传感器实验

实验一硅光电池实验目的：了解硅光电池的原理结构、性能。实验原理：在光照作用下，由于元件内部产生的势垒作用，在结合部使光激发的电子-空穴分离，电子与空穴分别向相反方向移动而产生电势的现象，称为光伏效应。硅光电池就是利用这一效应制成的光电探测器件。所需单元及元件：硅光电池、直流稳压电源、数字电压表。实验步骤：（1）按图43接线图43（2）电压表置2V档，直流稳压电源±4V档。（3）将+4V接入仪器顶部光敏类传感器盒+4V端口（4）将光强调节旋钮关至最小。记录下此时电压表读数，这是外界自然光对硅光电池的影响。（5）慢慢调节光强旋钮，发光二极管亮度增加，注意观察电压表数字变化。（6）电位器每旋转20°记录一个数据。光强12345678910输出根据数据表格，作出实验曲线：实验二光敏电阻实验目的：了解光敏电阻的工作原理结构、性能。实验原理：入射光子使物质的导电率发生变化的现象，称为光电导效应。硫化镉（Cds)光敏电阻就是利用光电导效应的光电探测器的典型元件。根据制造方法，其光敏面大至可分为单结晶型、烧结型、蒸空镀膜型。其结构如图44A所示，就是将（Cds)粉末烧结于陶瓷基片上，并在基本上作蛇型电极。通过这样的方法，可增加电极和光敏面的结合部分的长度，从而可以得到大电流。另外，其封装也有种种方法，可根据其可靠性和价格来进行分类。所需单元及元件：光敏电阻、直流稳压电源、电桥平衡网络中W1电位器、F/V表。实验步骤：（1）按图44B接线（2）将直流稳压电源±4V接入仪器顶部光敏类传感器盒±4V端口。（3）将光强调节旋钮置小位，F/V置2V档，调节W1电位使F/V示值最小。（4）慢慢调节光强旋钮，发光二极管亮度增加，注意观察F/V数字变化。（5）电位器每旋转约20°记录一个数据。光强12345678910输出根据数据表格，作出实验曲线：注意事项：（1）因外界光对光敏元件也会产生影响，实验时应尽量避免的外界光干扰。（2）如果实验数据不稳，应检查周围是否有人员走、物体移动产生影响所造成的。实验三金属箔式应变片性能一单臂电桥一、实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。二、实验原理：本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的电源的原理和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时，；当二个应变片组成差动状态工作，则有；用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4=R，。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。三、所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、F/V表、主电源。四、旋钮初始位置：直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。五、实验步骤：1、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表各贴二片受力应变片。2、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主电源。3、根据图1接线。R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4=Rx为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。开启主电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，等待数分分钟后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。4、在传感器上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S=V/W，并作出V-W关系曲线，V为电压变化率，W为相应的重量变化率。重量（）电压（）gmV注意事项：（1）电桥上端虚线所示的四个电阻实际上并不存在，仅作为一标记，让学生组桥容易。（2）为确保实验过程中输出指示不溢出，可先将砝码加至最大重量，如指示溢出，适当减小差动放大增益，此时差动放大器不必重调零。（3）做此实验时应将低频振荡器的幅度关至最小，以减小其对直流电桥的影响。（4）电位器W1、W2，在有的型号仪器中标为Rw1、Rw2。问题：（1）本实验电路对直流稳压电源和对放大器有何要求？（2）根据所给的差动放大器电路原理图（见附表一），分析其工作原理，说明它既能作差动放大，又可作同相或反相放大器。实验四金属箔式应变片单臂、半桥、全桥比较一、实验目的1、验证单臂、半桥、全桥的性能。2、比较单臂、半桥、全桥的性能和相互之间关系。二、实验原理箔式应变片及直流电桥的工作原理如下：应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻也随之发生相应的变化，通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，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ΔR1/R1、ΔR2/R2、ΔR3/R3、ΔR4/R4，当使用一个应变片时,∑R=ΔR/R；当二个应变片组成差动状态工作，则有∑R=2ΔR/R；用四个应变片组成二个差对工作，且R1=R2=R3=R4=R，∑R=4ΔR/R。由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。根据戴维定理可以得出测试单臂电桥的输出电压近似等于V=1/4.E.∑R，因电桥电压灵敏度Ku=V/∑R，于是对应单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E.。由此可知，当E和电阻相对变化ΔR/R一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。