，接通电源，调节RP₃使OUT₂为零。

4、将E、G两端按照图30-1接至桥路输出，调节RP₁使电桥平衡，OUT₂为零。

5、设定温度控制仪的给定值为50℃，将铂热电阻插入加热源另一个插孔中，接通加热开关，等待温度稳定时记录下数字电压表读数，重新设定温度给定值为52℃，等待温度稳定时记录下数字电压表读数，重复进行以上步骤，温度给定值每次增加2℃，将实验结果记入下表中。

表 30-1

五、实验报告

1、根据表30-1的实验结果，画出铂热电阻的特性曲线，并计算铂热电阻的非线性误差。

2、在选用热电阻时，需要考虑哪些因素？

实验三十一  铜电阻的温度控制实验

一、实验目的

了解铜热电阻的特性与应用。

二、实验所用单元

加热室、K型热电偶、铜热电阻、温度控制单位、热电偶、热电阻传感器转换板、数字电压表、万用表（自备）

三、实验原理及电路

实验原理及电路图参见实验三十，注意铜热电阻接至桥路的C、D两端。

四、实验步骤

按实验三十的步骤进行操作，将实验结果记入下表中。

表 31-1

五、实验报告

1、根据表31-1的实验结果，画出铜热电阻的特性曲线，并计算铜热电阻的非线性误差。

2、比较铂热电阻与铜热电阻的特性有何不同之处。

实验三十二  磁电式传感器的特性实验

一、实验目的

1、了解磁电式传感器的结构。

2、掌握磁电式传感器的工作原理及应用。

二、实验所用单元

磁电式传感器（在振动台下端）、差动放大器、低频振荡器、振动台、直流稳压电源、示波器。

三、实验原理及电路

磁电式传感器是一种能将非电量的变化转化为感应电动势的传感器，所以也称为感应式传感器。根据磁电感应定律，ω匝线圈中的感应电动势e的大小取决于穿过线圈的磁通φ的变化率：。磁电式传感器由动铁与感应线圈组成，永久磁钢做成的动铁产生恒定磁场，当动铁与线圈相对运动时，线圈与磁场中的磁通交链产生感应电动势。这是一种动态传感器。

本实验中利用低频振荡器产生低频的交流信号，通过振动台上的激振线圈使振动台产生振动，带动磁电式传感器中的动铁运动，低频振荡器原理如图32-1所示。

图32-1 低频振荡器原理图

磁电式传感器产生的感应电动势通过差动放大器后输出到示波器，如图32-2。

图32-2 磁电式传感器实验理图

四、实验步骤

1、将磁电式传感器振动台固定好。

2、将低频振荡器输出接振动台小板上的振荡线圈，磁电式传感器输出接差动放大器，差动放大器输出接示波器。接通电源，调节低频振荡器的振荡频率和振幅以及差动放大器增益，观察输出波形。

3、将振动台小板上的振荡线圈和磁电式传感器接线互换，接通电源观察波形，并与上一步骤的波形进行比较。

实验三十三  磁电式传感器的转速测量实验

一、实验目的

了解磁电式传感器用于测量转速的方法。

二、实验所用单元

磁电式传感器探头、转速传感器、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、差动放大器、光纤位移台架、直流稳压电源、频率与转速表

三、实验原理及电路

旋转体在旋转时对磁电式传感器探头中线圈的磁通率造成明显变化，探头产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。

四、实验步骤

1、固定好光纤位移台架，将磁电式传感器探头装于传感器支架上，将转速传感器放入光纤位移台架的圆孔中，使探头对准电机转盘磁极。

2、将磁电传感器探头的两根输出信号接至差动放大器的输入端，差动放大器输出接至频率与转速表输入端。

3、将频率与转速表切换开关拨到频率档，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象。

实验三十四  磁电式传感器的应用实验 *

磁电式传感器是一种采用绝对测量原理的传感器，因而不用找其它的相对静止点，可以直接放在地面上测量振动。请设计一个简易的装置用来测量车床的振动。

实验三十五  压电加速度式传感器的特性实验

一、实验目的

1、了解压电加速度式传感器的基本结构。

2、掌握压电加速度式传感器的工作原理及应用。

二、实验所用单元

压电加速度式传感器（在振动台上)、压电加速度转换电路板、低频振荡器、振动台、直流稳压电源、数字电压表、示波器

三、实验原理及电路

压电式传感器是一种典型的有源传感器，其中有力敏元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，压电介质表面产生电荷，从而实现非电量的测量。本实验采用的传感器的输出信号与传感器移动的加速度成正比，实验电路框图如图35-1所示。

