智能儀器檢測技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義(學(xué)生用)

實(shí)驗(yàn)一晶體管溫度傳感器及電子溫度計(jì)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解半導(dǎo)體晶體管的溫度特性。

2.了解晶體管溫度傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及響應(yīng)特性。

3.掌握晶體管溫度傳感器電壓——溫度特性的測量方法。

4.了解電子溫度計(jì)的電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.半導(dǎo)體二極管及其特性

當(dāng)用擴(kuò)散的方法在P型半導(dǎo)體中摻入N型雜質(zhì)或在N型半導(dǎo)體中摻

入P型雜質(zhì)時，擴(kuò)散的結(jié)果使得兩種材料的交界處空穴與電子達(dá)到動態(tài)平

衡并形成PN結(jié)。由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕虼丝捎脕碇谱靼雽?dǎo)體二

極管、穩(wěn)壓管、可控硅及三極管；其中半導(dǎo)體二極管和穩(wěn)壓管由一個PN

結(jié)構(gòu)成，半導(dǎo)體三極管和可控硅

N筌信片

陽極引線>工”二陰極引線

才=

金’屬觸絲外充

圖i-i二極管的結(jié)構(gòu)及符號

由兩個PN結(jié)構(gòu)成。二極管的結(jié)構(gòu)及符號見圖1-1,根據(jù)使用的半導(dǎo)體材料

不同二極管分為錯（Ge）型和硅（Si）型，根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分為點(diǎn)接觸型（圖

l-l(a)),面接觸型(圖l-l(b))和硅平面型二極管(圖1-1(0)；其中點(diǎn)接

觸型二極管由于結(jié)面積小、結(jié)電容小而適用于高頻工作，常用于高頻檢波

和用作高速開關(guān)，面接觸型和硅平面型二極管由于結(jié)面積大而適用于低頻

大電流整流。二極管在正向電壓作用下會使PN結(jié)變薄，從而形成正向電

流，在反向電壓作用下會使PN結(jié)變厚，無法形成反向電流，這就是二極

管的單向?qū)щ娦?，二極管的正向特性見圖1-2。

從圖1-2中可以看到，二極管的正向特性曲線呈非線性，根據(jù)半導(dǎo)體

理論可以得出二極管的正向電流為：

Id--1)

(1-1)

正向電壓為：=V--ln(—(1-2)

q+人

式(1-1)、(1-2)中：匕——禁帶寬度/V：Vr=kT/q-,

k=1.381x10-23j/長一波耳茲曼常數(shù)；

4=1.602x10-19?！獑挝浑姾桑?/p>

/A；

ls——二極管反向飽和電流(與溫度有關(guān))

山式(1-2)得，二極管的正向電壓不但與電流有關(guān)，而且與環(huán)境溫度有關(guān),

當(dāng)二極管電流(一定時，二極管的電壓%與溫度成一定關(guān)系，在溫度不

太高的情況下，%與環(huán)境溫度成正比,

即:匕,叫一的(1-3)

(?A)

圖1-2二極管正向特性

這里，/?是與二極管電流有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)二極管電流一定時，月為常數(shù)，

因此夕被稱之為二極管的電壓——溫度系數(shù)或測溫靈敏度，可表示為：

夕=絲(1-4)

AT

夕表示環(huán)境溫度變化1°C所引起的二極管電壓變化，單位為〃?v/°c,

通常在一40℃~150℃范圍內(nèi)，(3?-2mV/℃.

利用二極管的電壓——溫度特性可以制做成溫度傳感器，電子溫度計(jì)

和電子控溫儀等測溫與控溫設(shè)備，圖1-3為用半導(dǎo)體PN結(jié)制成的鎧裝溫

度傳感器示意圖。

1半導(dǎo)體PN結(jié)2——引線3—填充材料4—金屬外殼

圖1-3鎧裝半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器示意圖

2.半導(dǎo)體電子溫度計(jì)的組成與溫度測量

半導(dǎo)體電子溫度計(jì)以半導(dǎo)體溫度傳感器作為傳感器件，由測溫傳感器、

恒流源、放大器、零點(diǎn)調(diào)節(jié)、量程調(diào)節(jié)和顯示儀表等組成。來自溫度傳感

器的信號經(jīng)過相應(yīng)的信號處理后得到反映被測溫度的電壓信號，通過經(jīng)過

標(biāo)定的顯示儀表顯示出溫度值，其測溫精度可以達(dá)到±0.1℃。圖1-4為

半導(dǎo)體電子溫度計(jì)的組成框圖，圖1-5為電路原理圖。

圖1-4半導(dǎo)體電子溫度計(jì)組成框圖

圖1-5中的半導(dǎo)體二極管D密封在薄銅管中作為溫度傳感器，Tl.Dk

Rl、R2組成恒流源為溫度傳感器供電，電位器RW1、RW2起零點(diǎn)調(diào)節(jié)和

量程調(diào)節(jié)作用，顯示儀表為指針式或數(shù)字式電壓表,測溫范圍：0~100℃,

測量精度可以達(dá)到±0.5%。

SGND

圖1-5半導(dǎo)體電子溫度計(jì)電路原理圖

3.晶體管溫度傳感器的響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性反映傳感器對被測對象的反應(yīng)速度，反應(yīng)速度越快,

說明傳感器對被測量的快速跟蹤能力越強(qiáng)。由于每種傳感器均存在響應(yīng)慣

性，對于鎧裝晶體管溫度傳感器來講，其響應(yīng)慣性主要來源于金屬外殼內(nèi)

填充材料的熱傳導(dǎo)能力或鎧裝體的熱容量，填充材料的熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，則

熱慣性小，傳感器的熱響應(yīng)速度快，因此填充材料最好采用導(dǎo)熱硅脂或?qū)?/p>

熱硅膠。由于傳感器的響應(yīng)特性符合指數(shù)規(guī)律，相當(dāng)于在階躍信號作用下

慣性電路的輸出特性，即：

t

V°=KK（l—e：）（1-5）

式（1-5）中，K——比例系數(shù)，V,.——階躍輸入信號或測量環(huán)境突變，T

一時間常數(shù)（秒）。當(dāng)f=7時，輸出能力達(dá)到最大能力的63%,當(dāng)f=4?

