功能材料基础实验讲义.doc

《功能材料基础实验讲义.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能材料基础实验讲义.doc（95页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、功能材料基础实验讲义功能材料基础实验讲义 仪器介绍仪器介绍 实验指导实验指导 物理与材料工程学院物理与材料工程学院 光电子实验中心光电子实验中心 目目 录录 第一章第一章CSY-998G 光电应用综合实验仪光电应用综合实验仪 实验一 三棱镜的分光实验 实验二 硅光电池实验 实验三 光敏二极管的特性实验 实验四 颜色检测实验 实验五 光敏三极管特性实验 实验六 光源及光调制解调实验 实验七 液体浊度检测演示实验 实验八 太阳能电池追踪实验 实验九 光敏电阻实验 实验十 热释电红外传感器实验 第二章第二章 数字智能化热学综合实验仪（数字智能化热学综合实验仪（YJ-RZ-4A） 实验十一 金属线膨胀

2、系数的测定 实验十二 非良导体热导率的测量 实验十三 热敏电阻温度特性的研究 实验十四 金属电阻温度系数的测定 实验十五 冷却法测定金属的比热容 实验十六 热电偶的定标 第三章第三章 温度传感器特性测试实验仪（温度传感器特性测试实验仪（FB812） 实验十七 铂热电阻（Pt100）的温度特性实验 实验十八 PN 结温度传感器的温度特性实验 实验十九 集成温度传感器（AD590）的温度特性实验 第四章第四章 太阳能电池特性实验仪（太阳能电池特性实验仪（ZKY-SAC-ZKY-SAC-） 实验二十 太阳能电池板输出伏安特性测试实验 第五章第五章 霍尔效应实验组合仪（霍尔效应实验组合仪（ZKY-HS

3、/HCZKY-HS/HC） 实验二十一 霍尔效应原理与实验 第六章第六章 显微熔点仪（显微熔点仪（SGWSGW X-4BX-4B） 实验二十二 物质的熔点测定 第七章第七章 自动指示旋光仪（自动指示旋光仪（WZZ-1WZZ-1） 实验二十三 用旋光仪测量旋光性溶液的浓度 第八章第八章 液体表面张力系数测定仪（液体表面张力系数测定仪（FB326FB326） 实验二十四 用拉脱法测定液体表面张力系数 第九章第九章 介电常数测定仪（介电常数测定仪（PCM-1APCM-1A） 实验二十五 介电常数测定 1 第一章第一章 CSY-998G 光电应用综合实验仪光电应用综合实验仪 （一）CSY-998G 光

4、电传感器实验仪光电传感器实验仪主要有主机、传感器与器件、光源等部分 组成 一、主机：由大面板、小面板和顶板。供电电源 AC220V，50Hz。额定功率 200W。 1、大面板：各类实验电路 2、小面板： 1）各种直流稳压电源和恒流源。 015V 连续可调直流稳压电源。 05V 连续可调直流稳压电源。 15V、+5V 稳压电源。 AC12V 交流电源 020mA 连续可调恒流源 2）显示表： 电流表：DC20A、200A、20mA 、200mA(量程四档切换) 电压表：DC200mV、2V、20V（量程三档切换） 光照度计：1-1999Lx 3、顶板 顶板：由安装架、支架、滑轨等组成。 二、传感

5、器与器件 光敏电阻（cds 光敏电阻、额定功率：100mW、暗阻1M、tr 20mS 、tf 30mS、p：580nm） 光敏二极管（Vr：20v、I D0.1A、IL：50A、tr tf ：10ns p：880nm） 光敏三极管（VCEO：50v、I D0.1A、IL：5mA、tr tf ：15ns p：880nm) 硅光电池（VOC：300mv、I D110-8A、ISC：5A、：300- 1000nm、p：880nm) 反射式光耦（输入：IFM=20mA、VR=5V、VF=1.3V 输出： VCEO=30V、ICEO=0.1A、VCES=0.4V 传输特性：CTR（%） =5、 tr t

6、f ：5us） 红外热释电探头 光照度计探头 2 Y 型光纤 PSD 位置传感器 CCD 测径系统（选配） 光栅位移传感器（选配） 普通白炽灯 普通发光二极管 红外发射二极管（VR ：5V、VF：1.4V、IR：10uA、PO：2mw） 半导体激光器（波长：635um、功率 1-3mw） 三、数据采集系统及软件 四、实验仪器尺寸 实验仪器台尺寸为：520400350（mm） 。 （二）色标传感器色标传感器 PY10-W58-3E2 简介简介 色标传感器采用同轴光路反射原理，发射光源采用进口特制聚型 LED，接收 部份采用进口高灵敏接收管，内部采用精密电子元件，反应快。 可用于：各类立式。横式包