图35-1 压电式传感器实验原理框图

四、实验步骤

1、将压电加速度式传感器振动台固定好。

2、观察传感器结构，其中包括双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极等，其中惯性质量块在传感器振动时，对陶瓷晶片产生正比于加速度的应变力，压电陶瓷晶片在些应变力的作用于输出正比于加速度的信号。

3、按图35-1接线，并将低频振荡器输出接至振动台小板上的振荡线圈。接通电源，观察输出波形。

4、调节振幅，比较在不同振幅下输出波形峰值的不同情况。

五、实验报告

分析为什么振幅越大，输出波形的峰值也越大？

实验三十六  光纤传感器的位移特性实验

一、实验目的

1、了解光纤位移传感器的基本结构。

2、掌握光纤传感器及其转换电路的工作原理。

光纤位移实验线性

二、实验所用单元

光纤传感器、光纤传感器转换电路板、反射面铁片、位移台架、直流稳压电源、数字电压表

三、实验原理及电路

本实验采用的是导光型多模光纤，它由两束光纤混合成Y型光纤，探头为半圆分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一束端部与光电转换器相接接收光束，两光束混合后的端部是工作端即探头。由光源发出的光通过光纤传到端部射出后再被测体反射回来，由另一束光纤接收光信号经光电转换器转换成电压量，该电压的大小取决于反射面与探头的距离。

光纤传感器转换电路如图36-1所示。

图36-1 光纤传感器转换电路图

四、实验步骤

1、固定好光纤位移台架，将测微器测杆与反射面铁片连接在一起。

2、按照图36-2安装光纤位移传感器，将传感器的插头与转换电路板上的插座相连，并将转换电路板的输出连接至数字电压表上。

图36-2 光纤传感器安装示意图

3、调节测微器，使探头与反射面平板接触。接通电源，调节转换电路板上的RP使数字电压表指示为零，并记录此时的测微器读数。

4、旋转测微器，反射面离开探头，每隔0.1mm读取一次输出电压值，将电压与位移记入下表中，共记10组数据。

表 36-1

五、实验报告

1、根据表36-1中的实验数据，画出光纤位移传感器的位移特性，并求出拟合曲线的方程。

2、本实验中光纤位移实验系统的灵敏度与哪些因素有关？

实验三十七  光纤传感器的振动实验

一、实验目的

了解光纤位移传感器的动态特性。

二、实验所用单元

光纤传感器、光纤传感器转换电路板、低通滤波器、低频振荡器、振动台、直流稳压电源、示波器

三、实验原理及电路

利用光纤位移传感器的位移特性及频率响应特性，配以合适的测量电路即可测量振动。

本实验电路框图如图37-1所示。

图37-1 光纤传感器振动实验电路框图

四、实验步骤

1、按照图37-2安装光纤传感器，本实验中利用振动台的振动梁面作为反射面。

图37-2 光纤传感器振动实验安装示意图

2、根据图37-1连接好各个部分。

3、将低频振荡器增益电位器旋到零，频率电位器旋至6～10Hz左右，接通电源，逐步增大振动幅度，注意不能碰到光纤探头。保持振动幅度不变，改变振动频率，观察输出波形；保持振动频率不变，改变振动幅度，观察输出波形。

