物理实验:实验传感器及虚拟仪器技术

传感器及虚拟仪器技术

引言

物理量的测量离不开仪器和测试手段.大学物理实验中主要是通过对长度、时间（频率）、质量、温度、电压等直接测量量的获得，去推测其它物理量的值，比如：光波长、声速、扬氏模量、霍尔系数、热导率、核质比等，了解各种物理现象，比如：光生伏特、磁共振、半导体热电效应、巨磁电阻现象、超导转变等．而现代的传感技术和电路技术使物理量的测量更加便捷、准确．因此，传感器知识和智能化测量处理数据方法的学习是大学物理实验中一项重要内容．虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用．虚拟仪器技术的优势是性能高、扩展性强、开发时间少、无缝集成.

以下是几个具体实验．

一、测量非线性元件的伏安特性

实验目的

1．学习测量非线性元件的伏安特性，针对所给各种非线性元件的特点，选择一定的实验方法，选用配套的实验仪器，测绘出它们的伏安特性曲线；

2．学习从实验曲线获取有关信息的方法。

实验原理

满足欧姆定律U=RI的电阻，若加在其两端的电压U 与通过电阻的电流I 成线性关系，这种电阻叫线性电阻。但是很多器件的电压与电流不满足线性关系，这种电阻叫非线性电阻。非线性元件的阻值用微分电阻表示，定义为

R =

dU

（1） dI

它表示电压随电流的变化率，又叫动态电阻或特性电阻。这个定义是电阻的普遍定义。

非线性电阻伏安特性总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光、能级跃迁等。江崎玲於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的遂穿现象而获得1973年的诺贝尔物理学奖。

电阻性元件的特性可用其端电压U 与通过它的电流I 之间的函数关系来表示，这种U 与I 的关系称为电阻的伏安关系。如果将这种关系表示在U-I 平面上，则称为伏安特性曲线。

要测量各非线性元件的伏安特性曲线，一定要了解各非线性元件的特性，才能选择正确的实验方法，合适的监测电路，得出正确的实验结论。常用的非线性元件有：检波二极管、整流二极管、稳压二极管和发伏安特性曲线，这些二极管都具有单向导电作用，伏安特性曲线如图1所示。

1．检波和整流二极管

检波二极管和整流二极管都工作在1、4象限。第1象限区又称为正向工作区。当所加的电压较低时，流通的电流很小，继续增加电压时，电流急剧上升。这个转折点对应的电压称为二极管的开启电压，它与所用的半导体材料的禁带宽度有关。在常温下，一般为0.2~0.7V。第4象限区又称为反向工作区，其特点是加一个相当高的电压时，电流会突然增大，导致损坏，这种现象称为击穿。检波二极管和整流二极管工作范围不能超过击穿区，它们的差别在于容允许通过电流的大小和使用频率范围的高低不同。

2．稳压二极管

稳压二极管工作在第4象限，且工作在击穿区。其特点是反向击穿具有可逆性，反向击穿后，稳压二极管两端的电压保持恒定，这个电压叫稳压二极管的工作电压。去掉反向电压，稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而损坏。

3．发光二极管

发光二极管由半导体发光材料制成，工作在第1象限。要发光的波长与材料的禁带宽度E 对应。根据量子力学原理E =eV =h υ可知，对于可见光，开启电压V 约在2~3V。当加在发光二极管两端的电压小于开启电压时，发光二极管不会发光，也没有电流流过。电压一旦超过开启电压，电流急剧上升，二极管处于导通状态并发光，此时电流与电压呈线性关系，直线与电压坐标的交点可以认为是开启电压。

实验仪器

1．非线性元件：检波二极管，整流二极管，稳压二极管和发光二极管（5种颜色）。 2．电源与仪表：直流稳压电源（0~20V）、直流恒流电源（0 ~ 2mA，0 ~ 20mA）, 数字万用表（2只）

实验内容

使用LabCorder 采集数据，图2（a ）的等价电路如图2（b）。 1．检波和整流二极管（选一种二极管） (1)检波二极管

正向伏安特性：测量电路见图2，最大正向电流I≤20mA，二极管两端电压V≤1.2V，实验点不少于20个。

反向伏安特性：测量电路见图3，反向电压V≤20V，实验点不少于10个。 （2）整流二极管

正向伏安特性：测量电路见图2，最大正向电流I≤20mA，二极管两端电压V≤1V，实验点不少于20个。

反向伏安特性：测量电路见图3，反向电压V≤20V，实验点不少于10个。 2．稳压二极管

测量稳压二极管的反向伏安特性曲线。测量电路见图3，稳压二极管的最大反向电流小于30mA，工作电压约为5V 左右。实验点不得少于20个。并解释稳压管的工作原理，给出工作电压。测量时注意电流不能超过30mA。

