实验报告
姓 名： 学 号： 院 系：仪器科学与工程学院 专 业： 测控技术与仪器 实 验 室： 机械楼5楼 同组人员： 评定成绩： 审阅教师：
传感器第一次实验
实验一 金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
一、实验目的
了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。
二、基本原理
电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。
金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压 Uo1EK/4，其中K为应变灵敏系数，L/L为电阻丝长度相对变化。
三、实验器材
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤
1. 根据接线示意图安装接线。 2. 放大器输出调零。 3. 电桥调零。
4. 应变片单臂电桥实验。
测得数据如下，并且使用Matlab的cftool工具箱画出实验点的线性拟合曲线：
重量（g） 电压（mv） 拟合值（mv） |△mx| 0 0 20 1.1 40 2.1 60 3.1 80 4.2 100 5.3 120 6.4 140 7.5 160 8.5 180 9.6 9.60 0 200 10.7 10.67 0.03 -0.03 1.04 2.10 3.18 4.25 5.32 6.39 7.46 8.53 0.03 0.06 0 0.08 0.05 0.02 0.01 0.04 0.03 由matlab拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。 系统灵敏度
五、思考题
(即直线斜率)，非线性误差= =
单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。
答：（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则（2）负（受压）
应变片。
实验三 金属箔式应变片——全桥性能实验
一、实验目的
了解全桥测量电路的优点
二、基本原理
全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值R1=R2=R3=R4、其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压Uo3EK。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差都得到了改善。
三、实验器材
主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。
四、实验步骤
1.根据接线示意图安装接线。 2.放大器输出调零。 3.电桥调零。 4.应变片全桥实验
数据记录如下表所示，并且使用Matlab的cftool工具箱画出实验点的线性拟合曲线：
重量（g） 电压（mv） 拟合值（mv） |△mx| 0 0 20 5 40 9 60 13 80 18 100 22 120 27 140 31 160 36 180 40 200 45 0.045 4.51 8.97 13.44 17.90 22.37 26.83 31.29 35.76 40.22 44.69 0.045 0.49 0.03 0.44 0.10 0.37 0.17 0.29 0.24 0.22 0.31 由matlab拟合结果得到，其相关系数为0.9995，比上个实验中的单臂电桥线性度差，跟理论存在误差。
系统灵敏度
，
可见全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍可以看出，但非线性度却高于单臂电桥。
按照实验结果，对于灵敏度的测量时符合理论值的，但是非线性误差是有误的，分析其原因可能是测量过程中的仪器调节、读数误差、以及仪器本身存在的问题。我们在做实验的过程中，仪器存在一定问题，总是很难调节或者得到稳定的数据，不够精准。
五、思考题
V/Kg (即直线斜率)，非线性误差δ= =
1.测量中，当两组对边电阻值R相同时，即R1=R3，R2=R4，而R1≠R2时，是否可以组成全桥：（1）可以；（2）不可以。 答：（2）不可以。因为电桥平衡的条件为：R1
R3=R2
R4。
2.某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图2-8，能否如何利用四组应变片组成电桥，是否需要外加电阻。
图2-8 受拉力时应变式传感器圆周面展开图
答：能够利用它们组成电桥。
（a）图中 4个应变片对称分布于测试棒上，检测试件横向拉力，如果已知试件泊松比则可知试件纵向应变。任意选取两个电阻接入电桥的对边，输出为两倍的横向应变，并选取外加电阻使电桥平衡；
（b）图中R3、R4应变片检测试件纵向拉力，R1、R2检测横向拉力，可以选取R3、R4接入电桥对边，输出为两倍的纵向应变。需要接入与应变片阻值相等的电阻组成电桥。