五、实验报告

分析光纤传感器测量振动时的应用及特点。

实验三十八  光纤传感器的转速测量实验

一、实验目的

了解光纤位移传感器用于测量转速的方法。

二、实验所用单元

光纤传感器、光纤传感器转换电路板、电机（光电传感器中）、电机调速装备（光电传感器转换电路中）、光纤位移台架、直流稳压电源、数字电压表

三、实验原理及电路

利用光纤位移传感器探头对旋转体反射光的明显变化产生脉冲信号，经电路处理即可测量转速。

四、实验步骤

1、固定好光纤位移台架，将光纤传感器装于传感器支架上，将电机放入位移台架的圆孔中，使光纤探头对准电机转盘反射点。

2、将各部分的连线连接好，数字电压表切换开关拨到20V档。

3、接通电源，将电机调速电位器旋至0，使电机不转动，①用手转动电机转盘，使探头避开反射面，调节光纤转换电路板上的RP电位器使数字电压表指示值最小；②再转动转盘，使光纤探头对准反射点，调节探头与反射点的距离，使数字电压表指示值最大，重复①②步骤，直至两者的电压差值最大。

4、数字电压表切换开关拨到频率档，调节电机调速旋钮，使电机转动，观察实验现象。

五、实验报告

测量转时转盘上反射点的多少是否对测速精度有影响？为什么？

实验三十九  压阻式压力传感器的特性实验

一、实验目的

1、了解扩散硅压阻式传感器测量压力的方法。

2、掌握扩散硅压阻式传感器及其转换电路的工作原理。

二、实验所用单元

压阻式压力传感器、压阻式压力传感器转换电路板、橡皮气囊、储气箱、三通连接导管、压力表、位移台架、直流稳压电源、数字电压表

三、实验原理及电路

扩散硅式压阻式压力传感器，在单晶硅的基片扩散出P型或N型电阻条，接成电桥。在压力作用下根据半导体的压阻效应，基片产生应力，电阻条的电阻率产生变化，引起电阻的变化，将这一变化引入测量电路，通过输出电压可以测量出其所受的压力大小。测量电路图39-1所示，其中RP₁用于调节放大倍数，RP₂用于调节零点。

图39-1 压力传感器实验电路图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将压力传感器放在台架的圆孔中。

2、将压力传感器上的插头连接至转换电路板上的插座。转换电路板的输出连接至数字电压表。

3、按照图39-2连接管路。

图39-2 压力传感器实验系统示意图

4、打开橡皮囊上的单向阀，接通电源，调节转换电路板上的RP₂使输出电压为零。

5、拧紧单向阀，轻按加压皮囊，注意不要用力过大，使压力表显示30Kpa，调节RP₁使输出电压为3V。

6、重复步骤4和步骤5，使得压力为0时输出电压为0V，压力为30Kpa时，输出电压为3V。

7、拧紧单向阀，开始加压，每上升2Kpa读取输出电压，并记入下表中。

表 39-1

五、实验报告

1、根据表39-1的实验数据，画出压力传感器的特性曲线，并计算精度与非线性误差。

2、如果测量真空度，需要对本实验装置进行怎样的改进？

实验四十 压阻式压力传感器的差压测量实验 *

一、实验目的

了解利用压阻式压力传感器进行差压测量的方法。

二、实验所用单元

同实验三十九

三、实验原理

实验三十九中所采用的压力传感器有两个压力输入端，储气箱中的气体压力作用到传感器中硅膜片的一侧，另一侧所受的压力为大气压力。如果另一侧也输入可调节的气压，则可以进行差压测量。

四、实验内容

请参照实验三十九自行设计一个测量差压的装置，并进行说明。

实验四十一  超声波传感器的位移特性实验

一、实验目的

1、了解超声波在介质中的传播特性。

2、了解超声波传感器测量距离的原理与结构。

3、掌握超声波传感器及其转换电路的工作原理。

二、实验所用单元

超声波发射探头、超声波接收传感器、超声波传感器转换电路板、反射挡板、直流稳压电源、数字电压表

三、实验原理及电路

超声波传感器由发射探头与接收传感器及相应的测量电路组成。超声波是在听觉阈值以外的声波，其频率范围在20KHz至60KHz之间，超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波、纵波和表面波。本实验以空气为介质，用纵波测量距离。发射探头发出40KHz的超声波，在空气中传播速度为344m/s，当超声波在空气中碰到不同介面时会产生一个反射波和折射波，其中反射由接收传感器输入测量电路，测量电路可以计算机超声波从发射到接收之间的时间差，从而得到传感器与反射面的距离。