時，輸出能力達(dá)到最大能力的98%。

因此，7被看作是慣性系統(tǒng)響應(yīng)能力的標(biāo)志，7越小，響應(yīng)速度越快，見

【實(shí)驗(yàn)儀器及裝置】

晶體管電子溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀、電熱杯、直流數(shù)字式電壓表、秒表、標(biāo)準(zhǔn)

溫度計(jì)、數(shù)字溫度計(jì)等。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1.半導(dǎo)體二極管電壓——溫度特性的測量

直流數(shù)字電壓表接晶體管電子溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀“PN+”和“PN-”輸出口，

打開電源開關(guān)，直流數(shù)字電壓表選擇2V檔。將鎧裝晶體管溫度傳感器與

標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)捆綁在一起組成攪拌棒，在保溫杯中加入適量的冰塊和少量的

水，以冰為主，用攪拌棒充分?jǐn)嚢璩?°。的冰水混和液，讀取并記錄0℃

時直流數(shù)字電壓表的讀數(shù)一PN結(jié)電壓，然后在玻璃杯中加入約100ml水,

用注射器抽取適量冰水注入玻璃杯中，調(diào)水溫為10℃（水溫高于20。。時,

先調(diào)20。（？后調(diào)10。（7）,將電壓表讀數(shù)％記入表1-1,電熱杯中加入約

400ml水開始加熱并不斷用攪拌棒攪拌，使水中各部分溫度均勻，同時使

鎧裝晶體管溫度傳感器熱傳導(dǎo)加快，水溫每升高10℃讀取一下直流數(shù)字

電壓表讀數(shù)%并記入表1-1,一直到100℃水沸騰為止，在直角坐標(biāo)紙上

繪出半導(dǎo)體二極管的結(jié)電壓——溫度關(guān)系曲線。

2.晶體管電子溫度計(jì)的標(biāo)定測量

將鎧裝晶體管溫度傳感器再放入0℃的冰水混和液中，調(diào)整晶體管電

子溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀上的“零點(diǎn)”調(diào)節(jié)旋鈕，使實(shí)驗(yàn)儀上的儀表指到零；然后

將溫度傳感器放入100℃的開水中，調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀上的“滿度”調(diào)節(jié)旋鈕，

使實(shí)驗(yàn)儀上的儀表指到100℃。電熱杯停止加熱，將開水倒入另一燒杯中

（電熱杯再裝入約半杯以上的水繼續(xù)加熱，為下一內(nèi)容做準(zhǔn)備），燒杯放在

平臺上，使水自然降溫，水溫每下降10℃讀取一次實(shí)驗(yàn)儀上的儀表讀數(shù),

降溫過程可向燒杯中逐漸加入少許冷水，用攪拌棒充分?jǐn)嚢枋顾疁鼐鶆蛳?/p>

降，一直到10℃為止，將數(shù)據(jù)記入表1-2,計(jì)算標(biāo)定相對誤差：

6=以Jx100%，其中Amax為各標(biāo)定點(diǎn)處實(shí)驗(yàn)儀上的儀表讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)

100℃

溫度計(jì)讀數(shù)之差的最大值。

3.晶體管溫度傳感器響應(yīng)時間常數(shù)的測量

將晶體管溫度傳感器先放入0℃的冰水混和液中冷卻，然后提出迅速

放入100°C1的開水中，同時用秒表計(jì)時，觀察晶體管電子溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀的

儀表讀數(shù)。由式（1-5）可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)儀的儀表分別指到63。、86℃、95℃、

98℃時立即停止秒表計(jì)時，此時秒表指示值，即分別為1、2、3、4倍的

時間常數(shù)T,重復(fù)測量3次記入表1-3,取平均值后計(jì)算響應(yīng)時間常數(shù)）和

Ar,分析產(chǎn)生的原因和減小Ar的方法。參照圖1-6畫制晶體管的溫

度響應(yīng)特性曲線。

【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】

表1-1半導(dǎo)體二極管電壓——溫度特性的測量

水溫

0102030405060708090100

/℃

%/V

表1-2晶體管電子溫度計(jì)的標(biāo)定測量

水溫/℃0102030405060708090100

指示值/°C

誤差△/℃

標(biāo)定誤差b

表1-3晶體管溫度傳感器響應(yīng)時間常數(shù)的測量

秒表指示秒表指示秒表指示平均值時間常數(shù)時間常數(shù)