3.金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较 基本原理如图2-9（a）、（b）、（c）。
比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，根据实验结果和理论分析，阐述原因，得出相应的结论。
注意：比较实验中，（a）、（b）、（c）放大电路的放大器增益必须相同。 （a）单臂 （b）半桥 （c）全桥
图2-9 应变电桥
① 单臂 U0 ＝ U1－U3
＝〔(R1＋△R1)/(R1＋△R1＋R2)－R4/(R3＋R4)〕E
＝〔（1＋△R1/R1）/（1＋△R1/R1＋R2/R2）－（R4/R3）/（1＋R4/R3）〕E
设R1＝R2＝R3＝R4，且△R1/R1<<1。 U0≈(1/4)(△R1/R1)E
所以电桥的电压灵敏度：S＝U0/(△R1/R1)≈kE＝(1/4)E ② 半桥
U0≈(1/2)(△R1/R1)E S＝(1/2)E ③ 全桥 U0≈(△R1/R1)E S＝E
答：由以上可以看出，在灵敏度方面全桥的灵敏度最高，半桥次之，单臂最差，非线性度，单臂的非线性度最高即线性度最差，全桥的线性度最好 线性度：单臂>单桥>全桥 理论上： 灵敏度： 单臂 S 非线性度：单臂EE ，半桥 S ，全桥 SE。 42K100%，半桥 0，全桥 0。 2K如前所述，由于外界因素，导致我们的非线性误差的计算存在很大偏差，但是就根据理论分析来看，全桥利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。
全桥利用差动技术，能有效地提高灵敏度、降低非线性误差、有效地补偿温度误差。
4、金属箔式应变片的温度影响
电阻应变片的温度影响主要有两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅的
线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致而产生附加应变。当温度变化时，即使被测体受力状态不变，输出也会有变化。
① 按照全桥性能实验步骤，将200g砝码放在砝码盘上，在数显表上读取数值Uo1。
② 将主机箱中直流稳压电源＋5V、地（⊥）接于实验模板的加热器＋6V、地（⊥）插孔上，数分钟后待数显表电压显示基本稳定后，记下读数Uot 。
（Uot-U01）即为温度变化的影响。 温度变化产生的相对误差： ② 如何消除金属箔式应变片温度影响？ 答：可以采用温度自补偿法或者桥路补偿法。
实验五 差动变压器的性能实验
一、实验目的
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理
差动变压器由一只初级线圈和二只次级线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有两段式和三段式，本实验采用三段式。
当被测物体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化。将两只次级反向串接，引出差动电势输出。其输出电势反映出被测物体的移动量。
三、实验器材
主机箱、差动变压器、差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、万用表、导线等。
四、实验步骤
1.按照接线图连接线路。
2.差动变压器L1的激励电压从主机箱中的音频振荡器的Lv端引入，音频振荡器的频率为4~5KHz，本次实验选取4561Hz，输出峰峰值为2V。
3.松开测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使变压器次级输出的Vp-p较小。然后拧紧螺钉，仔细调节测微头的微分筒使变压器的次级输出Vp-p为最小值（零点残余电压，约为0.035v），定义为位移的相对零点。
4.从零点开始旋动测微头的微分筒，每隔0.2mm（微分筒转过20格）从示波器上读出示波器的输出电压Vp-p，记入表格中。一个方向结束后，退到零点反方向做相同的实验。
5.根据测得数据画出Vop-p —X曲线，做出位移为±1mm、±3mm时的灵敏度和非线性误差。 数据表格如下：
X(mm) V(mv) 拟合值(mv) |△mx| X(mm) V(mv) 拟合值(mv) |△mx| 0 16 15.33 0.67 0 16 14.11 1.89 0.2 45 45.53 0.53 -0.2 38 41.89 3.89 0.4 74 75.73 1.73 -0.4 71 69.67 1.33 0.6 103 105.93 2.93 -0.6 98 97.45 0.55 0.8 138 136.13 1.87 -0.8 127 125.23 1.77 1 172 166.33 5.67 -1 150 153.01 3.01 1.2 196 196.53 0.53 -1.2 181 180.79 0.21 1.4 225 226.73 1.73 -1.4 210 208.57 1.43 1.6 257 256.93 0.07 -1.6 237 236.35 0.65 1.8 286 287.13 1.13 -1.8 263 264.13 1.13 实验曲线如下：