本实验原理图如图41-1所示。

图41-1 超声波传感器实验原理图

四、实验步骤

1、按照图41-1连线。

2、在距离超声波传感器20～750px（0～500px左右为超声波测量盲区）处放置反射挡板，接通电源，调节发射探头与接收传感器间的距离（约10～375px）与角度，使得在改变挡板位置时输出电压能够变化。

3、平行移动反射挡板，每次增加125px，读取输出电压，记入下表中。

表 41-1

五、实验报告

1、根据表41-1的实验数据画出超声波传感器的特性曲线，并计算机其灵敏度。

2、本实验中的超声波传感器的特性是否是线性的？为什么？其线性度受到什么因素的影响？

实验四十二  超声波传感器的应用实验 *

超声波传感器是一种非接触式的位移传感器，非常适用于距离报警的设备。请设计一个汽车的倒车雷达装置，并进行说明。

实验四十三  气敏传感器的原理实验

一、实验目的

1、了解气敏传感器的基本结构。

2、掌握气敏传感器的工作原理及其应用。

二、实验所用单元

气敏传感器、位移台架、直流稳压电源、数字电压表、酒精棉花球（自备）

三、实验原理及电路

气敏元件及传感器种类很多，其测量对象有氧、氢、氮、一氧化碳、二氧化碳、丁烷、甲烷、乙醇等，不同的测量对象有不同的原理。本实验采用的是适用于测量乙醇浓度的气敏传感器，实验电路如图42-1所示。

气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成，气敏元件固定在不锈钢制成的腔体内。它有6个针状管脚，其中4个并联成AB两端用于输出信号，另两个r管脚用于提供加热电流。

图43-1 气敏传感器实验原理图

四、实验步骤

1、固定好位移台架，将气敏传感器置于位移台架上。

2、按图43-1接线，并适当调节差动放大器的增益与零点。

3、接通电源，预热5分钟，观察电压表数值（一般在0-1V左右）。

4、将浸有酒精的棉花球放入气敏腔，观察电压表的读数。

实验四十四  湿敏传感器的原理实验

一、实验目的

1、了解湿敏电容传感器的基本结构与工作原理。

2、掌握湿敏电容传感器放大电路的工作原理以及调试方法。

3、能够绘制湿敏电容传感器输出电压与空气相对湿度的曲线。

二、实验所用单元

湿敏传感器、湿敏传感器转换电路板、主实验平台、数字电压表、湿度计（可以选用）。

三、实验原理及电路

1、电容式湿度敏感器的结构

这类湿敏传感器有两种结构：第一种是用一定厚度（如25μm）的高分子材料薄膜片，在其上下两面上，制成多孔金电极，然后将其夹持在两个弹性夹之间，并装在外壳之中；第二种结构见图44-1所示，它是在绝缘衬底上制作条形或梳状对金属电极（Au电极），在其上图敷一层均匀的高分子感湿薄膜作电介质。然后，在感湿薄膜上制作多孔浮置电极（20～50 nm的Au蒸发膜）而将两个电容器串联起来，焊上引线制成传感器。

2、电容式湿敏传感器的工作原理

这种湿度传感器是以其高分子材料的介电常数随环境的相对湿度而改变的原理制成的。

当传感器处于环境中，其水分子透过网状金电极被下面的高分子感湿膜吸附，膜中多余水分子通过上电极释放出来，使感湿吸水量与环境的相对湿度迅速达到平衡。当含水量以水分子形式被吸附在介质膜中时，介质的总的介电常数可用以下方程表示：

     式中ξ1、ξ2分别是高分子材料和水的介电常数；Ц1 是高分子膜中吸收的水所占的容积比。Ц2 随环境中的水蒸气分压而变化，因而也随环境的相对湿度（RH）而变化，这种函数关系可用下面的半经验公式来表示：

     式中——温度 T0 时薄膜中吸收的水所占的最大容积比；R ——气体普适常数；T ——热力学温度；α——温度系数；E ——吸湿自由能；n ——由试验决定的经验因子。