℃

Ti/sF/$

值4/s值j/s值j/sr/s

63

86

95

98

關(guān)于時間常數(shù)的誤差主要來源：

1、正確把握計(jì)時，自溫度計(jì)接觸沸水開始計(jì)忖到預(yù)定溫度立即停止

計(jì)時。

2、酒精溫度計(jì)誤差較大，這里只能用作參考溫度，實(shí)驗(yàn)中以數(shù)字溫

度計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn)。

【思考題】

1.半導(dǎo)體三極管也是由PN結(jié)構(gòu)成，請問用三極管能否制做成溫度傳

感器？怎樣設(shè)計(jì)？

2.如果晶體管溫度傳感器不用恒流源供電，而采用恒壓串電阻為傳感

器供電，請問它的電壓——溫度特性是否為線性？為什么？

3.晶體管溫度傳感器響應(yīng)時間常數(shù)r的大小對晶體管電子溫度計(jì)測溫

有何影響？分析減小時間常數(shù)7的具體方法。

實(shí)驗(yàn)二電渦流行程傳感器及轉(zhuǎn)速測量

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解電渦流傳感器的原理及被測體材料對渦流傳感器的影響。

2.學(xué)會用示波器觀察激振狀態(tài)下的調(diào)制波形。

3.學(xué)會用頻率計(jì)、轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)速。

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.電渦流傳感器工作原理

如果將一個繞在骨架上的空心線圈與正弦交流電源接通，流過線圈的

電流會在線圈周圍空間產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)將導(dǎo)電的金屬接近該線圈時，金

屬導(dǎo)體中會感應(yīng)出一圈圈自相閉合的電流，這種電流稱為“電渦流”，如圖

2-1(a)所示。渦流的大小和金屬導(dǎo)體的電阻率0,磁導(dǎo)率〃、厚度八

線圈與金屬導(dǎo)體的距離X,以及線圈勵磁電流的交變頻率。等參數(shù)有關(guān)。

如果固定其中某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的大小來測量出另外一些參數(shù)。

圖2T電渦流傳感器作用原理及等效電路

為了簡化問題，我們把金屬導(dǎo)體理解為一個短路線圈，圖2-1(b)所

示為電渦流傳感器與被測體的等效電路。其中與、乙為空心線圈的電阻

和電感;自、人為短路線圈的電阻和電感;而M則為兩線圈的互感。根據(jù)

等效電路可寫出兩個電壓平衡方程式:

RJ+j①LJ_ja)MI2=E

—jcoMIi++ja)L2I2=0(2-1)

將該方程聯(lián)立求解可得：

/,=-------------------2-------------------(2-2)

D02M2r02M2

R]+--——-R)+j①L]~~——-coL)

2

R；+(COL2)~R；+(G4):

2

M【\_McoL2I^jcoMR2I.

1o_ICtf—ZZ~~Z\Z.-J)

2

-R2+ja)L2Rl+a)l2,

由(2-2)式可得空心線圈的總阻抗為：

2

7EDD0M2f02M2-

Z=—=R]+R,----------+jcoL.-----------T-COL-,

/1-&+(%)L&+(加2)

(2-4)

根據(jù)(2-4)式可進(jìn)一步求出空心線圈的等效電阻用紂、等效電感和等

效品質(zhì)因數(shù)。約，即:

arM2

Req=&+oT-R?(2-5)

R；+(江2)

_CD2M-

L|+&+("2(2-6)

oL,一^J,

R；+MJ-

(2-7)

R104

12

R；+{a)L1)

由此可見，當(dāng)線圈接近導(dǎo)體時，電器參數(shù)Z、R”、4“?？傻染鶠?/p>

互感M的函數(shù)，即為渦流線圈與金屬導(dǎo)體間距離X的函數(shù)。所以凡是引起

渦流變化的電量和非電量，如金屬的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈與

導(dǎo)體間的距離等，均可通過測量渦流線圈的Z、R"/、L?q、0”來確定,

這便是電渦流傳感器的工作原理。

2.電渦流傳感器測量電路

如上所述，電渦流傳感器可以把渦流線圈和被測金屬導(dǎo)體間的距離變

化，轉(zhuǎn)換為線圈等效電阻、等效電感、等效阻抗和等效品質(zhì)因數(shù)的變化。

測量電路的任務(wù)就是將這些變化量轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化,并加以顯示。

實(shí)驗(yàn)采用的測量電路框圖如圖2-2所示，其中渦流線圈L和測量電路

中的電容。組成諧振電路，諧振頻率為：f=—『

2兀又

將振蕩器的振蕩頻率取為工（Xf8時諧振電路的諧振頻率），在諧

振狀態(tài)下渦流線圈的端電壓為：

4=。，（2-8）

圖2-2渦流傳感器測量電路框圖

式（2-8）中，。為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，/為振蕩器輸出信號的幅

度。當(dāng)裝置的初始零位調(diào)整好后，渦流線圈與被測導(dǎo)體間距離為X。，相

應(yīng)的線圈初電感為4）,諧振電路的初諧振頻率為方,渦流線圈的端電壓

則為：

Uq=KQOG

其中K為與。有關(guān)的系數(shù)，人一般取為1MHz左右。

圖2-3變頻調(diào)幅測量電路原理

當(dāng)X。變化后，4、?！?、人都要變化，例如X。變?yōu)槠呋騒2,諧振

頻率變?yōu)榱蛄Γ▽σ话憬饘?，X減小時/增加），則變換器的端電壓為

U、、U2,且有：

U、=

U2=K2Q2e}

此時端電壓的增量正比于AX，見圖2-3,通常為取

得較大的線性范圍，將置于線性段的中點(diǎn)。電渦流傳感器的測量電路有

多種類型，本實(shí)驗(yàn)采用的測量電路屬于變頻調(diào)幅式電路。

【實(shí)驗(yàn)儀器】

傳感器實(shí)驗(yàn)儀、GOS-620雙蹤20M”z示波器、OT2234A光電轉(zhuǎn)

速表、CN3166頻率計(jì)、微型調(diào)速電機(jī)、電渦流傳感器、JWY-30G直

流穩(wěn)壓電源等。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1.電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