从图可以看出，数据基本呈线性，关于x=0对称的，在零点时存在一个零点误差，即零点残余电压，在15mv左右。 位移为1mm时， 灵敏度为151V/m，非线性度δ= 位移为-1mm时，灵敏度为138.9V/m，非线性度δ=
==
；
由上式得到的非线性度可知，差动式变压器输出的非线性较好。
五、思考题
1.用差动变压器测量，振动频率的上限受什么影响？
答：受导线的驱肤效应和铁损等的影响，若频率过大超过某一数值时（该值视铁心材料而定）将会导致灵敏度下降。
2.试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？ 答：相同点：都利用了电磁感应原理。
不同点：一般变压器为闭合磁路，初、次级间的互感为常数；
差动变压器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。
传感器第二次实验
实验九 电容式传感器的位移实验
一、实验目的
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理
利用电容C＝εA／d的关系式，通过相应的结构和测量电路，可以选择ε、A、d三个参数中保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，就可以组成测介质的性质（ε变）、测位移（d变）和测距离、液位（A变）等多种电容传感器。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，如图3-6所示：由二个圆筒和一个圆柱组成。
设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2 ｘ／ln(R／r)。 图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生 X位移时，电容量的变化量为 C=C1－C2=ε2 2 X／ln(R／r)，式中ε2 、ln(R／r)为常数，说明 C与位移 X成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图3-6 电容式位移传感器结构
三、实验器材
主机箱、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头。 四、实验步骤
图3-7 电容传感器位移实验原理图
1、按图3-8将电容传感器装于电容传感器实验模板上，实验模板的输出Ｖo1接主机箱电压表的Ｖin。
2、将实验模板上的Rw调节到中间位置（方法：逆时针转到底再顺时传３圈）。
3、将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到2v档，合上主机箱电源开关； 旋转测微头改变电容传感器的动极板位置使电压表显示0v ，再转动测微头（向同一个方向）5圈，记录此时测微头读数和电压表显示值，此点为实验起点值；
此后，反方向每转动测微头1圈即△x=0.5mm位移读取电压表读数，共转10圈读取相应的电压表读数（单行程位移方向做实验可以消除测微头的回差）； 将数据填入表3-7并作出x-v实验曲线。 X(mm) V(mv) 16.741 -316 -287 16.241 -248 -230 15.741 -188 -174 15.241 -120 -118 14.741 -60 -61 14.241 -10 -5 13.741 57 51 13.241 119 107 12.741 178 163 12.241 236 220 拟合值(mv) |△mx| X(mm) V(mv) 29 11.741 293 276 18 11.241 350 332 14 10.741 408 389 2 10.241 461 445 1 9.741 514 501 5 9.241 565 557 6 8.741 618 614 12 8.241 665 670 15 7.741 693 726 16 7.241 740 783 拟合值(mv) |△mx| 17 18 19 16 13 8 4 15 33 37 表3-7 电容传感器位移与输出电压值 实验曲线7006005004003002001000-100-200-300789101112x1314151617y 4、根据表3-7数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差 V/m δ= =； 五、思考题 试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构？能否叙述一下在设计中应考虑 哪些因素？ 答：原理：测谷物的湿度时，稻谷的含水率不同，介电常数也不同，可确定谷物含水率，当电容的A与d为恒定值，C=f()中发生变化。 结构：传感器为上下两个极板，谷物从传感器之间穿过。??