三、实验仪器材料1、直流稳压电源1台2、差动放大器1个3、电桥、F/V表各1个4、双孔悬臂梁称重传感器（应变片）4个5、砝码（20g）若干6、主、副电源各1个四、实验步骤1、将有关旋钮设置初始位置：直流稳压电源打到±2V档，F/V表打到2V档，差动放大器增益打到最大。2、了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表各贴二片受力应变片。3、将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（+）、负（-）、地短接。将差动放大器的输出端与F/V表的输入插口Vi相连；开启主电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F/V表显示为零，关闭主电源。4、根据图1接线，R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻；R4=Rx为应变片。将稳压电源的切换开关置±4V档，F/V表置20V档。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F/V表显示为零，等待数分钟后将F/V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F/V表显示为零。5、在传感器托盘上放上一只砝码，记下此时的电压数值，然后每增加一只砝码记下一个数值并将这些数值填入下表。根据所得结果计算系统灵敏度S=△V/△W，并作出V-W关系曲线,△V为电压变化率,△W为相应的重量变化率。重量（）电压（）gmV6、保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节电桥W1使F/V表显示为零，重复4、过程同样测得读数，填入下表：重量（）电压（）gmV7、保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出。接成一个直流全桥，调节测微头使梁到水平位置，调节电桥W1同样使F/V表显示零。重复4、过程将读出数据填入下表：重量（）电压（）gmV8、在同一座标上描出X-Y曲线，比较三种接法的灵敏度。五、实验注意事项1、在更换应变片时应将电源关闭。2、在实验过程中如有发现电压表发生过载，应将电压量程扩大。3、在本实验中只能将放大器接成差动形式，否则系统不能正常工作。4、直流稳压电源±4V不能打的过大，以免损坏应变片或造成严重自热效应。5、接全桥时请注意区别各应变片的工作状态方向。六、思考题1、金属箔式应变片电压灵敏度与哪些因素有关？2、电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小有关吗？为什么？实验五相敏检波器实验实验目的：了解相敏检波器的原理和工作情况。实验原理：相敏检波电路如图（6A）（及所附原理图）所示，图中为①输入信号端，③为输出端，②为交流参考电压输入端，⑤为直流参考电压输入。当②⑤端输入控制电压信号时，通过开环放大器的作用场效应晶体管处于开关状态。从而把①输入的正弦信号转换成半波整流信号。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、F/V表、主、副电源。有关旋钮的初始位置：F/V表置20K档。音频振荡器频率为4KHz,幅度置最小（逆时针到底），直流稳压电湖输出置于±2V档，主、副电源关闭。实验步骤：（1）了解相敏检波器和低通滤波器在实验仪面板上符号。（2）根据图6A的电路接线，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⑤,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。图6A（3）调整好示波器，开启主、副电源，调整音频振荡器的幅度旋钮，示波器输出电压为峰峰值4V，观察输入和输出波形的相位和幅度值关系。（4）改变参考电压的极性，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）关闭主、副电源，根据图6B重新接线，将音频振荡器的信号从0°输出至相敏检波器的输入端①，并同时按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直流电压表连接起来，组成一个测量线路。（此时，F/V有表置于20V档）。（6）开启主、副电源，调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表。图6B单位：VVip-p0.51234816Vo（7）关闭主、副电源，根据图6C的电路重新接线，将音频振荡器的信号从00端输出至相敏检波器的输入端①，将从1800输出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起来，组成一测量线路。图6C（8）开启主、副电源，转动移相器上的移相电位器，观察示波器的显示波形及电压表的读数，使得输出最大。（9）调整音频振荡器的输出幅度，同时记录电压表的读数，填入下表。单位：VVVp-p0.51234816o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？（即参考端输入波形相位的作用）(2)在完成第五步骤后，将示波器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⑥和⑦，观察波形来回答相敏检波器中的整形电路是将什么波转换成什么波，相位如何？起什么作用？(3)当相敏检波器的输入与开关信号同相时，输出是什么极性的什么波，电压表的读数是什么极性的最大值。实验六移相器实验实验目的：了解运算放大器构成的移相电路和的原理及工作情况实验原理：图5为移相电路示意图由移相器原理图可求得该电路的闭环增益G（s）2221121212112222112541212212122222212122212122222222211152254412111211522544111121)(10)1)(1(4)1)(1()(1)(11)(1)(11)(