(1)裝好傳感器和測微頭，使傳感器對準(zhǔn)鐵片中心，測微頭對準(zhǔn)平臺中

心孔。

(2)按圖2-4接線。用導(dǎo)線將傳感器接入渦流變換器的輸入端，將輸出

端接電壓表，將電壓表置20Vz檔(根據(jù)需要及時改變電壓表檔位)。

渦流變換器

(3)適當(dāng)調(diào)節(jié)傳感器高度，使其與被測鐵片接觸，電壓表從零開始讀數(shù),

調(diào)測微頭，每隔0.5〃?機(jī)用示波器觀察渦流變換器輸入端的信號幅度變化，

同時在表2T中記錄直流數(shù)字電壓表的讀數(shù)匕1

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出匕■e-X曲線，指出大致線性范圍,

求出線性區(qū)測量靈敏度：SFe=AVfe/AX。

2.研究被測體材料對電渦流傳感器特性的影響

(1)取下平價上的鐵測片，換上鋁測片，安裝好渦流傳感器，調(diào)整好位

置，裝好測微頭。

(2)接線同圖2-4,從傳感器與被測鋁片接觸開始，旋動測微頭改變傳

感器與被測體的距離，每隔0.5機(jī)m用示波器觀察渦流變換器輸入端的信號

幅度變化，同時在表2-2中記錄直流數(shù)字電壓表的讀數(shù)匕/o

(4)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出匕,-X曲線，指出大致線性范圍,

求出線性區(qū)測量靈敏度：5,“=A匕//以，并與鐵測片相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)

進(jìn)行對比。

3.電渦流傳感器的應(yīng)用——電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的測量

將直流電機(jī)的“+、極引線和渦流探頭“+、-”極引線分別接入穩(wěn)

壓電源的兩路輸出端，將探頭端電壓調(diào)到10V,渦流探頭的信號線（黑色）

接頻率計(jì)紅線，頻率計(jì)黑線接電源負(fù)極。調(diào)整直流電機(jī)的電壓為5V、

6V、7V>8V>9V、10V改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，用頻率計(jì)和光電轉(zhuǎn)速表

分別測量渦流探頭的輸出信號頻率/及電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)〃，將頻率計(jì)的測量數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)數(shù)值：=60/,記錄入數(shù)據(jù)表2-3,計(jì)算轉(zhuǎn)數(shù)測量的相對誤差:

8=--------Lx100%

n

4.（設(shè)計(jì)內(nèi)容）用示波器也可測量頻率、轉(zhuǎn)速。請同學(xué)自己設(shè)計(jì)表格測

出電機(jī)電壓為6V、8V、10V、12V時的電機(jī)轉(zhuǎn)速，寫出測量方法和步驟。

【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】

表2T電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定——鐵片

距離距離距離

乙/YFJV%/丫

X1mmvX/mmX/mm

0.52.54.5

1.03.05.0

1.53.55.5

2.04.06.0

線性區(qū)范圍：AX=mm,線性區(qū)測量靈敏度：SFe=\VAI/AX=

V/mm

表2-2電渦流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定——鋁片

距離距離距離

九八/匕八

X/mmX/mmX/mm%/v

0.52.54.5

1.03.05.0

1.53.55.5

2.04.06.0

線性區(qū)范圍：AX=mm,線性區(qū)測量靈敏度：SA,=AV4//AX=

V/mm

表2-3電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的測量

電機(jī)電壓頻率計(jì)讀數(shù)轉(zhuǎn)數(shù)光電轉(zhuǎn)數(shù)表轉(zhuǎn)數(shù)誤差轉(zhuǎn)數(shù)測量相

讀數(shù)〃/MIN對誤差

//s=60/△〃=n-nf

81%

5

6

7

8

9

10

【注意事項(xiàng)】

1、各插頭導(dǎo)線易拉斷，在實(shí)驗(yàn)中無論接線或拆線，都要拿插頭頂端插、

拔，勿拉導(dǎo)線。

2、渦流傳感器測試頭盡量對準(zhǔn)被測體中間，并使兩者平面平行。

3、控制激振器幅度，防止過大振幅導(dǎo)致撞擊測片而損壞儀器。

【思考題】

1.如何用渦流傳感器、頻率計(jì)監(jiān)控發(fā)動機(jī)主軸的徑向振動，軸端的擺

動及主軸各點(diǎn)振動狀態(tài)，分別寫出實(shí)施方法。

2.用頻率計(jì)測電機(jī)轉(zhuǎn)速也使用了渦流傳感器，試分析測量原理。

實(shí)驗(yàn)三虛擬儀器的應(yīng)用

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解虛擬儀器的組成。

2.學(xué)習(xí)數(shù)字存儲示波器、數(shù)字頻譜分析儀、函數(shù)信號發(fā)生器和模擬示

波器的使用。

3.通過對周期性矩形信號進(jìn)行頻譜分析，驗(yàn)證傅利葉變換的結(jié)果

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.虛擬儀器的組成

虛擬儀器是在微型計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種現(xiàn)代測試技術(shù)，早

期的虛擬儀器制做成板卡形式，插入計(jì)算機(jī)的ISA總線插槽內(nèi)，通過計(jì)算

機(jī)的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，在板

卡的后部引出測量端口進(jìn)行信號的檢測；目前使用的虛擬儀器基本是外置

式，通過計(jì)算機(jī)的并行口、USB口或IEEE火線口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，連

接非常方便。虛擬儀器的工作面板和所有操作功能均由軟件編程完成，界

血設(shè)計(jì)成類似通用的測試儀器，所有按鈕功能通過鼠標(biāo)操作完成，顯示的

數(shù)據(jù)直觀、逼真，并且可以將數(shù)據(jù)存儲和回放。根據(jù)使用的目的不同，虛

擬儀器可以形成函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字存儲示波器、數(shù)