考虑因素：感应器是否与谷物接触的充分、谷物是否均匀的从传感器之间
穿过以及直板传感器的边缘效应。
实验十一 压电式传感器振动测量实验
一、实验目的
了解压电传感器的测量振动原理和方法。
二、基本原理
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。工作时传感器感受与试件相同的振动频率，质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上，由于压电效应，压电晶体上产生正比于运动速度的表面电荷。
三、实验器材
主机箱、差动变压器实验模板、振动源、示波器。
四、实验步骤
1、按照连线图将压电传感器安装在振动台上，振动源的低频输入接主机箱的低频振荡器，其它连线按照图示接线。
2、合上主机箱电源开关，调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动，观察低通滤波器输出波形。
3、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入和输出波形；在振动台正常振动时用手指敲击振动台，同时观察输出波形的变化。 4、改变振动源的频率，观察输出波形的变化。
低频振荡器的幅度旋钮固定至最大，调节频率，用频率表监测，用示波器读出峰峰值填入表格。
f(Hz) V(p-p) 5 0.179 7 0.572 12 1.087 15 0.794 17 0.687 20 0.586 25 0.472 实验曲线：
五、思考题
根据实验结果，可以知道振动台的自然频率大致是多少？传感器输出波形的相位差大致为多少？
答：根据实验曲线可知，振动台的自然频率大约为11Hz。
T=106ms
一、实验目的
实验十二 电涡流传感器位移实验
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理
通过交变电流的线圈产生交变磁场，当金属体处于交变磁场时，根据电磁感应原理，金属体内产生电流，该电流在金属体内自行闭合，并呈旋涡状，故称为涡流。
涡流的大小与金属体的电阻率、导磁率、厚度、线圈激磁电流频率及线圈与金属表面的距离x等参数有关。
电涡流的产生必然要消耗一部分磁场能量，从而改变激磁线圈阻抗，涡流传感器就是基于这种涡流效应制成的。电涡流工作在非接触状态，当线圈与金属体表面的距离x以外的所有参数一定时可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、测微头、被测体（铁圆片）。
四、实验步骤
1、观察传感器结构，根据示意图安装测微头、被测体、电涡流传感器并接线。 2、调节测微头使被测体与传感器端部接触，将电压表显示选择开关切换到20V档，检查接线无误后开启主机箱电源开关，记下电压表读数，然后每隔0.1mm读一个数，直到输出几乎不变为止。将数据填入下表：
X(mm) V(v) X(mm) V(v) X(mm) V(v) X(mm) V(v) 13.605 0 14.505 0.48 15.405 1.56 16.305 2.72 13.705 13.805 13.905 0 0.58 1.68 2.86 0 0.69 1.79 3.00 0 0.79 1.91 3.12 14.605 14.705 14.805 15.505 15.605 15.705 14.005 0.01 14.905 0.90 15.805 2.05 3.28 14.105 0.09 15.005 0.99 15.905 2.18 3.43 14.205 14.305 14.405 0.18 1.20 2.39 3.58 0.28 1.30 2.44 3.72 0.38 1.43 2.57 3.86 15.105 15.205 15.305 16.005 16.105 16.205 16.905 17.005 17.105 16.405 16.505 16.605 16.705 16.805 X(mm) V(v) X(mm) V(v) X(mm) V(v) X(mm) V(v) X(mm) V(v) 17.205 4.01 18.105 5.32 19.005 6.54 19.905 7.59 20.805 8.44 17.305 17.405 17.505 4.14 5.46 6.66 7.70 4.32 5.58 6.78 7.79 4.43 5.71 6.91 7.88 18.205 18.305 18.405 19.105 19.205 19.305 20.005 20.105 20.205 20.905 21.005 21.105 8.53 8.59 8.59 17.605 4.59 18.505 5.88 19.405 7.03 20.305 7.96 21.205 8.59 17.705 4.74 18.605 6.0 19.505 7.14 20.405 8.02 17.805 17.905 18.005 4.89 6.12 7.26 8.18 5.05 6.27 7.33 8.21 5.15 6.42 7.44 8.25 18.705 18.805 18.905 19.605 19.705 19.805 20.505 20.605 20.705 3、画出V-X曲线，根据曲线找出线性区域及正、负位移测量时的最佳工作点（即曲线线性段的中点）。