7、装机、各类制袋机、分切机、分条机、等印刷 机械上。作为色标的识别，精确控制包装袋长短，自动纠偏等领域。 型号： PY10-W58-3E2 检测方式：同轴反射型 电源电压：10-30V 直流 波 10%以下 消耗电流：30mA 检测距离：10mm 光点:1.5mm-0.5mm 可选 开关速度：2K HZ 以上 输出电流：200mA 输出： 动作指示：LED 红色 1P67 防尘、防水 抗外光 灯泡 10000LUX 太阳光 100000LUX 使用温度：工作 0-70 度 保存-25 度-80 度 耐振动 10-55HZ 复振幅 1.5mmXYZ 三方向各 2 小时 3 电线 2M 长 外壳：塑

8、料灰色：光头 26mm 高 63mm*宽 60mm 螺丝 3*2 接线：红接直流电源正 兰接负 黑色接输出信号常开。 4 实验一实验一 三棱镜的分光实验三棱镜的分光实验 一一 、实验目的、实验目的 通过实验使学生对光源，光源分光原理、光的不同波长等基本概念有具体 认识。 二二 、基本原理、基本原理 本实验中备有普通光源和激光光源。普通光源（白炽灯）光谱为连续光谱( 白炽灯的另一个特性是做灯丝的钨有正阻特性，工作时的热电阻远大于冷态时 的电阻，在灯的启动瞬时有较大的电流 )。 利用分光三棱镜后，可以提供红色， 黄色，绿色，蓝色等多种波长的光辐射。激光光源是半导体激光器，发射出波 长为 630 纳

9、米的红色光激光特性:单色性 方向性 相干性等。 三三 、需用器件与单元：、需用器件与单元： 主机、普通光源、分光装置(三棱镜)、半导体激光器。 四四 、实验步骤、实验步骤 1根据图 1-1 进行组装和接线，用实验线将主机中 AC12V 交流电源输出与 普通光源相连接。合上主机的总电源开关。 2松开图 11 中光源或三棱镜的升降固定螺钉，调节高度使光束对准三 棱镜，转动三棱镜座使三棱镜毛面在后面，二个工作面（光面）的棱在前面。 然后调节涡杆角度使折射的投射面（狭缝端盖）上出现清晰的光谱。如果光谱 不清晰可轻微旋转光源罩（灯丝方向）和松开升降杆固定螺钉转动一个角度 （光束方向）使光束对准三棱镜的工

10、作面要点:光束对准棱镜工作面灯丝方 向。 3、关闭主机总电源开关。将图 1-1 中的普通光源取下，换上半导体激光源 （旋下前端盖小孔） ，将激光源与主机激光电源相应连接注意颜色极性。 打开主机总电源开关，根据步骤 2 调节观察投射面现象（单色性） 。 五五 、思考题、思考题 1 解释实验现象。 2 半导体激光器的特性有哪些？半导体激光器的发散角一般为 510, 你如何利用实验装置和直尺完成最简易的发散角测量实验方法。 5 图 11 分光实验 实验二实验二 硅光电池实验硅光电池实验 一、实验目的一、实验目的 了解光电池的光照特性，熟悉其应用。 二、基本原理二、基本原理 光电池是根据光生伏特效应制

11、成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的 p-n 结的光电器件。当光照射到光电池 P-N 结上时，便在 P-N 结两端产生电动 势。这种现象叫“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、需用器件与单元三、需用器件与单元 主机、安装架、发光二极管光源、照度计及探头、硅光电池。 四、实验步骤四、实验步骤 1、光照特性（开路电压、短路电流） （1） 、光电池在不同的照度下，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。按图 5-1 安装接线（注意接线孔的颜色相对应） ，实 光源罩 遮光筒 光敏 元件 三棱 镜 狭缝端盖(前端盖) 涡轮 涡杆 棱镜座