3．发光二极管

正向伏安特性：测量电路见图4，此时采用恒流源。根据伏安特性曲线和实验中的观察（红外除外）找到的开启电压，并根据公式

eU =h

c

λ

（2）

计算4个发光二极管发出光的波长，其中h 为普朗克常数，c为光速，λ为光的波长。发光二极管最大正向电流I≤20mA，二极管两端电压V≤3V，实验点不少于15个。

（b ）

图2

图3 图4

注意事项

1．实验开始时要检查所配置的器件数目以及是否正常，二极管可用万用表的二极管档检查，正向导通，反向截止。

2．接线时，开关要处于关的状态。测量时，电压和电流一定从零开始，由小到大增加！实验点应均匀分布在实验曲线上。

3．要了解元件的有关参数、性能特点，实验中应保证元件安全使用、正常工作。加在元件上的电压及通过它的电流都应小于其额定数值。

4．在正式测量之前，应对被测元素进行粗测，以大致了解被测组件特性、物理规律及变化范围，然后再逐点测量。

5．合理地选取测量点可以减小测值的相对误差。测量非线性元件时，选择变化较大的物理量作为自变量较为方便，可以等间隔取测量点，在测值变化较大时可适当增加测量点。

6．确定测量范围时，既要保证元件安全，又要覆盖正常工作范围，以反映元件特性。根据测量范围选定电源电压。

7．整个测量过程中，要保证电流表的量程不变。 8．实验后对每一元件进行检查并归位。

数据处理

1． 根据测量的实验数据分别画出各元件的伏安特性曲线。 2． 分析稳压二极管的伏安特性

(1)求出二极管的正向导通电压和反向稳定电压。

(2)求出U=0.8V，U=-4V时二极管的静态电阻；根据正向、反向电阻说明二极管的单向导电特性

(3)求出二极管达到稳定电压（I=-10mＡ）时的动态电阻，并说明二极管的稳压性能好坏。

思考题

1.使用万用表（20kΩ以上各档）测量二极管的正向电阻，为什么各档测得数值不同？

如果测量一个线性电阻，情况会怎样？

2. 试总结各非线性元件的伏安特性。

附录

测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接。如图5所示。由于电表内阻的影响，这两种接法都会引进一定系统误差。使用电流表内接时，R x 实测值会偏大；使用电流表外接时，Rx 实测值偏小。通常根据待测元件阻值及电表内阻，选择合适的电表连接方法一减小接入误差的影响：测量小电阻时常采用电流表外接；测量大电阻时常采用电流表内接。如果已知电压表和电流表内阻分别为Rv 和RA ；利用下列公式可以对被测电阻Rx 进行修正。

当电流表内接时, R x =当电流表外接时,

U

−R A ; （3） I

11I

. （4） =−

R x U R V

U Ux

图5

又可以由下列公式估计测量Rx 的相对不确定度：

σR ⎤⎡σR σ

当电流表内接时，x =⎢(U ) 2+(I 2+(A 2(A 2⎥

R x ⎣U I U /I R A ⎦

⎡σU 2σI 2U /I 2σR V 2⎤x

当电流表内接时，=() +(+((⎥

R x ⎢U I R R V V ⎣⎦

σR

1/2

/(1−

1/2

R A

（5） U /I

U /I

（6） R V

σR

/(1−

现在数字电表使用日益普及。数字电压表的内阻可达10MΩ,测量伏安特性时一般采用电流表外接的接法。

二、箔式应变片性能及三种桥路测试的比较

实验目的：

1．观察了解箔式应变片的结构及粘贴方法。 2．测试应变梁变形的应变输出。 3．比较各桥路间的输出关系。

4．了解温度变化对应变测试系统的影响，学会在测试电路中进行温度补偿。 5．了解传感器的定标及弱信号的计算机采集。

实验原理：

1．箔式应变片的工作原理

箔式应变片的工作原理是建立在电 阻应变效应的基础上，所谓电阻应变效应是指电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。如图所示，设有一根长为l 、截面积为S 、电阻率为ρ的金属丝，其电阻为：R =ρ