试计算测量范围为1mm与3mm时的灵敏度和非线性度（可以用端点法或其他拟合直线）。
[使用8最佳工作点 6v42014151617x18192021
测量范围1mm：
灵敏度：
V/m
非线性度：
δ=
=
yFs=1.41 所以
；
测量范围3mm：
灵敏度：
V/m
非线性度：
δ=
五、思考题
=
yFs=4.15
；
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关，如果需要测量±5mm的量程应如何设计传感器？
答：电涡流传感器的量程就是传感器的线性范围，它受到线圈半径。被测体的性质及形状和厚度等因素影响。
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时，如何根据量程使用选用传感器？ 答：所测量的位移在所选的传感器量程范围内。
传感器第三次实验
实验十五 直流激励时线性霍尔传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解霍尔式传感器原理与应用。
二、基本原理
根据霍尔效应，霍尔电势UHKHIB，当霍尔元件处在梯度中运动时，它的电势会发生变化，利用这一性质可以进行位移测量。
三、实验器材
主机箱、霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头。
四、实验步骤
图5-1 霍尔传感器（直流激励）实验原理图
1、按图5-2示意图接线（实验模板的输出Vo1接主机箱电压表的Vin），将主机箱上的电压表量程（显示选择）开关打到2v档。
2、检查接线无误后，开启电源，调节测微头使霍尔片处在两磁钢的中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。
3、向某个方向调节测微头2mm位移，记录电压表读数作为实验起始点；
再反方向调节测微头，每增加0.2mm记下一个读数（建议做4mm位移），将读数填入表5-1。 表5-1
X(mm) V(mV) X(mm) V(mV) X(mm) 0 -1617 1.6 1011 3.2 0.2 -1308 1.8 1362 3.4 0.4 -975 2.0 1755 3.6 0.6 -664 2.2 2110 3.8 0.8 -337 2.4 2540 4.0 1.0 -6 2.6 2920 4.2 1.2 309 2.8 3330 1.4 684 3.0 3790 V(mV) 4180 4670 5050 5360 5660 5910 作出V－X曲线，计算不同测量范围时的灵敏度和非线性误差。 实验完毕，关闭电源。 灵敏度：
V7277mV,X4mm 所以 非线性度：
Vm207mV yFs5983.8 所以
五、思考题
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？ 答：反映的是磁场的变化。
实验十七 霍尔转速传感器测量电机转速实验
一、实验目的
了解霍尔转速传感器的应用。
二、基本原理
利用霍尔效应表达式：UH＝KH·IB，当被测圆盘上装上N只磁性体时，圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化，输出电势通
过放大、整形和计数电路计数就可以测量被测物体的转速。
三、实验器材
主机箱、霍尔转速传感器、转动源。
四、实验步骤
1、根据图5-5将霍尔转速传感器安装于霍尔架上，传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。
图5-5 霍尔转
速传感器实验安装、接线示意图
2、在接线以前，先合上主机箱电源开关，将主机箱中的转速调节电源2~24v旋钮调到最小（逆时针方向转到底），接入电压表（显示选择打到20v档），监测大约为１.25v；
关闭主机箱电源，将霍尔转速传感器、转动电源按图5-5所示分别接到主机箱的相应电源和频率/转速表（转速档）的Fin上。