当两个数都接近于1，上式可近似简化为：

    将上式代入中，注意到是一个小于1的数，因此可以忽略的高次项，可得到下列近似线性关系：

其中 S 为电极面积， d 为介质膜厚。，存在线性关系。

2、电容式湿敏传感器的测量电路

图44-3所示为电容——电压转换电路。图中LM556为双时基电路，用它可以组成各种波形的脉冲振荡器。其中LM556左边的IC₁组成多谐振荡器。它产生一定占空比的方波，其振荡周期，它从5脚输出的方波接入LM556的8脚，与右边的电路组成脉冲触发式单稳态电路，它的暂稳态时间，Cx（湿敏电容）电容量越大，td2 越长，输出电压的占空比越大。9脚输出的脉冲电压接入有源低通滤波器中，其输出的电压与LM556的9脚输入的脉冲电压的占空比有关，经过LM324运放进行信号的调节，驱动指示灯进行湿度大小的显示。测量电路中，Cx 信号处理电路的湿度传感器输出电压与相对湿度有很好的线性关系。

四、实验步骤

1、连接主机与实验模块电源线；注意观察湿敏电容探头，将湿敏电容传感器与实验模块连接起来；电压表接转换电路输出端V₀；示波器接入K1测试点（示波器的另外一端共地）。

2、打开主机电源，调节模块调零电位器，记录湿敏电容受潮之前的输出电压，并观察示波器的波形图。如果实验室没有现成的湿度计进行比照，则此实验只能是验证性的实验。

3、增加传感器附近的空气湿度（用嘴对传感器吹气），观察指示灯变化情况。等待时间，继续观察指示灯变化情况。

4、记录湿敏传感器输出的波形占空比、K2测试点电压、K4测试点电压与指示灯点亮个数。

五、实验报告

1、记录湿敏传感器输出的波形占空比、K2测试点电压、K4测试点电压与指示灯点亮个数之间的关系。

2、绘出K4测试点电压值与相对湿度曲线，并计算精度与非线性误差。

3、传感器切勿浸入水中，也不要将水直接触及元件的感湿部分。  

实验四十五  热释电红外传感器实验

一、实验目的

1、了解热释电红外传感器的性能、结构与工作原理。

2、掌握热释电红外传感器信号调理电路以及调试方法。

3、了解热释电红外传感器的应用场合。

二、实验所用单元

热释电红外传感器、热释电红外传感器实验电路板、主实验平台、示波器、数字电压表。

三、实验原理及电路

1、热释电红外传感器的结构与工作原理

热释电红外传感器是利用热电效应的热电型红外传感器。所谓热电效应就是某些材料随温度变化产生电荷的现象。热释电红外传感器在温度没有变化时不产生信号，称为积分型传感器，多用于人体温度检测和动态测温。

热释电红外传感器输出的是电荷，不能直接使用，需要通过变换电路，用电压形式输出。但因热释电元件阻值非常大（1GB～100GB），要用场效应

晶体管进行阻抗变换。该传感器内部已经进行阻抗变换。

图45-1和图45-2分别为热释电红外传感器的结构图和原理图。制作这种传感器时，在垂直于极化轴的方向上把具有热释电效应的晶体切成薄片，再研磨成5～50的极薄片，在电极两侧蒸镀一层薄膜，电极中间是热释电材料，晶体本身能很好的吸收从红外到毫米波段的电磁波，必要时也用黑化以后的晶体。

2、热释电红外传感器的实验电路

 热释电红外传感器由于随温度的变化而发生自身的极化，在A产生电压信号，该信号为低频的交流信号（频率范围为0.1~10Hz 左右）。A点信号，经过负载R2和耦合电容C2,滤除一部分直流成分，再由TL082双运放构成的有源低通滤波器，使频率范围为0.1~10Hz 左右的有用信号通过，抑制高频信号和低频干扰信号，并进行适当的放大。C点电压与Rw滑动变阻器分压经过电压比较器LM393进行比较，输出比较结果Vo，经过R14上拉电阻和驱动电路使LED发光。若C点电压高于LM393的参考电压，则输出Vo为低电平，三极管截止，LED灯灭；否则，输出Vo为高电平，三极管导通，LED灯亮。