12、涡轮涡杆座 升降固定螺钉 升降固定螺钉 V 光敏元件性能实验 - + Vcc R 光 敏 元 件 A - + 主机 接主机 AC12v 前端盖 后端盖 后端盖 6 验时，为了得到光电池的开路电压 Voc 和短路电流 Is 不能同时（同步）接入 电压表和电流表，要错时（异步）接入电路来测量数据。 （2） 、打开主机总电源，测出照度为 0 Lx、5 Lx、10 Lx.时测量得到 的开路电压、短路电流数据（注意为得到开路电压和短路电流不能同时测量电注意为得到开路电压和短路电流不能同时测量电 压和电流压和电流）填入表 5-1，并作出曲线图。 表 51 强度（Lx） 051015.95100 电流（mA

13、） 电压（mV） Voc(mv)Is(mA) 100Lx 硅光电池开路电压、短路电流实验特 性 7 实验三实验三 光敏二极管的特性实验光敏二极管的特性实验 一、实验目的一、实验目的 了解光敏二极管工作原理及光生伏特效应。 二、基本原理二、基本原理 当入射光子在本征半导体的 p-n 结及其附近产生电子空穴对时，光生载 流子受势垒区电场作用，电子漂移到 n 区，空穴漂移到 p 区。电子和空穴分别 在 n 区和 p 区积累，两端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。 光敏二极管基于这一原理。如果在外电路中把 p-n 短接，就产生反向的短路电 流，光照时反向电流会增加，并且光电流和照度成线性

14、关系。 三、三、需用器件与单元需用器件与单元 主机、安装架、光敏二极管探头、光源、光照度计及探头、分光装置。 四、实验步骤四、实验步骤 1、光照特性的测试 根据图 2-2 安装接线（注意接线孔的颜色相对应），测量光敏二极管的暗 电流和亮电流。 （1）暗电流测试：打开主机电源，将主机中的 05V 可调稳压电源的调节 旋钮顺时针方向慢慢旋到底（5V），将 020mA 可调电流源的调节旋钮逆时针 方向慢慢旋到底，读取主机上电流表（20A 档）的值即为光敏二极管的暗电 流。暗电流基本为 0A，一般光敏二极管小于 0.1A，暗电流越小越好。 （2）光电流测试： a.关闭主机总电源，撤下光敏二极管探头，换

15、上光照度计探头。 b.打开主机电源，顺时针方向慢慢地调节 020mA 可调电流源（光源）， 使主机上照度计的读数为 100Lx。 c.撤下照度计探头，换上光敏二极管探头，读取电流表值，即为 100Lx， 一定工作电压 5V 下的光电流。重复 a、b、c 实验步骤，把测量值填入表 3-1， 并作出一定工作电压时 I-Lx曲线。 8 表 3-1 照度 Lx 51015.707580 I（mA ） LX I(mA ) 图 3-1 光敏二极管光照特 特性实验特性 9 2、光谱特性测试 实验方法与光敏电阻的光谱特性实验方法一样。将数据填入表 3-2。 表 32 光敏二极管 型号 2CU2B 颜色 波长

16、(nm) 电 流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 实验四实验四 颜色检测实验颜色检测实验 一、实验目的一、实验目的 了解颜色识别的方法，及颜色传感器的应用。 二、基本原理二、基本原理 色标传感器，具有探测距离远、不受可见光干扰、易于装配、使用方便等 特点，可以被应用于物品定位、颜色识别等用途，可以用作广告卷帘灯箱、包 装机、切割机等多种生活化工产品上。 色标传感器就其原理来说并不是检测颜色，它是通过检测色标对光束的反 射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。所以，颜色的识别要严格与 照射在目标上的光谱成分相对应

17、。 在单色光源中，绿光 LED（565mm）和红光 LED（660mm）各有所长。绿 光在很宽的颜色范围内比红光源灵敏度高。红光 LED 对有限的颜色组合有响应， 但它的检测距离比绿光 LED 远。通常红光源传感器的检测距离是绿光源传感器 10 的 68 倍。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 公共平台(主机箱：DC 15V、+5V、012V 电源) ；色标传感器 PY10-W58- 3E2。红、黑、绿纸各一张（自备） 四、实验步骤四、实验步骤 1、在主机箱电源开关关闭的前提下，调节传感器的安装高度使传感器检测 窗面与被测体（色纸）端面相距 10mm 左右；传感器接线按传感器引线上的标记