字頻譜分析儀、頻率特性分析儀、數(shù)字頻率計(jì)和數(shù)字多用表等常規(guī)測試儀

器。以BRIGHTECH公司的WH5100系列虛擬儀器為例，該儀器包含有雙

通道40MHz存儲示波器、FFT頻譜分析、李沙育圖形、數(shù)據(jù)采集四大功

能模塊，相當(dāng)于一臺雙通道數(shù)字存儲示波器，但相對價格低廉，該儀器為

外置式，通過并行口與計(jì)算機(jī)相連，隨機(jī)附帶的驅(qū)動軟件可在Windows98

操作系統(tǒng)下使用，界面友好，操作簡便。

2.頻譜分析

根據(jù)傅利葉級數(shù)分析，任意一種信號均可以表示為一系列不同頻率的

正弦分量之和，對于周期性信號，其傅利葉級數(shù)的展開式為：

/⑴=4+2Xcos"Qr+j￡b“sin=年+gcos(nQ?-<pn)(5-1)

,n=ln=lZra=l

式(5?1)中：」——直流分量

2

2T/2

an=—j/(0cosnCltdt(n=0,1,2,3............)

1-T/2

2r/2

(幾

hn=—j/(Z)sinnCltdt=1,2,3、4............)

T-T/2

明、久稱之為傅利葉系數(shù)，各次諧波的振幅和相角為:

+b；(n=l,2,3、4............)

bn、

(pn=arctg—Cn=l,2,3、4............)

an

(1),以圖5?l(a)所示的對稱方波為例，經(jīng)傅利葉級數(shù)分解后的表達(dá)式

為：

4111

/(0=—(sinQr+—sin3Qr+—sin5Q,t+.......+—sinnQ.t+…)(5-2)

乃35n

式(5-2)中不但存在基波sin。，、而且存在3次諧波sin3cg5次諧

波sin5Qr……等奇次諧波，各奇次諧波的振幅與基波相比，分別為基波

111

的

、

3-5-、7-頻譜圖見圖5J(b).

n

(2).以圖5-2(a)所示的脈寬為r、單位幅度的周期性脈沖波為例，經(jīng)傅

利葉級數(shù)分解后的表達(dá)式為：

.nQ.r

c?sm----

/(，)=*+搟:fcos“Q(5-3)

11n=J2T

-T-

，頻譜的包絡(luò)呈正弦變化，見

圖5-2(b)o

.nn

T1sin—

a)當(dāng)T=4r,即7=—時，A=-―

4"2”

T

(5-4)

在〃=4,8,12>16.....,即刃=〃。=4。、8C、12C、16C、......

時,Atl=0,

在〃=0,6,10、14......,即0=就1=0、6。、10C、14。、......

時，=1/2、1/3萬、1/5乃、1/7萬、.....,達(dá)到峰值。

T.sin—

b)當(dāng)T=8?■，即r=—時，A“=」——H(5-5)

84?￡

在〃=8,16,24、32.....,即<y=〃Q=8Q、16Q、24Q、32。、......

時，An=0,

在〃=0,12,20、28...,即切=〃。=0、12C、20C、28C、....時,

A“=l/4、

1/6萬、1/10。、1/14萬、.....,達(dá)到峰值。

由此可以看出，保持信號周期不變，隨著脈沖寬度7的減小，頻譜包絡(luò)

內(nèi)的譜線密度增加，譜線的幅度減小，見圖5-3。

圖5-1(a)對稱方波波形圖圖5-l(b)對稱方波頻譜圖

圖5-2(a)周期性脈沖波波形圖圖5-2(b)周期性脈沖波頻譜圖

圖5-3周期性脈沖波脈沖寬度T與頻譜的關(guān)系

當(dāng)脈沖波的脈沖寬度7不變，而周期變長時，頻譜包絡(luò)線的零值所在

位置不變，相鄰譜線的間隔（Q=—）減小，即頻譜變密，當(dāng)Tfoo時,

T

相鄰譜線的間隔趨近于零，從而周期信號的離散頻譜過度到非周期信號的

連續(xù)頻譜，見圖54。

圖5-4脈沖波周期與頻譜的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)儀器和裝置】

虛擬儀器、計(jì)算機(jī)、函數(shù)信號發(fā)生器、雙通道模擬示波器

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1.數(shù)字存儲示波器的使用

開啟虛擬儀器、函數(shù)信號發(fā)生器和模擬示波器電源，信號發(fā)生器調(diào)整

為方波輸出，調(diào)整輸出頻率為lOOKHz,將模擬示波器的CH1通道接入信

號發(fā)生器的輸出端口進(jìn)行監(jiān)測，模擬示波器的CH1設(shè)置為DC輸入，調(diào)整

掃描速率“TIME/DIV”和幅度控制旋鈕“V/DIV”直到看到完整波形。將

虛擬儀器的“Al”輸入口接入信號發(fā)生器的輸出端口，啟動計(jì)算機(jī)進(jìn)入

Windows98,雙擊桌面上的WH5100B圖標(biāo)進(jìn)入虛擬儀器的操作面板，點(diǎn)

擊“運(yùn)行/停止”開始測量，此時虛擬儀器操作面板上的示波器屏幕應(yīng)有同

模擬示波器同樣的波形顯示，點(diǎn)擊Analog面板的“Al”切換為直流（DC）

輸入模式，調(diào)整“Volts/Div”窗口附近的或下拉箭頭改變信號幅度，

及水平調(diào)整面板“Horizontal”的掃描速率“Time/Div”窗口附近的

或下拉箭頭改變水平掃描速率，至示波器屏幕顯示的波形合適，改變信號

發(fā)生器的輸出波形、頻率和幅度，觀察存儲示波器與模擬示波器的顯示結(jié)