因此只要检测对象的相对位置（或红外光强度）发生变化时，LED灯将发生闪烁。电路的灵敏度可由取样电阻Rw的滑动端的电压值来决定，该电压越靠近C点的静态电压（无报警状态），则灵敏度越高。具体原理图如图45-3所示。

四、实验步骤

1、观察传感器探头，探头表面的滤光片使传感器对10μm左右的红外光敏感，可以安装在传感器前的菲涅耳透镜是一种特殊的透镜组，每个透镜单元都有一个不大的视场，相邻的两个透镜单元既不连续也不重叠，都相隔一个盲区，它的作用是将透镜前运动的发热体发出的红外光转变成一个又一个断续的红外信号，使传感器能正常工作。

2、连接主机与实验模块电源线及传感器接口，转换电路输出端接示波器和电压表。

3、开启主机电源，待传感器稳定后，人体从传感器探头前移过，观察输出信号波形和电压变化，同时观测指示灯是否闪烁。再用手放在探头前不动，输出信号不会变化，这说明热释电传感器的特点是只有当外界的幅射引起传感器本身的温度变化时才会输出电信号，即热释电红外传感器只对变化的温度信号敏感，这一特性就决定了它的应用范围。

4、测量热释电红外传感器最大感应范围。

5、在传感器探头前加装菲涅耳透镜，测量热释电传感器的探测视场和距离，以验证菲涅透镜的功能。

五、实验报告

1、说明热释电红外传感器的探测视场和距离。

2、说明菲涅透镜的功能和用途。

3、思考热释电红外传感器的用途。

实验四十六  硅光电池的特性测试实验

一、实验目的

1、掌握硅光电池的光电特性，即短路电流和开路电压与照度的关系以及它们的伏安特性,温度特性和光谱响应特性。

2、掌握硅光电池信号调理电路以及调试方法。

二、实验所用单元

光电池、光电池实验模块、电流表、主实验平台、示波器、数字电压表、照度计、不同频率的光源。

三、实验原理及电路

硅光电池在原理结构上与光电二极管相似，其区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低，约为0.1Ωcm ～0.01Ωcm，而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为1000Ωcm，光电池光敏面从0.1Ωcm ～10Ωcm 不等，光敏面积大则接收辐射能量多，输出光电流大。

硅光电池是在N型硅片渗入P型杂质形成的一个大面积的PN结，它可以将光能直接变成电能。当光照射到PN结附近时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则每吸收一个光子能量，将产生一个电子－空穴对，光照越强，产生的电子－空穴对越多。P区的多数载流子空穴和N区的多数载流子电子，由于内电

场的作用不能渡越阻挡层。可是P区的光生电子可以在内电场的作用下进入N区,N区的光生空穴可以在内电场的作用下进入P区，这样光生的电子-空穴对便被分离开来，光生电子在N区集结，使N区带上负电，光生空穴在P区集结，使P区带上正电，这样以来，P区和N区之间就形成了光生电动势，把PN结两端用导线连接起来，电路中便产生了电流。如图46-1所示。图46-2为硅光电池信号调理电路原理图。

四、实验步骤

1、观察硅光电池器件，并将硅光电池接入电路。参考图46-2电路原理图连接电路，将示波器或者电压表接入V₀端，检查引入电源的电压值与极性的正确性，然后通上电源。

2、调节光强（使用照度计）为0、250、500、750、1000、1250，记下电压表的读数，并将数据填入表46-1中。

表46-1  光强与输出电压的关系

3、观察光强与电压指示灯之间的对应关系。

4、一定的光强下，使用不同频率的光照射光电池，测量输出电压与波长λ的关系，并将测量数据填入表46-2。

表46-2  波长与输出电压的关系

注意事项：

为使实验更直观，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，试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。

