兰州交通大学：《大学物理实验》课程教学资源（教案讲义，打印版）基础性实验（20-40）

实验20半导体应变片的性能 利用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。压阻效应是 半导体品体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的现象。半导体应变片需 要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹性敏感元件上间接地感受被测外力利用不同构形 的弹性敏感元件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭知、加速度等机械量。半导体应变 片与电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高50一100倍）、机械滞后小、体积小、耗电少 等优点。P型和N型硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应力。早期 的半导体应变片采用机械工、化学腐蚀等方法制成，称为体型半导体应变片。它的使点是 电阻和灵敏系数的温度系数大、非线性大和分散性大等。这曾限制了它的应用和发展。自 70年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散型、外延型和薄膜型半 导体应变片，上述缺点得到一定克版。半导体应变片主要应用于飞机、导弹、车辆、舶、 机休、桥梁等各种设备的机祇量测量。 一、实验目的 了解半导体应变片的灵敏度和温度效应。 二、实验原理 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单品半导体 材料在某一轴向受到外力作用时，其电阻率·发生变化的现象。使用方法也是粘贴在弹性元 件或被测物体上，随被测试件的应变，其电阻发生相应的变化。半导体应变片最突出的优 点就是：灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小、横向效应小、体积小。主要缺点：温度稳 定性差、灵敏度系数非线性大，所以在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。 1.半导体材料的压阻效应 半导体材料的电阻率随作用应力而变化的现象称为半导体材料的压阻效应， 对于长1，截面积S,电阻率P的条形半导体应变片，在轴向力F作用下利用式 =1+2)e+△p/p的结果 设=0+2s+名：名==00m 0 0 应变灵敏系数 K,=△RK=0+2+p业≈E,E2 式中，E一半导体应变片材料的弹性模量： π，一半导体品体材料的纵向压阻系数，与品向有关。 2.单品体材料的品向

[001] 01j -Y [010] [io] x/0o0] [110] 图1品体物质的品向 为了便于描述单品体的品向，常采用图1所示常勒指数法，将品向表示成二位山0或1 组成的数宁，并加方括号表示。 三、实验仪器 CSY传感仪：直流稳压电源、主，副电源、半导体应变片、电侨、差动放大器、FV、 毫伏表、水银温度计（自备）， 四、实验内容及步骤 1.首先将差动放大器调零。将差动放大器的+、”输入端及地短接，输出端接FV表 的输入：开启仪器总电源及右下角15V电源开关，调节差动放大器调零旋钮使℉V表显示 为零，拔掉+、"输入线，关闭主副电源。 2.转动测微头使双平行梁处于水半位置（目测）. 3.将直流稳压电源打到肚2V档，将毫伏表打到0.5V档并调零。 4.按图2接线，图中R1为工作片（半导体应变片二片任选一片），R2为精素电阻，W1 为电桥平衡调节电位器。开启电源后预热数分钟全系统基本稳定后调整电位器W1使毫伏表 指示为0，同时将放大器增益打到适当位置（不宜过大，令最大输出为满量程的一半）。 +2V 2V 图2半导体应变片的性能 5.旋动测微头，记下梁端位移与表头显示电压的数值，每0.10mm或0.05mm记下位 移指示值和电压表显示数值。填入下表1

6.根据所得的结果计算系统的灵敏度S,并做出VX关系曲线。S=△V/△X 7.旋动测微头使梁回到水半位肾（此时电压表指示0）。将整流电源+15V或-15V接 入加热器，观察毫伏表指针的变化 8.等待数分钟，指针趋于稳定后，用数字电压表直接测出热电偶的输出，读出水银温 度计指示的室温血。关闭电源。 9.将2换成另一片半导体应变片，按图3接线。旋动测微头使梁回到水平位置（此 时电压表指示0).将整流电源十15V或-15V接入加热器，观察毫伏表指针的变化. 10.等待数分钟，指针趋于稳定后，用数字电压表直接测出热电偶的输出，读出水银温 度计指示的室温m。关闭电源、拆线。 +2V R 2V. 图3半导体应变片的性能 五、数据记录与处理 表1半导体应变片位移和电压 位移 /mm 电压m 六、思考题 1.金属应变片与半导体应变片的主要区别是什么？ 2.观察温度变化情况，将两次结果进行比较，分别讨论半导体应变片的温度效应 七、注意事项 1.必换应变片应先关闭整个电湖 2.不能将直流稳压电源开得过大，以免损坏半导体应变片或引起严玉的自热效应。 3.应正确选择补偿片。应变片从左至右的8对接线端中分别是：上梁半导体应变工 作片，2下梁半导体应变工作片，3、5上梁金属箔应变工作片，4、下梁金属箔应变工作 片，7、上下梁金属箔温度补偿片。 八、附录：CSY-998传感器系统实验仪 传感器安装台部分：