18、接，红接直流电源正 兰接负 黑色接输出（注意正、负极性） 。 2、检查接线（注意正、负极性）无误后，主机箱上的电压表量程开关切换 到 20V 档，合上主机箱电源开关。 3、标定传感器： 3.1 将黑色的纸放置在传感器的下面，调整色标传感器的旋钮使传感器刚 好输出。记下此刻旋钮的位置为 1。 3.2 将绿色的纸放置在工件的上面，调整色标传感器的旋钮使传感器刚好 输出。记下此刻旋钮的位置为 2。 3.3 将黑色的纸放置在传感器的下面，调整色标传感器的旋钮使旋钮在位 置 1 和 2 之间，观差传感器有没有输出（正常为没有输出） 。 3.4 将绿色的纸放置在工件的上面，观差传感器有没有输出（正常为有输

19、 出） 。 如果输出不对，请缓慢调整传感器的旋钮，偏离 1 靠近 2。 注意：在传感器的使用过程中请注意探头和被测物体表面的清洁，根据光的吸 收与反射定律，如果被测物体表面有污物，会影响光的反射，也就是影响测量 结果。 实验五实验五 光敏三极管特性实验光敏三极管特性实验 一、实验目的实验目的 了解光敏三极管结构、性能和 V-I 特性。 二、基本原理二、基本原理 在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大 11 作用，用 Ge 或 Si 单晶体制造 NPN 或 PNP 型光敏三极管。其结构使用电路及等 效电路如图 4-1 所示。 图 4-1 光敏三极管结构及等效电路 光敏三

20、极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联 ：集电极-基极产生的电流，输入到共发三极管的基极在放大。不同之处是，集 电极电流（光电流）有集电结上产生的 i控制。集电极起双重作用；把光信号 变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。 一般光敏三极管只引出 E、C 两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应 用于光电自动控制作光电开关应用。 三、需用器件与单元需用器件与单元 主机、光敏三极管、光源、照度计及探头、分光装置 四、实验步骤四、实验步骤 1、光敏三极管伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性就象一般晶体管在不同的基极电流 输出特性一样。光敏

21、三极管把光信号变成电信号。 （1）将图 2-2 中的光敏元件换成光敏三极管，按图接线（注意接线孔颜色相 对应），主机的电流表的量程在实验过程中需要进行切换，从 A 到 mA 档，电 压表的量程为 20v 档。 （2）首先缓慢调节 020mA 电流源（光源电压）,使光源的光照度在某一照 度值（2、4、6、8 Lx）,再调节主机 0-5v 电源改变光敏三极管的电压,测量光 敏三极管的输出电流和电压。填入表 4-1表 4-4，并作出一定光照度下的光敏 三极管的伏安特性曲线（可多做几组族线） 12 表 41 在 2Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55

22、 I (mA) 1 表 42 在 4Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 表 43 在 6Lx 照度下 U (V) 1 00.511.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 表 44 在 8Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 13 I(mA ) 外加电压(V) 图 4-2 光敏三极管伏安特性实验曲线 2、光敏三极管的光照特性测量 实验方法同光敏二极管的特性实验（参照光敏二极管的特性实验中的 1光 照特性的测试）。将实验数据填入表 4-

23、5，并作出 I-Lx 特性曲线。 表 4-5 照度 Lx 5101520253035405060 I（mA ） LX I(mA) 图 4-3 光敏三极管光照特性实验曲线 3、 光敏三极管的响应波长（光谱特性） 光敏三极管响应波长（光谱特性）的实验方法参照光敏电阻的光谱特性实 14 验。将实验数据列入表 4-6，并作出光谱特性曲线。 表 46 光敏三极管 型号 3DU33 颜色 波长 (nm) 电流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 五、思考题五、思考题 光敏二极管、光敏三极管的应用场合？ 实验六实验六 光源及光调制解

24、调实验光源及光调制解调实验 一、实验目的一、实验目的 了解光调制解调的原理。 二、基本原理二、基本原理 光束是一种电磁波，具有振幅、相位、强度和偏振等参量和良好的相干性。 如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号（如 数字信号）的规律变化，那么该光束就受到了调制，达到“运载”信息的目的。 实现光束调制的原理有振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制、脉冲 调制、脉冲编码调制。从方法来说，即有电光调制、声光调制、磁光调制、直 接调制等。本实验用的是脉冲电光调制。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 主机、红外发射二极管、光敏三极管 四、实验步骤四、实验步骤 15 （1）按