l

s

当在轴向受到拉力的作用时，长度增加了Δl ，截面积减少了ΔS ，那么电阻将增加ΔR ，则

ΔρΔR Δl ΔS Δρ

=−+ 。对于箔式应变片≈0，电阻变化主电阻相对变化可按下式求得： R l S ρρ要由应变产生。则： 式中：

ΔR Δl ΔS ≈−=ε(1+2μ) =K ε R l S

Δl Δl

是材料的轴向线应变，用应变ε表示为：ε= l l

ΔS ΔD 是材料截面积的变化，用材料的泊松比μ=-S D

Δl ΔS

及ε表示为：=2με l S

由此可以看出，金属材料的电阻相对变化与其线应变ε正比，比例系数称为灵敏度，这就是

金属材料的应变电阻效应。

2．电阻应变片的测量电路 从箔式应变片的工作原理可知，应变片

测量应变是通过测量应变电阻相对变化来得

到的。我们通常使用电桥电路作为应变片的

测量电路，它可以把电阻的相对变化ΔR R 转化成电压的相对变化ΔU 。如图所示，设电桥的输入电压为U, 输出的电压为△U ，

则：

⎛R 1R 3⎞R 1R 4−R 2R 3

⎟=U ΔU =U ⎜−⎟⎜R +R R R R +R R +R +234⎠1234⎝1

设各桥臂的初始电阻为R 1=R 2=R 3=R 4=R ，因此电桥初始处于平衡状态，当四个桥臂电

阻分别变为R 1+ΔR 1、R 2+ΔR 2、R 3+ΔR 3、R 4+ΔR 4时，则上式可得：

(R +ΔR 1)(R +ΔR 4)−(R +ΔR 2)(R +ΔR 3)2R +ΔR 1+ΔR 22R +ΔR 3+ΔR 4

R (ΔR 1−ΔR 2−ΔR 3+ΔR 4)+ΔR 1ΔR 4−ΔR 2ΔR 3=U

2R +ΔR 1+ΔR 22R +ΔR 3+ΔR 4一般情况下，ΔR i (i =1, 2, 3, 4)很小，既R 〉〉ΔR i ，则上式可变化为：

ΔU =U

ΔU ≈

U ⎛ΔR 1ΔR 2ΔR 3ΔR 4⎞

−−+⎜⎟ （2-1）

4⎝R R R R ⎠

这样电阻变化率（或应变）与输出电压之间就近似为线性关系，这就是利用桥式电路测量电阻应变的工作原理。

3．箔式应变片的温度效应及应变电路的温度补偿：

温度变化引起应变片阻值发生变化的原因是应变片电阻丝的温度系数及电阻丝与测试梁的膨胀系数不同，由此引起测试系统输出电压变化。

由于温度变化引入了测量误差，因此实用测

试电路中必须进行温度补偿。用补偿片法是应变

电桥温度补偿方法中的一种，即将补偿片与工作片成90°贴在测试梁上，如图（2）所示， R 1为工作片，R 2为补偿片，R 1=R2。桥路如原来是平衡的，当温度变化引起两应变片的电阻变化△R 1与△R 2符号相同，数量相等，根据（2-1）式△U ≈0，无电压输出，电桥仍满足平衡条件，达到了温度补偿的目的。测试梁受力时，R 2不产生形变，仅有R 1作为工作片。

实验所需部件：

LabCorder 数据采集分析控制器（含直流稳压电源、差动放大器）、电桥、、箔式应变片、螺旋测微头、电压表（或数字万用表）。

实验内容与步骤：

1．分别测出单桥、半桥、全桥电路的灵敏度 （1）调节差动放大器输出为零。

（2）观察贴于悬臂梁上的箔式应变片，

按图（3）将实验部件用实验线连接

成测试桥路。并调节螺旋测微头使

应变梁处于基本水平状态。图中R 1

为箔式应变片，R 2、R 3、R 4为固定

电阻。

（3）确认接线无误后开启仪器电源，并

预热数分钟。调整电桥W D 直流调平衡电位器，使测试系统输出为零。

（4）旋动螺旋测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输

出电压为零为起点，向上和向下移动各5mm ，测微头每移动0。5mm 记录一个差动放大器输出电压值，并列表。根据表中所测数据计算灵敏度S ，S=△X/△V 。并在作表图上做出V-X 关系曲线。 位移mm 上行电压V 下行电压V

注意：由于进行位移测量时，测微头要从零到正的最大值，又回复到零，再从零到负的最大值，因此容易造成零点偏移，所以在计算灵敏度时可将正的灵敏度与负的灵敏度分开计算。再求平均值，以后实验中凡需过零的实验均可采用此方法。

（5）在完成上述实验的基础上，不变差动放大器增益和调零电位器，依次将图（3）中的

R 2、R 3、R 4换为箔使式应变片，分别接成半桥和全桥测试系统。重复（2）--（4）步骤，测出半桥和全桥输出电压并列表，计算灵敏度。要求半桥至少要测出4种不同桥路接法的灵敏度，全桥至少要测出2种不同桥路接法的灵敏度。 （6）在同一坐标上分别描出单桥、双桥、全桥所测得的V-X 曲线，比较三种桥路的灵敏度，

并做出定性的结论。

2．测量箔式应变片的温度效应：

（1）按图（3）接线，开启电源，调整系统输出为零。

（2）记录加热前测试系统感受的温度，可用热电偶或集成温度传感器侧得。

（3）开启“加热”电源，观察测试系统输出电压随温度升高而发生的变化。待电压读数基

本稳定后记下电压值及温度升高值。 （4）求出温度漂移值△V/△T 。

（5）将图（3）中R 1 、R 2分别接为工作片和补偿片，重复上述步骤，求出接入补偿片后的

温度漂移值△V/△T 。