果。

2.頻譜分析儀的使用

（1）.在虛擬儀器面板上點(diǎn)擊“運(yùn)行/停止”鍵開始測量，將信號發(fā)生器調(diào)

整為方波輸出，調(diào)整輸出頻率為lOOKHz,調(diào)整輸出幅度為IV（用示波器

的“Volts/Div”測量），使信號發(fā)生器輸出如圖5-1（a）的波形，點(diǎn)擊“FFT”

按鍵進(jìn)入頻譜分析狀態(tài)，調(diào)整掃描速率“Time/Div”窗口數(shù)值直至“FFT”

窗口顯示的頻譜合適，此時頻譜窗口顯示的譜線應(yīng)與圖5-1（b）相似，微

調(diào)“FREQ”旋鈕稍微改變頻率使頻譜波形穩(wěn)定，記錄下此時信號發(fā)生器

的頻率值f,然后點(diǎn)擊“運(yùn)行/停止”鍵停止測量，用鼠標(biāo)拖動“FFT”窗

U的“Cursor”虛線至每一條譜線上測量譜線的幅度和頻率值（保留一位

小數(shù)），記錄入表5-1,根據(jù)式（5-2）計(jì)算譜線幅度及譜線幅度的測量值與

理論值之間的相對誤差：

與譜線幅度理論值-譜線幅度測量值

---------譜線幅度理論值--------X10（）%。

⑵.將信號發(fā)生器的偏置“OFFSET”旋鈕拉出并旋轉(zhuǎn)至示波器顯示的

波形處于水平線之上，調(diào)整輸出幅度為IV（用示波器的“Volts/Div”測量），

拉出并旋轉(zhuǎn)“DUTY”旋鈕改變波形占空比至1：4（即T=4r）,使信號

發(fā)生器輸出如圖5-2（a）的波形，點(diǎn)擊“FFT”按鍵進(jìn)入頻譜分析狀態(tài)，

調(diào)整掃描速率“Time/Div”窗口數(shù)值直至“FFT”窗口顯示的頻譜合適，

此時頻譜窗口顯示的譜線應(yīng)與圖5-2（b）相似，微調(diào)“DUTY”旋鈕稍微

改變占空比使頻譜波形穩(wěn)定（即各譜線幅度無大的起伏，并且譜線形狀不

變,此時波形占空比剛好為整數(shù)1:4）,記錄下此時信號發(fā)生器的頻率值f；

然后點(diǎn)擊“運(yùn)行/停止”鍵停止測量，用鼠標(biāo)拖動“FFT”窗口的“Cursor”

虛線至每一條譜線上測量譜線的幅度和頻率（保留一位小數(shù)），記錄入表

5-2,根據(jù)式（5-4）計(jì)算各譜線幅度的理論值（注意：由于所有譜線幅度

的測量值均是以第一條譜線幅度的相對值來表示，因此所有譜線幅度的理

論值應(yīng)換算成第?條譜線幅度的相對值）,并計(jì)算譜線幅度的測量值與理論

值之間的相對誤差：

與譜線幅度理論值-譜線幅度測量值

小-------譜線幅度理論值--------X10（）%。

⑶.旋轉(zhuǎn)“DUTY”旋鈕改變波形占空比至1：8（即T=8r）,重新微

調(diào)“DUTY”旋鈕稍微改變占空比使頻譜波形穩(wěn)定（即各譜線幅度無大的

起伏，并且譜線形狀不變，此時波形占空比剛好為整數(shù)1：8）,記錄下此

時信號發(fā)生器的頻率值然后點(diǎn)擊“運(yùn)行/停止”鍵停止測量，用鼠標(biāo)拖

動“FFT”窗口的“Cursor”虛線至每一條譜線上測量譜線的幅度和頻率，

記錄入表5-3,根據(jù)式（5-5）計(jì)算各譜線幅度的理論值，并計(jì)算譜線幅度

的測量值與理論值之間的相對誤差外O

⑷.使用完畢后關(guān)閉虛擬儀器，然后在Windows98桌面上從“開始”處

正常退出關(guān)機(jī)。

【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】

1.對稱方波的頻譜測量：

方波頻率/=KHz,信號輸出幅度為：V

表5-1對稱方波的頻譜測量數(shù)據(jù)

譜線頻率理譜線頻率測量譜線幅度相對譜線幅度相對譜線幅度測量相

論值/KH/值/K"z理論值/%測量值/%對誤差演/%

f=

3/=

5/=

If=

9/=

H/=

13/=

15/=

2.占空比為1：4的脈沖波頻譜測量:

脈沖波頻率f=KHz,脈沖寬度r=us,信號幅度:V

表5-2占空比為1：4的脈沖波頻譜測量數(shù)據(jù)

譜線頻率理論譜線頻率測譜線幅度相對譜線幅度相對譜線幅度測量

值/KHz量值/K”z理論值/%測量值/%相對誤差2/%

f=

2f=

3f=

5/=

6f=

7/=

9/=

io/=

H/=

3.占空比為1：8的脈沖波頻譜測量:

脈沖波頻率f=KHz,脈沖寬度7=us,信號幅度：V

表5-3占空比為1：8的脈沖波頻譜測量數(shù)據(jù)