25、照图 91 接线 在光脉冲调制实验中，将红外发射二极管探头的两个插孔与光调制实验模板的 发射的输入插孔相连，光敏三极管探头的两个插孔与光调制实验模板的接收输 入口相连，再引入工作电源。 （2）打开主机电源，将两个探头（发射和接收探头）对准，可以看到实验模板 上的输入脉冲指示和输出脉冲指示一起发亮。如果两个探头中间被挡住或没有 对准，不同时发光。 实验七实验七 液体浊度检测演示实验液体浊度检测演示实验 一、实验目的一、实验目的 了解浊度传感器的工作原理和性能。 二、工作原理二、工作原理 浊度是由水中的悬浮颗粒引起的，悬浮颗粒会漫反射入射光，通常采用 90 度那个方向的散射光做为测试信号，这样测试

26、出来的单位称为 NTU。散射光与 浊度符合多段线性关系，因此传感器需要多点标定。而且光源强度和温度变化 均会影响测量结果的准确性。经多次实验研究和理论推算，发现散射光与透射 光的比值与浊度符合线性关系。本传感器采用散射光与透射光比值代替单纯的 散射光测量浊度，传感器的准确度、可靠性提高，维护更加简单，抗污性增强。 16 浊度传感器原理 本传感器的工作原理是：传感器内部是一个 IR958 与 PT958 封装的红外线 对管，当光线穿过一定量的水时，光线的透过量取决于该水的污浊程度，水越 污浊，透过的光就越少。光接收端把透过的光强度转换为对应的电流大小，透 过的光多，电流大，反之透过的光少，电流小

27、。通过测量接收端电流的大小， 就可以计算出水的污浊程度。浊度传感器内部原理如图 1 所示 浊度测量仪采用 90散射光原理，光路原理如下图： Io入射光 It透射光 Is散射光 D溶液浑浊度 浊度区分： 小于 10NTU 为低浊度， 11-100NTU 为中浊度， 大于 100NTU 为高浊度 图 1 浊度单位换算： 1NTU=1 度=1mg/L=1ppm 一束特定光谱的平行光通过溶液时，一部分被吸收和散射，一部分透过溶 液。与入射光成 90方向的散射光的强度符合雷莱公式： Is= (KNV2)/4 17 Io入射光强度 Is散射光强度 N单位溶液微粒数 V微粒体积 射光波长 K系数 在入射光恒

28、定的条件下，在一定浊度范围内，散射光强度和溶液的浑浊度 成正比。上式可整理改写为: Is/Io=KN K表示常数 根据这一公式，我们可以通过测定水样中微粒的散射光强度来测量水样的 浑浊度。 浊度电流信号经过取样电阻 R 转换为 0 V5 V 电压信号，测量出来的电 压值的大小即反应了出了浊度值的大小。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 主机箱(+5V、电压表)、浊度传感器、 （小的量杯 3 个、水、牛奶、针筒 用户自己提供） 。 四、实验步骤四、实验步骤 1、将浊度传感器的上的 Vcc、GND、Vout 和主机箱的的+5V、地、电压表 连接。 2、在 3 个小的量杯中放入 30ml 的清水

29、，用针筒抽取牛奶在其中 2 个小的 量杯上分别放入 1ml 和 2ml 牛奶。 3、将浊度传感器先后放入清水、1ml、2ml 的量杯中测量电压值，并记录 数据，填入下表（注意：测量不同的浊度值是先要将传感器清洗干浄，以免对 下次测量造成影响） 30ml 下牛奶的(ml)1234567 电压(v) （当注入多少牛奶时浊度传感器的输出已没有变化，说明浊度传感器已饱和） 浊度仪采用双光束光路，有二个高度对称的光学、电学通道，产生相同的 感应，测差不变，在除法电路中得以抵消，使仪器具有长期稳定性和抗干扰能 力；采用线性化电路，使测量结果成线性显示；采用温度补偿，模拟除法功能 等电路，消除噪音等专项技术

30、，保证了仪器的高度灵敏和优良的重现性。 18 实验八实验八 太阳能电池追踪实验太阳能电池追踪实验 简介：简介：由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一 年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的 保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。世界上通 用的太阳能跟踪器都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不 同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到 PLC、单片机或 电脑软件中，都要靠计算该固定地点每一时刻的太阳位置以实现跟踪。采用的 是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移 动或