3、合上主机箱电源开关，在小于12v范围内（电压表监测）调节主机箱的转速调节电源（调节电压改变电机电枢电压），观察电机转动及转速表的显示情况。 4、从2v开始记录，每增加1v相应电机转速的数据（待电机转速比较稳定后读取数据）。
表5-3
电压（v） 转速 电压（v） 转速 2 380 7 1520 3 600 8 1740 4 840 9 1980 5 1060 10 2200 6 1290 11 2420 画出电机的V~n（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。 实验完毕，关闭电源。
五、思考题
1、利用霍尔元件测转速，在测量上是否有限制？ 答：有。霍尔元件不能用来测磁体的转速。 2、本实验装置上用了六只磁钢，能否用一只磁钢？ 答：可以，但是分辨率会降低，使实验结果不准确。
实验十八 磁电式转速传感器测电机转速
一、实验目的
了解磁电式测量转速的原理。
二、基本原理
基于电磁感应原理，N
ddt匝线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中感应电势：
eN发生变化，因此当转盘上嵌入N个磁棒时，每转一周线圈感应电势产生N次的变化，通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。
三、实验器材
主机箱、磁电式传感器、转动源。
四、实验步骤
磁电式转速传感器测速实验除了传感器不用接电源外，其它完全与实验十七相同。
图5-6 磁电转速传感器实验安装、接线示意图
按图5-6接线，实验十七中的实验步骤做实验。 实验完毕，关闭电源。
画出电机的V~n（电机电枢电压与电机转速的关系）特性曲线。 实验完毕，关闭电源。 表5-4
电压（v） 转速 电压（v） 转速 2 390 7 1510 3 630 8 1710 4 820 9 1900 5 1060 10 2040 6 1270 11 2270 画出电机v~n特性曲线：
五、思考题
为什么磁电式转速传感器不能测很低速的转动，能说明理由么？
答：磁电式转速传感器是利用旋转体改变磁路，使磁通量发生变化，从而使其线圈产生感应电压，如果转速很慢，旋转体改变磁路也很慢，磁通量的变化也很慢，感应电压就会很小，就无法正确地测定转速。
传感器第四次实验
实验二十七 发光二极管（光源）的照度标定实验
一、 实验目的
了解发光二极管的工作原理；作出工作电流与光照度的对应关系及工作电压与光照度的对应关系曲线，为以后实验做好准备。 二、 基本原理
半导体发光二极管筒称 LED。它是由Ⅲ－Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般二极管的正向导通及反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它
还具有发光特性。
其发光原理如图7-1所示，当加上正向激励电压或电流时，在外电场作用下，在 P－N 结附近产生导带电子和价带空穴，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在 P 区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，再与空穴复合，每次释放的能量不大，以热能的形式辐射出来。
发光的复量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN 结面数μm 以内产生。发光二极管的发光颜色由制作二极管的半导体化合物决定。本实验使用纯白高亮发光二极管。
图7-1 发光二极管的工作原理
三、 实验器材
主机箱（0~20mA 可调恒流源、电流表、0~24V 可调电压源，照度表），照度计探头，发光二极管，光筒。 四、 实验步骤
1、按图7-2配置接线，接线注意＋、－极性。 2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
3、调节主机箱中的恒流源电流大小（电流表量程 20mA 档），即改变发光二管的工作电流大小就可改变光源的光照度值。拔去发光二极管的其中一根连线头，则光照度为 0（如果恒流源的起始电流不为 0，要得到 0 照度只有断开光源的一根线）。
按表7-1进行标定实验（调节恒流源），得到照度~电流对应值。 4、关闭主机箱电源，再按图7-3配置接线，接线注意＋、－极性。
5、合上主机箱电源，调节主机箱中的 0~24V 可调电压（电压表量程 20V 档）就可改变光源（发光二极管）的光照度值。
按表7-1进行标定实验（调节电压源），得到照度~电压对应值。 6、根据表7-1画出发光二极管的电流~照度、电压~照度特性曲线。