譜線頻率理譜線頻率測量譜線幅度相對譜線幅度相對譜線幅度測量相

論值/KHz值/KHz理論值/%測量值/%對誤差怎/%

f=

2f=

3/=

4/=

5/=

6/=

7/=

9/=

10/=

H/=

12/=

137=

14/=

15/=

【思考題】

L幅度相同的正負(fù)不對稱與正負(fù)對稱方波的頻譜除直流分量外，交流

分量是否相等？為什么？

2.能否用頻譜分析儀測量和反映信號的失真程度？為什么？

實(shí)驗(yàn)四移相器與相敏檢波器實(shí)驗(yàn)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.理解移相器和相敏檢波器的工作原理。

2.學(xué)習(xí)傳感器實(shí)驗(yàn)儀和交流毫伏表的使用。

3.學(xué)習(xí)用雙蹤示波器測量相移的方法。

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.移相器的工作原理

移相器是由電阻、電抗元件、非線性元件和有源器件等構(gòu)成的一種電

路，當(dāng)正弦信號經(jīng)過移相器時其相位會發(fā)生改變。理想的移相器在調(diào)整電

路參數(shù)時，可使通過信號的相位在0°~360。之間連續(xù)變化，而不改變信

號的幅度，即信號可不失真地通過，只是相位發(fā)生了變化，圖6-1為移相

器的工作原理，其中相角*為經(jīng)過移相器所獲得的。

ui=Usincotu°=Usin(cot+<p}

----------------?移相器-----------------?

圖6-1移相器工作原理

2.相敏檢波器的工作原理

相敏檢波器是一種根據(jù)信號的相位來提取有用信號的處理電路，在外

部同頻控制信號作用下，用控制信號來截取輸入信號，相敏檢波器輸出的

直流分量為反映輸入信號與控制信號相位差的直流電壓，經(jīng)低通濾波器

LPF濾除高頻分量后得

到直流輸出信號E；相敏檢波器的組成框圖見圖6-2。

控制信號〃

圖6-2相敏檢波器的組成框圖

10<t<-

設(shè)控制信號表達(dá)式為：?'=]2

0-<t<T

I2

設(shè)輸入信號為：“=Usin（加+0），輸入信號與控制信號在時域中的關(guān)系見

圖6-3。

用控制信號截取輸入信號后得到：“°=”?“'，對“°積分并在一個周期內(nèi)

取平均得：

]7/2U7/2U,

E=—\Usin(cot+(p)dt=-----fsin(cot+(p)d{cot+(p)=-------[cos(cot+(p}\['2

T°coTo①T

=------[COS(JT+0)—coscp]------[cos冗cose一sin4sin(p-cos(p\=—cos(p

2乃2乃re

(6-1)

由式(6-1)可以看出，相敏檢波器經(jīng)低通濾波器輸出一個反映輸入

信號相位差的直流電壓，當(dāng)°=0時、即輸入信號與控制信號同相時

E=D,當(dāng)°=90。，即輸入信號與控制信號正交時，E=0。

利用相敏檢波器可以消除信號中干擾噪聲的影響。設(shè)輸入信號中包含

有噪聲信號〃”和有用信號人,即：M=〃,+〃“，則：

u0=u-uc=ucus+ucun,對“o積分并在一個周期內(nèi)取平均得:

JTJT

=不

E\ucUssin(cot+<ps)dt+—jucU?sin(at+<pn)dt

='[U,cos(s,-然)+U,,cosQ,-")]

71

通過移相器調(diào)節(jié)控制信號〃，的相位，使噪聲信號與控制信號相差90°

相角，此時：夕“一夕.=90°,貝限E=LCOS(R—鞏,)，即相敏檢波

兀

器的輸出僅含有有用信號％分量，噪聲信號被剔除。因此，相敏檢波器廣

泛用于通信領(lǐng)域和無損檢測領(lǐng)域等用于有用信號的甄別。

【實(shí)驗(yàn)儀器和裝置】

傳感器實(shí)驗(yàn)儀、雙蹤示波器、交流毫伏表。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

接通傳感器實(shí)驗(yàn)儀、雙蹤示波器和交流毫伏表電源，預(yù)熱10分鐘。

1.移相器相移量的測量：

在傳感器實(shí)驗(yàn)儀上找到音頻振蕩器、移相器模塊，將音頻振蕩器的輸

出端0°接到移相器的輸入端，地線用導(dǎo)線連接。雙蹤示波器的CH1、CH2

選定AC輸入，探頭衰減比1：1,觸發(fā)源模式MODE撥到“DAUL”，顯

示方式AEI7CHOP置“ALT”。CH1接音頻振蕩器輸出端，CH2接移相器

輸出端。交流毫伏表的L.CH接音頻振蕩器輸出端,R.CH接移相器輸出端。

調(diào)整音頻振蕩器的頻率旋鈕，用示波器觀察振蕩波形的周期為200us,此

時輸出頻率為5KHz；調(diào)整音頻振蕩器的輸出幅度旋鈕至輸出幅度為5V(用

交流毫伏表測量，注意：紅表筆接測量端，黑表筆接地，根據(jù)信號幅度合

理選擇量程)。保持音頻振蕩器輸出信號幅度5V有效值不變，調(diào)整移相器

移相旋鈕，在示波器屏幕上觀察CHI、CH2通道信號之間的相位變化。調(diào)