31、装拆，每次移动完就必须重新计算参数、设定数据和调整各个参数；原理、 电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。 该太阳能跟踪器采用一体式设计，方位检测与控制输出为一体，采用单片 机控制电路，具备如下功能： 1.阴晴白夜判断功能，采用硅晶片检测阳光强度达到。 2.光源方位判断功能，通过四个光敏电阻进行交叉对比判断光源方位，并 通过四个继电器做出执行。 3.继电器控制电机正反转 可接直流电机 一、需用器件与单元一、需用器件与单元 主控箱、太阳能跟踪装置。 二、实验步骤二、实验步骤 1、太阳跟踪装置如下图 1-1 图 1-1 太阳跟踪器 19 2、太阳能跟踪器的电源输入（比较长引线）和主控

32、箱上的+12V 和地连接。 (注意+-极性） 。 3、将太阳能跟踪器放置在有太阳光的地方（太阳能跟踪器设定为有太阳光 时才工作） ，打开主电源开关，这时可以看到实验装置朝有太阳光的位置旋转。 4、将太阳能跟踪器旋转一个角度，太阳能跟踪器会自动调整方向。 太阳跟踪装置运行说明 注：因实验室没有直接有太阳光照射，所以程序修改为只要用手电筒照射就能 旋转跟踪。 实验九实验九 光敏电阻实验光敏电阻实验 一、实验目的一、实验目的 了解光敏电阻的光照特性、光谱特性和伏安特性等基本特性。 二、基本原理二、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

33、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。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 主机、安装架、发光二极管光源、光敏电 阻探头、光照度计及探头、分光装置。 四、实验步骤四、实验步骤 1 1、亮电阻和暗电阻测量、亮电阻和暗电阻测量 （1）图 2-1 是光敏电阻实验原理图 20 （2）按图 2-2 光照度实验安装接线。将照度计探头与主机小面板上照度计显示 表 Vi 口相连接。将图 2-2 中的光敏元件的探头换成照度计探头。打开主机电源， 然后，顺时针慢慢调节 020m

34、A 可调电流源旋钮，使照度计显示为 100Lx。 （3）撤下照度计探头，换上光敏电阻探头及电路（图 22） 。顺时针慢慢调 节 05V 可调电源，使电压表显示 5V（如调不到 5V 则 Vcc 改接 015V 可调电 压源） 。 （4）在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接，10 秒钟后，读取电压表（量程为 20V 档）和电流表（量程为 20mA 档）的值分别为亮电压 U亮 亮和亮电流 I亮亮。 （5）将 020mA 可调电流源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，10 秒钟后， 读取电压表（量程为 20V 档）和电流表（量程为 20A 档）的值分别为暗电压 U暗 暗和暗电流 I暗暗。 （6）根据以下公式

35、，计算亮阻和暗阻 R亮 亮=U亮亮 / I亮亮 ； R暗 暗=U暗暗 / I暗暗 （7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的工作电压下有不 同的亮阻和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。 2 2、光照特性测量、光照特性测量 当光敏电阻的工作电压（Vcc）为+5V 时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而 变化，它们之间的关系是非线性的。改变光源电流大小可得到不同的光照度值 (实验方法同以上实验，照度计探头和光敏电阻探头交替使用)，测得数据填入 表 21，并作出光电流与光照度 I-Lx 曲线图。 表 21 21 光照度 （LX） 20406080100120140160180 电流

36、 mA 3 3、伏安特性测量、伏安特性测量 在一定的光照强度下，光敏电阻的光电流随外加电压的变化而变化，实验 时，在给定光照强度为 50Lx、100Lx、150Lx 时，图 22 改变光敏电阻的工作 电压值U0.5v（由电压表监测） ，测得不同光照度下流过光敏电阻的电流值, 将数据填入表 2-2，并作不同照度下的三条伏安特性曲线。 表 2-2 型号：G5528 电压 （U） 00.511.522.533.544.55 50 电流 （mA） 100 电流 （mA） 照度 （Lx） 150 电流 （mA） I (m A ) 光照度 （Lx） 图 2-3 光敏电阻光照特性实验曲线 22 I(mA )

37、 图 2-4 光敏电阻伏安特性 VC C 4 4 、光谱特性测量、光谱特性测量 光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的 光谱特性。实验时安装接线同图 1-1（Vcc 接主机 5V 电压源） ，光敏电阻前端 盖换成狭缝端盖，旋动涡杆，观察对应各种颜色的光透过狭缝时的电流值并 记录数据填入下表 23。 表 2-3 光敏电阻 型号 GL-5528 颜色 波长 (nm) 电 流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 五、思考题五、思考题 为什么测光敏电阻亮阻和暗阻要经过 10 秒钟后读数，这是光敏电阻