表7-1 发光二极管的电流、电压与照度的对应关系
照度（Lx） 2 10 0 2.56 120 0.61 2.94 220 1.12 3.25 20 0.13 2.60 130 0.66 2.97 230 1.17 3.28 30 0.17 2.64 140 0.71 3 240 1.22 3.31 40 0.22 2.68 150 0.76 3.04 250 1.28 3.34 50 0.27 2.72 160 0.81 3.07 260 1.33 3.38 60 0.32 2.75 170 0.86 3.1 270 1.38 3.40 70 0.37 2.78 180 0.91 3.13 280 1.43 3.44 80 0.42 2.82 190 0.97 3.17 290 1.49 3.47 90 0.47 2.85 200 1.01 3.20 300 1.54 3.50 100 0.51 2.88 电流0 （mA） 电压（V） 照度（Lx） 0 110 电流0.56 （mA） 电压（V） 照度（Lx） 2.91 210 电流1.07 （mA） 电压（V） 3.22 6、根据表7-1画出发光二极管的电流~照度、电压~照度特性曲线。
发光二极管的电流-照度图（纵坐标电流A，横坐标照度Lx） 发光二极管的电压-照度图（横坐标照度，纵坐标电压）
由图可知，发光二极管的电压和电流必须达到一定值后，二极管才发光。这是由于正向电压必须达到二极管正向导通电压，二极管才能开始工作，才能发光。
实验二十八 光敏电阻特性实验
一、实验目的
了解光敏电阻的光照特性和伏安特性。 二、基本原理
在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。
光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强，器件自身的电阻愈小。 基于这种效应的光电器件称光敏电阻。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。实验原理图如图7-4。
图7-4 光敏电阻实验原理图
三、实验器材
主机箱（0~20mv可调恒流源、电流表、0~24V可调电压源、照度表），照度计探头，发光二极管，遮光筒。 四、实验步骤
1、亮电阻和暗电阻的测量
（1）将光敏电阻和电流表串联，两端并联电压表（内接法），电压表正极接一上拉电阻至VCC。光敏电阻接受一个发光二级管的光照，中间有一个遮光筒。调节发光二级光的供电电压，查表7-1，使光照度为100Lx。
（2）10s左右读取光敏电阻电流值，作为亮电流I亮。
（3）缓慢调节二极管供电电压减到0V，10s左右读取电流值，作为暗电流I
暗
。
（4）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100Lx）： I亮=1.67mA，U亮=10V， R亮=U/I=6kΩ I暗=0mA，U暗=10V， R暗=U/I=∞
2、光照特性测量
光敏电阻的两端电压为定值时，光敏电阻的光电流随光照强度的变化而变化，它们之间的关系是非线性的。
调节不同光照度，做出光电流与光照度的曲线图。
表7-2 光照特性实验数据
光照度0 （Lx） 光电流 0 10 0.32 20 0.48 30 0.61 40 0.73 50 0.87 60 0.95 70 1.04 80 1.13 90 1.21 100 1.28 图7-3光敏电阻光电流-光照度曲线
由图可知光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜做线性检测元件，但是在自控系统中用作开关元件。 3、伏安特性的测量
光敏电阻在一定光照强度下，光电流随外加电压的变化而变化。
测量时，光照强度为定值下，光敏电阻输入6档电压，测得光敏电阻上的电流值如表7-3，在同一坐标图中做出不同照度的三条伏安特性曲线。
表7-3 光敏电阻伏安特性实验数据
光敏电阻 电压（V） 10 电流（mA）照度 Lx 50 电流（mA 100 电流（mA 0 0 0 0 2 0.06 0.16 0.24 4 0.12 0.32 0.49 6 0.19 0.49 0.74 8 0.26 0.68 1.00 10 0.32 0.85 1.27 图7-4 光敏电阻伏安特性
由图可知，光敏电阻的伏安特性是呈线性的；光照越强，伏安特性曲线斜率越大，说明电阻阻值越小。 五、思考
为什么测光电阻亮阻和暗阻要经过10s后才读数？这是光敏电阻的缺点，只能应用于什么状态？