整掃描速率“TIME/DIV”和水平位移旋鈕"POSITION”，使得CH1音頻

振蕩器波型的過零點(diǎn)處于示波器屏幕某一條垂直分度線上，則CH2移相器

輸出信號波型的過零點(diǎn)相對于CH1在時間軸上的分度差A(yù)D/V即代表兩

通道信號之間的相位差，通過分度差可計(jì)算出時間偏差：

AT=±AD/Vx(TIME/DIV),注意觀察CH2波形相對于CH1波形是超

前還是滯后，如果CH2超前CH1,則AT為正值，如果CH2滯后CH1,

則AT為負(fù)值，根據(jù)A7可計(jì)算出相移量：夕=第'360°。

2.移相器輸出幅度與相移量關(guān)系的測量：

保持音頻振蕩器輸出信號幅度Vo=5V有效值不變，輸出頻率為

f=5KHz,調(diào)整示波器掃描速率“T1ME/DIV”為10us,調(diào)整移相器移相旋

鈕使得AT分別為24us、16us^8us、0us、-8us、-16us^-24us、

-32us、-40us、-48us、-56us、-64us時測量移相器輸出信號的幅度

Vd,記錄入表6-1,計(jì)算出相移量e=^x360°,在直角坐標(biāo)紙上畫出

Vd--(p曲線，確定理想相移范圍。

3.相敏檢波器實(shí)驗(yàn):

a）在傳感器實(shí)驗(yàn)儀上找到音頻振蕩器、移相器、相敏檢波器模塊和直

流電壓表，按圖6-4接線。將音頻振蕩器的輸出端0°接到移相器的輸入

端，地線用導(dǎo)線連接，移相器輸出接相敏檢波器的輸入端，音頻振蕩器的

輸出端0°接相敏檢波器的控制端，相敏檢波器的輸出端接直流電壓表正輸

入端（用直流電壓表代替低通濾波器LPF）,直流電壓表選擇20V檔。雙蹤

示波器的CHLCH2選定AC輸入，探頭衰減比為1：1,觸發(fā)源模式MODE

撥到“DAUL”，顯示方式ALT/CHOP置“ALT”。CH1接音頻振蕩器輸

出端，CH2接移相器輸出端。保持音頻振蕩器輸出信號幅度5V有效值不

變，輸出頻率為5KHz,調(diào)整示波器掃描速率“TIME/DIV”

為10us,調(diào)整移相器移相旋鈕使得AT分別為24us、20us、16us、12us、

8us、4us、Ous、-4us、-8us、-12us、T6us、-20us、-24us、

-28us、-32us、-36us、-40us、-44us、-48us>-52us、-56us、

-60us、-64us時記錄直流電壓表的測量數(shù)據(jù)E,記錄入表6-2,計(jì)算出

相移量e=蒙'360°,在直角坐標(biāo)紙上畫出E--夕曲線。

圖6-4相敏檢波器實(shí)驗(yàn)裝置連接圖

b）根據(jù)式（6-1）計(jì)算相敏檢波器輸出直流分量：

ITTO

E=-----cos°=----------cos^?（k=2,k為放大系數(shù)）,記入表6-2并在直

7171

角坐標(biāo)紙上畫出E--(p曲線。

【數(shù)據(jù)記錄與數(shù)據(jù)處理】

示波器掃描速率TIME/D1V-___us,振蕩頻率f=KHz,

振蕩器幅度M=V

表6-1移相器輸出幅度與相移量關(guān)系的測量

AT/usT/us^=—x36O°/°移相器輸出幅度%/V

T

24

16

8

0

-8

-16

-24

-32

-40

-48

-56

-64

表6-2相敏檢波器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

ATInsT/us夕=苧*360。/°電壓表讀數(shù)E/V檢波器輸出值E'/U

24

20

16

12

8

4

0

-4

-8

-12

-16

-20

-24

-28

-32

-36

-40

-44

-48

-52

56

-60

-64

其中：E是直流電壓表測量數(shù)據(jù)，單位：V,e是相敏檢波器輸出的直流分

量計(jì)算值，單位：V。

【思考題】

1.如果已知移相器是非理想的，但知道%--*的函數(shù)關(guān)系，能否將

其用于相敏檢波？為什么？

2.試舉出已知常見的移相器例子（非理想也可），畫出相應(yīng)電路圖。

實(shí)驗(yàn)五紅外測溫傳感器及紅外輻射計(jì)的應(yīng)用

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解紅外線的輻射與吸收，通過改變紅外輻射的強(qiáng)度來驗(yàn)證維恩位

移定律和斯蒂芬——玻耳茲曼定律。

2.學(xué)習(xí)紅外輻射計(jì)的使用。

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.黑體輻射

如果一個物體吸收任何波長全部輻射的能力等于它向外輻射的能力，

這個物體就稱之為黑體。黑體能夠吸收它輻射的全部能量，相同溫度下的

各種物體以黑體向外輻射的能量最大。自然界的所有物體對于投射到自身

的輻射能量，都有不同程度的吸收、反射和透射能力。設(shè)外界透射到物體

表面的總能量為E,其中一部分能量居被物體吸收，另一部分能量三被

物體反射，其余能量當(dāng)穿透物體。根據(jù)能量守恒定律有：

￡,EE.

—L+-^2-+-3-a+p+T-\

EEE

EE

其中：a——物體對輻射的吸收率；p=———物體對輻射的反

EE

射率；

r=生——物體對輻射的透射率；

E

對于黑體來說，在任何溫度下對于任何波長的輻射能量的吸收率等于

1,即：a=l,2=0,7=0。黑體的輻射率j=￡=1,如果物體的

輻射率J=￡<1,則該物體稱之為灰體。

黑體的普朗克定律：定義為單位表面積的黑體，以特定波長義在單位

波長間隔d/l內(nèi)，向周圍空間輻射的輻射度。表示為:

g（“）=（*）（.滔/二］）w/^；

（7-1）

式（7T）中：A---波長，fjm；

T——熱力學(xué)溫度，K；

C,=2兀hea=3.7418xIO』——第一輻射常數(shù)，

W-m2；

2

C2=//c/Jl=1.43879xlO-——第二輻射常數(shù)，mK；

其中：c=2.9979x1（）8——真空中的光速，