38、的 缺点，只能应用于什么状态？ 实验十实验十 热释电红外传感器实验热释电红外传感器实验 一、实验目的一、实验目的 23 了解热释电红外传感器基本原理和在实际中的应用。 二、基本原理二、基本原理 当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度下 s p 降，表面电荷减少，相当于”释放”一部分电荷，故名热释电。释放的电荷通 过一系列的放大，转化成输出电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到 Tc(居里温度)值时，自发极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零,见图 8-1。 图 8-1 热释电效 应 因此，热释电传感器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化 量） 。当面积为 A

39、 的热释电晶体受到调制加热，而使其温度 T 发生微小变化时， 就有热释电电流。，A 为面积，P 为热电体材料热释电系数，是 dt dT APi dt dT 温度的变化率。 特点：当入射辐射为恒定辐射时，热释电传感器不响应，只能脉冲辐射工 作。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 主机、红外热释电 四、实验内容四、实验内容 （1）按图 8-2 接线：将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热 释电红外探头的输入端口上（红色接 D、黄色接 S、黑色接 E） 。 24 （2）打开主机电源，手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化 信号输出，经两级电压放大后，可以检测出较大的电压变化，

40、再经电压比较器 构成的开关电路，使指示灯点亮。观察这个现象过程。 第二章第二章 数字智能化热学综合实验仪数字智能化热学综合实验仪 （YJ-RZ-4A） 实验十一实验十一 金属线膨胀系数的测定金属线膨胀系数的测定 绝大多数物质都具有“热胀冷缩”的特性，这是由于物体内部分子热运动 加剧或减弱造成的.这个性质在工程结构的设计中，在机械和仪器的制造中，在 材料的加工（如焊接）中，都应考虑到.否则，将影响结构的稳定性和仪表的精 度.考虑失当，甚至会造成工程的毁损，仪表的失灵，以及加工焊接中的缺陷和 失败等等。 一、实验目的一、实验目的 1. 学习测量金属线膨胀系数的一种方法 2. 学会使用千分表 二、实

41、验仪器二、实验仪器 金属线膨胀系数测量实验装置、YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪( (特特 别注意实验仪、加热盘的成套性别注意实验仪、加热盘的成套性) ) 金属线膨胀系数测量的实验装置如图 4 所示 25 图 图 1 YJ-RZ-4A 数字智能化热学综合实验仪面板如图所示 图 2 三、实验原理三、实验原理 材料的线膨胀是材料受热膨胀时，在一维方向的伸长。线膨胀系数是选用 材料的一项重要指标。特别是研制新材料，对材料膨胀系数的测定非常重要的 参数指标。 固体受热后其长度的增加称为线膨胀。经验表明，在一定的温度范围内， 原长为 L 的物体，受热后其伸长量L 与其温度的增加量t 近似成正比

42、，与原 长 L 亦成正比，即： L= L t （1） 千分表 加热引线 温度传感器引线 26 式中的比例系数称为固体的线膨胀系数（简称线胀系数） 。大量实验表明，不 同材料的线胀系数不同，朔料的线胀系数最大，金属次之，殷钢、熔融石英的 线胀系数很小。殷钢和石英的这一特性在精密测量仪器中有较多的应用。 几种材料的线胀系数 材料铜、铁、铝普通玻璃、陶 瓷 殷钢熔凝石英 数量级105(C)1106(C)1v） 因为霍尔电极和元件两者材料不同，电极和元件之间形成温差电偶，这一温差电偶，这一 温差在温差在 C C、D D 间产生温差电动势间产生温差电动势U UE E，U UE EI Is s B B。

43、这一效应称爱廷豪森效应，UE的大小及正负符号与Is、B的大小和方向有 关，跟UH与Is、B的关系相同，所以不能在测量中消除。 3)3) 伦斯脱（伦斯脱（NernstNernst）效应）效应 由于工作电流的两个电极与霍尔元件的接触电阻不同，工作电流在两电极 处将产生不同的焦耳热，引起工作电流两极间的温差电动势，此电动势又产生 温差电流（称为热电流）温差电流（称为热电流）I IQ Q，热电流在磁场作用下将发生偏转，结果在 Y 方向 上产生附加的电势差UN且UNIQB，这一效应称为伦斯脱效应，由上式可知UN 72 的符号只与B的方向有关。 4)4) 里纪里纪- -勒杜克（勒杜克（Righi-Ledu