答：当光照强度发生变化时,材料的电阻率也会发生改变,从而电阻阻值也发生改变。该种改变需要时间，当光线突然改变，阻值不稳定，经过10秒后阻值基本稳定，便可以读数，以获得稳定的输出读数。
光敏电阻只能应用于自动控制系统中的开关作用。
实验三十一 硅光电池实验
一、实验目的
了解光电池的光照、光谱特性，熟悉其应用。 二、基本原理
光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的P-N结的光电池器件。当光照射到光电池的P-N结上时，便在P-N结两端产生电动势。这种现象叫做“光生伏特效应”，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。 三、实验器材
主机箱、安装架、光电器件实验（一）模板、滤色片、普通光源、滤色镜、照度计探头、照度计模板探头、硅光电池。
四、实验步骤
光电池在不同照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就是光照特性。实验时，为了得到光电池的开路电压Voc和短路电流Is，不要同时接入电压表和电流表，要错时接入来测量数据。 （1）光电池的开路电压实验
按图7-7安装接线，发光二极管的输入电流由实验二十七光照度对应的电流值确定，读取电压表Voc的测量值填入表7-4中。
表7-4 光电池的开路电压实验数据
照度（lx） Voc（mv） 0 0 10 300 20 330 30 340 40 350 50 350 60 360 70 360 80 370 90 370 100 370 （2）光电池的短路电流实验
1、 按图7-8接线，发光二极管的输入电压由实验二十七光照度对应的电压值确定，读取电压表Is的测量值填入表7-5中。
表7-5 光电池的短路电流实验数据
照度（lx） Is（mA） 0 0 10 0.6 20 0.7 30 1.0 40 1.3 50 1.7 60 2.0 70 2.3 80 2.7 90 3.0 100 3.3 2、根据表7-4、表7-5的实验数据做出特性曲线图。
光电池的开路电压特性曲线图
由图可知，随着照度的增加，光电池的开路电压与光照度之间呈非线性关系，电压增大速度变缓，有趋于饱和的趋势。
光电池的短路电流特性曲线图
实验三十二 光纤传感器的位移特性实验
一、实验目的
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理
本实验采用的是传光型光纤，它由两束光纤混合后，组成Y型光纤，半圆分布即双D分布，一束光纤端部与光源相接发射光束，另一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亦称探头，它与被测体相距X，由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来，另一束光纤接收挂光信号由光电转换器转换成电量，而光电转换器的电量大小与间距X有关，因此可用于测量位移。
三、实验器材
主机箱、光纤传感器、光纤传感器实验模板、测微头、反射面。
四、实验步骤
1、根据图7-9示意安装光纤传感器和测微头，两束光纤分别插入实验模板上的光电座中。接好其他接线。
2、检查接线无误后，合上主机箱电源开关。
调节测微头，使光反射面与Y型光纤头接触；再调节实验模板上的Rw电位器，使电压表显示0V。
3、旋转测微头，被测体离开探头，每隔0.1mm读取电压表显示值，将数据填入表7-6中。根据表中数据画出实验曲线，计算1mm测量范围时的灵敏度和非线性误差。
表7-6 光纤位移传感器输出电压与位移数据
X(mm) 0 V(v) 拟合值(v) |△mx| 0 0.1 0.01 0.2 0.10 0.11 0.01 0.3 0.19 0.19 0 0.4 0.27 0.28 0.01 0.5 0.35 0.36 0.01 0.6 0.44 0.45 0.01 0.7 0.54 0.53 0.01 0.8 0.60 0.61 0.01 0.9 0.70 0.70 0 1.0 0.80 0.78 0.02 -0.05 0.03 0.05 0.02 图7-7 光纤传感器输出电压-位移曲线
系统灵敏度非线性误差=
=
(即直线斜率)
可以看出实验得到的线性度并不好，存在误差，可能是实验仪器本身存在误
差也有可能是实验过程中的不规范操作导致。
五、思考题
光纤位移传感器测量位移时对被测体表面有些什么要求？
答：被测体表面要尽量光滑，这样对光有较好的反射性，且被测面最好与光纤头平行，以免移动过程中造成额外误差，被测面与光纤头之间在初始位置处避免挤压。
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