五、实验报告

1、根据光强与电压的测量数据作出照度－电压曲线，并分析曲线的意义。

2、作出λ－V响应曲线，并分析曲线的意义。

3、分析测量系统误差来源。

实验四十七  气体流量的测定实验 *

一、实验目的

了解气体流量的测定方法。

二、实验所用单元

流量计、数字气压计、主实验平台、数字电压表。

三、实验原理及电路

浮子流量计是以浮子在垂直锥形管中随着流量变化而升降，改变它们之间的流通面积来进行测量的体积流量仪表，又称转子流量计。浮子流量计的流量检测元件是由一根自下向上扩大的垂直锥形管和一个沿着锥管轴上下移动的浮子组所组成。工作原理如图47-1所示，被测流体从下向上经过锥管1和浮子2形成的环隙3时，浮子上下端产生差压形成浮子上升的力，当浮子所受上升力大于浸在流体中浮子重量时，浮子便上升，环隙面积随之增大，环隙处流体流速立即下降，浮子上下端差压降低，作用于浮子的上升力亦随着减少，直到上升力等于浸在流体中浮子重量时，浮子便稳定在某一高度。浮子在锥管中高度和通过的流量有对应关系。

体积流量Q的基本方程式为：

当浮子为非实芯中空结构（放负重调整量）时，则：

式中 ：

α——仪表的流量系数，因浮子形状而异；

ε——被测流体为气体时气体膨胀系数，通常由于此系数校正量很小而被忽略，且通过校验已将它包括在流量系数内，如为液体则ε=1；

△F——流通环形面积，m²；

g——当地重力加速度，m/s²；

V_f——浮子体积，如有延伸体亦应包括，m³；

ρ_f——浮子材料密度，kg/m³；

ρ——被测流体密度，如为气体是在浮子上游横截面上的密度，kg/m³；

F_f——浮子工作直径（最大直径）处的横截面积，m²；

G_f——浮子质量，kg。

流通环形面积与浮子高度之间的关系如：

当结构设计已定，则d、 β为常量。式中有h的二次项，一般不能忽略此非线性关系，只有在圆锥角很小时，才可视为近似线性。
式中 ：

d——浮子最大直径（即工作直径），m；

h——浮子从锥管内径等于浮子最大直径处上升高度，m；

β——锥管的圆锥角；

a、b——常数。

四、实验步骤

1、观察浮子流量计基本结构。

2、开启压力源开关，让气泵工作。

3、缓慢开启流量计下端调节阀门，让转子停留在玻璃板中间位置，读取示值。

4、在不调节阀门的情况下，记录不同压力值时，流量计的读数，填入表47-1中。

表47-1  当阀门一定时，压力与流量记录表 

5、示值修正，根据读取示值合查取有关手册进行修正。现在做简要说明：流量计实际测量时读取的流量计示值，并不是被测液体的真实值，必须对示值按实际的流体状态进行修正。对于本实验被测气体为干燥气体，若流量计上读取示值为：，浮子的材料为：Cr₁₈NiTi在流量计入口处测得温度为10℃，绝对压力，此时流经流量计的流量计算如下：从有关手册中查的干空气在标准状态时，密度，压缩系数，在10℃ 时的压缩系数，根据被测气体为干气体时的示值修正公式：

Ts , Tn 为流量计出入口处的温度值，在此 Ts ＝ Tn 。式中 Pn 为标定介质在标准状态下绝对压力，则得。可见示值与实际值相差较大。所以在不同的环境条件下，要修正示值。

五、实验报告

1、说明流量计示值与真实值之间不同的原因，了解其修正方法。

2、画出不同压力条件下，流量的大小曲线。

实验四十八    移相器实验

一、实验目的

了解运算放大器构成的移相器电路原理及工作情况，为交流电桥实验做准备。

二、实验原理及电路

图48-1 相敏检波器的电路原理

A₁与C₁、R₂组成有源微分网络，A₂与R_W1、C₂组成有源积分网络，当①端输入天弦交流信号μ_m时，A₁输出一超前μ_m相位信号，A2输出一滞后μ_m相位的信号，通过调节R_W1可使输出信号与输入信号相位发生变化。