44、cRighi-Leduc）效应）效应 如 3)所述霍尔元件在 X 方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而有 热电流IQ通过霍尔元件，在此过程中载流子受 Z 方向的磁场B作用，在 Y 方向 引起类似爱廷豪森效应的温差 T=TC-TD，由此产生的电势差URIQ B，其符号 与B的方向有关，与Is的方向无关。 在确定的磁场在确定的磁场B B和工作电流和工作电流I Is s下，实际测出的电压下，实际测出的电压是UH 、U0 、UE 、UN 和 UR这 5 种电势差的代数和。上述 5 种电势差与B和Is方向的关系如下： UHU0UEUNUR BIsBIsBIsBIsBIs 有关有关无关有关有关有关有

45、关无关有关无关 为了减少和消除以上效应引起的附加电势差，利用这些附加电势差与霍尔 元件工作电流Is、磁场B（即相应的励磁电流IM）的关系，采用对称（交换） 测量法测量 C、D 间电势差： 当+IM，+Is时 UCD1=+UH +U0 +UE +UN +UR 当+IM，- Is时 UCD2=-UH -U0 -UE +UN+UR 当- IM，- Is时 UCD3=+UH -U0 +UE -UN -UR 当- IM，+Is时 UCD4=-UH +U0 -UE -UN -UR 对以上四式作如下运算：对以上四式作如下运算： （10） EHCDCDCDCD UUUUUU 4321 4 1 可见，除爱廷豪森

46、效应以外的其他副效应产生的电势差会全部消除，因爱 廷豪森效应所产生的电势差UE的符号和霍尔电势UH的符号，与Is及B的方向 关系相同，故无法消除，但在非大电流、非强磁场下，但在非大电流、非强磁场下，U UH HU UE E，因而，因而U UE E可以忽可以忽 略不计，故有：略不计，故有： （11） 4321 4 1 CDCDCDCDEHH UUUUUUU 一般情况下当UH较大时，UCD1与UCD3同号，UCD2与UCD4同号，而两组数据反 号，故： （12） 43214321 4 1 4 1 CDCDCDCDCDCDCDCDH UUUUUUUUU 即用四次测量值的绝对值的平均值即可。即用四次测

47、量值的绝对值的平均值即可。 图 5 霍尔元件测量磁场的电路图 霍尔元件测量磁场的基本电路如图 5，将霍尔元件置于待测磁场的相应位 置，并使元件平面与磁感应强度B垂直，在其控制端输入恒定的工作电流Is， 霍尔元件的霍尔电压输出端接毫伏表，测量霍尔电压UH的值。 73 三、实验仪器三、实验仪器 IS调节 旋钮 测测 试试 仪仪 二维移动尺 C 形电磁铁 面板标示牌 双刀双 掷开关 IS输出端 UH输入端 IM输出端 IM调节 旋钮 电源开关 实实 验验 仪仪 IS输入端 UH输出端 IM输入端 霍尔电压 量程切换 按钮 图 6 霍尔效应实验仪与测试仪 本套仪器由 ZKY-HS 霍尔效应实验仪和 Z

48、KY-H/L 霍尔效应测试仪两大部分组 成，如图 6。 1.1. ZKY-HSZKY-HS 霍尔效应实验仪霍尔效应实验仪 本实验仪由 C 形电磁铁、二维移动尺及霍尔元件、面板标示牌、三个双刀 双掷开关等组成。 1) C 形电磁铁 本实验中励磁电流IM与电磁铁在气隙中产生的磁感应强度B成正比。导线 绕向（或正向励磁电流IM方向）已在线圈上用箭头标出，可通过“右手螺旋定 则”以及磁力线基本沿着铁芯走的性质，确定电磁铁气隙中磁感应强度B的方 向。 2) 二维移动尺及霍尔元件 二维移动尺可调节霍尔元件水平、垂直移动，可移动范围：水平 050mm，垂直 030mm。 霍尔元件相关参数见面板标示牌。 霍尔元件上有 4 只引脚（图 7） ，其中编号为 1、2 的两只为工作电流端， 编号为 3、4 的两只为霍尔电压端（图 7 中的图形“O”仅标示霍尔元件正方向） 。同时将这 4 只引脚焊接在印制板上，然后引到仪器双刀双掷开关上，接线柱 旁标有 1、2、3、4 四个编号，按对应编号连线。霍尔元件在印制板上的朝向是 正面背离印制板而朝向实验者，霍尔元件在印制板上的位置如图 8。 a b H 1 3 2 4 1