双平行振动梁的自山端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低 频激振器可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈郁片，双梁结构端部有较好的线性 位移。 传感器： 1.金属应变式传感器铂式应变电阻值：3502×4，温度补偿片×2。 2.热电偶（热电式）传感器直流电阻：102左右，山两个铜一康铜热电偶串接而成，分 度号为T冷端温度为环境温度。 3.差动变压器量程≥5mm直流电阻：52一102山一个初级、二个次级线圈绕制而成的 透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体，暗电阻≥0.lm2。 4.电涡流位移传感器：量程：3m,直流电阻：12一20，多股漆包线绕制的扁平线圈 与金属涡流片组成。 5.在尔式传感器山本VC公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度 磁场中，量程：土3mm 6.磁电式传感器直流电阻：302一402，山线圈和铁芯组成，灵敏度：0.5vms。 7.压电加速度传感器PZT5双压电品片和铜质量块构成。谐振烦率：>35KH: 8.电容式传感器量程：士5m,山两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容传感 9.压阻式压力传感器量程：15Kp阳，供电：4V,MPs压阻式压力传感器 10.光纤传感器光纤、发射、接收电路组成的导光型传感誉，线性范围：±1m,红外 线发射、接收，2×60股丫形、半圆分布

1.PN结温度传感器利用半导体PN结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器 灵敏度：-2mV/'℃。 12.热敏电阻半导体热敏电阻NTC:温度系统为负，25℃时为10KQ。 13.气敏传感器TP-3:洒精测量范用：50一2000ppm 14.湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH:几MQ一几K2,响应时间：吸湿、脱湿小于10 秒。海度系数：0.5RH%/℃，测量范田：10%R11-95%RH,工作温度：0℃-50℃。 15.光电传感器山光褐、达林顿输出及整形电路组成，2400r/min。 信号及变换： 1。由桥：用于细成应变中桥。提供组桥插来，标准中阴和交，直流调平衡树络 2.差动放大器：通频带0-10kHz,可接成同相，反相，差动输入结构，增益为1-100 倍的直流放大器， 3.电容变换器：山高频振荡，放大和双T电桥组成的处理电路 4.电压放大器：增益约为5倍，同相输入，通频带0-10KH2。 5.移相器：允许最大输入电压10Vp-p,移相范2±20°(50kHz时)。 6.相敏检波器：可检波电压须率0-10kHz,允许最大输入电压10Vp-p,极性翻转整形 电路与电子开关构成的检波电路。 7.电荷放大器：电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号 8.低通滤波器：山50Hz陷波器和RC滤波器组成，转折烦率35H。 9.涡流变换器：输出电压≥|8|V(探头离开被测物)。变颜式调幅变换电路，传感 器线园是振荡电路中的电感元件。光电变换座：山红外发射、接收管组成。 二套显示仪表数字式电压/频率表： 3位半显示，电压范用0200V、020V,频率范围3Hz2KH、10H220KH2。指 针式毫伏表：分500mV、50mV、5mV二档，精度2.5%。 二种振荡器音频振荡器： 0.4KHz一10KHz输出连续可调，Vp-p值20V,0°、180°反相输出，Lv端最大功率输出 电流0.5A.低频振荡器：1-一30Hz输出连续可调，Vp-p值20V,最大输出电流0.5A,V 端可提供用做电流放大器 二套悬臂梁、测微头： 双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装 有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式蝶旋测微头，可进行压力位移与振动实验 电加热器二组： 山电热丝组成，加热时可扶得高于环境温度30℃左右的升温。 测速电机一组： 山可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验 二组稳压电稳：