三、实验所用单元

移相/检波/低通模块、音频振荡器、双线（双踪）示波器。

四、实验步骤

1、了解移相器的电路原理。

图48-2

2、如图48-2接线，将音频振荡器的信号引入移相器的输入端（音频信号从0°、180°插入输出均可）音频振荡器频率置5KHz，幅度置V_P-P=5V。

3、将示波器的两根线分别接到移相器的输入和输出端，调整示波器，观察示波器的波形。

4、调节移相器上的电位器，观察两个波形间相位的变化。

5、改变音频振荡器的频率，观察不同频率时的最大移相范围。

五、问题

1、根据电路原理图，分析本移相器的工作原理，并解释所观察到的现象。

2、如果将双踪示波器改为单踪示波器，两路信号分别从Y轴和X轴送入，根据李沙育图形是否可完成此实验?

六、注意事项

本仪器中的音频信号是由函数发生器产生的，所以通过移相器后波形局部有些畸变，这不是仪器故障，不影响实验效果。

正确选择示波器中的“触发”形式，以保证双踪示波器能看到波形的变化。

实验四十九  相敏检波器实验

一、实验目的

了解相敏检波器的原理和工作情况，为交流全桥实验做准备。

二、实验原理及电路

相敏检波电路如图48-1。①输入信呈端，②为交流参考电压输入端，①为输出端，④为直流参考电太输入，⑤、⑥为信号监测端。

图49-1 相敏检波器的电路原理

当②或④端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用使场效应晶体管处于开关状态。从而把①端输入的正弦信号转揿与控制信号有关的检波信号。

所需单元和部件：相敏检波器、移相器、音频振荡器、双踪示波器、直流稳压电源、低通滤波器。

四、实验步骤

1、了解相敏检波器的电路原理。

2、根据图49-2的电路接一，将音频振荡器的信号0°输出端输出至相敏检波器输入端①，把直流稳压电源+2V输出接至相敏检波器的参考输入端④把示波器两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③组成一个测量线路。

3、调整好示波器，开启主控箱电源，音频振动器频率置4KHz，调整音频振荡器的幅度旋钮，使示波器显示电压V_P-P=4V，观察输入和输出波形的相应幅度值关系。

4、改变参考电压的极性－2V，观察输入和输出波形的相位和幅值关系。由此可得出结论，当参考电压为正时，输入和输出同相，当参考电压为负时，输入和输出相反。

5、关闭电源，根据图49-3重新接线，将将频振荡器信号从0°输出端接至相敏检波器的输入端①，并同时接入相敏检波器的参考输入端②，把示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③，将相敏检波器输出端③同时与低通滤波器的输入端连接起来，将低通滤波器的输出端与上流电压表连接起来，组成一个测量线路（电压表置20V档）。

6、开启主控箱电源，音频振荡器频率置4KHz，调整音频振荡器的输出幅度V_P-P，同时记录电压表的读数V₀，填入表49-1。

图49-3

表49-1

用示波器比较：相敏检波器①、③端的波形，分析当输入信号①与参考信号②同相时为什么会产生上面的波形。

7、关闭电源，根据图49-4的电路重新接线，将音频振荡器的信号从0°端输出至相敏检波器的输入端①，180°端输出接至移相器的输入端，把移相器输出端接至相敏检波器的参输入端②，把不波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和输出端③同时与低通滤波器输入端连接起来，将低通滤波器输出端与直流电压表连接卢来，组成一测量线路。

8、开启电源，转动移相器上的移相电位器，比较示波器的两个通道的显示波形及电压表的读数V₀。

9、调整音频振荡器的输出幅度V_P-P，同时记录电压表的记数V₀,填入表49-2。

表49-2

10、分析一下，当相敏检波器的输入信号与参端信号相位不同时，为什么会产生上面的波形。

五、思考

    1、根据实验结果，可以知道相敏检波器的作用是什么？移相器在实验线路中的作用是什么？

2、在完成第⑥步骤后，将示波器的两根输入线分别接至相敏检波器的输入端①和附加观察端⑤和⑥，分别观察⑥、⑤端波形来回答相敏检波器中的整形电路是起什么作用？信号相位如何？

3、电压表的读数什么时候达到最大值。