直流±15V,主要提供高性能低纹波小数温度实验时的加热电源，最大滋励1.5A ±2v士10vh挡输出，最大输出电流1A。提供直流微励源. 实验21光敏传感器的光电特性研究 光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直 接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等：也可用来检测 能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形 状、工作状念识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动 控制及智能机器人中得到广泛应用。 一、实验目的 1.了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 2.了解硅光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。 3.了解硅光短二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线 二、实验原理 1.光电效应 光敏传感器的物理基础是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子 发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管 等。电子并不逸出材料表面的则是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效 应。即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为外光电 效应和内光电效应两大类，几乎大多数光电控制应用的传感器都足此类，通常有光敏电阻、 光敏二极管、光敏二极管、硅光电池等。 (1)光电导效应 若光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光 子的能量，从原来的束缚念变成导电的自山念，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流 会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃 入导带，价带中山于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导 增加，杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃 迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长被限比本征型光电导的要长的多。 (2)光生伏特效应 在无光照时，半导体PN结内部自建电场。当光照射在PN结及其附近时，在能量足够 大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。流子在结区外时 靠扩散进入结区：在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。 结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势，此现象 称为光生伏特效应

2.光敏传感器的基本特性 本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种光敏传感器的基 本特性。光敏传感器的基本特性则包括：伏安特性、光照特性等。其中光敏传感器在一定的 入射照度下，光敏元件的电流I与所加电压U之间的关系称为光敏器件的伏安特性。改变照 度则可以得到一族伏安特性曲线。它是传感器应用设计时选并电参数的重要依据。光敏传感 器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光敏传感器的输出电压或电流与 入射光强之间的关系也称为光照特性，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的币要依据之 。掌握光敏传感器基木特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础。 (1)光敏电阳 利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电阻。目前，光敏电阻应用 的极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的 光控开关在我们山常生活中随处可见。 当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为： △o=△Pe4n+△ne4n (1) 在(1)式中，©为电荷电量，4p为空穴浓度的改变量，，为电子浓度的改变量，“表 示迁移率。 当两端加上电压U后，光电流为： A (2) 式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，A。为恒定的值， 因而光电流和电压成线性关系。 光傲电阻的伏安特性如图1所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值 随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而日没有饱和现象。 当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值

2 6 40 6 5 2 0 5 15 20 0 图1光敏电阻的伏安钓性曲线 图2光最电阻的光照特性曲线 光敏巾阻的光照特件则图2所示。不同的光敏中阳的光照特性是小不同的，但是在大多 数的情况下，曲线的形状都与图2的结果类似。山于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此 不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开 关量的光电传感器。 〔2)光敏二极管和光敏极管 光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏 极管的伏安特性类似，如图3、图4所示。但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大 好几丨倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它 们都能产生光生电动势，只因光电二极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时 没有电流输出（或仪有很小的漏电流）。 250x 1500L 200L 0.4 1000 1600Lx 1000 500L 图3光敏极管的伏安特性山线 图4光敏二极管的代安特性仙钱 光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是山于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏

极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是山于电流放大倍数的非线性所 全，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏 一极管。 thae-6 1上 B几x E/Lx 图5光敏二极管的光照特性曲线 图6光敏一极管的光照特性曲线 三、实验仪器 FD-LS一A光敏传感器光电特性实验仪，其工作面板如图7所示。该实验仪山光敏电 阻、光敏二极管、光敏二极管、硅光电池四种光敏传感器及可调光源、电阻箱，数宁电压 表等组成。 D1S-A光敏传感器光电特性实验仪 . 图7FD-LS一A光敏传感器光电特性验仪工作向板 光敏传感器处的照度通过调节可调光源的电压和光源与探测器之间的距离来调节 四、实验内容与步骤 1.光领电阻的待性测试

光电二极管 +1 1光橄电阻 +2W-+12四 图8光敏电阻特性测试罔 9光敏一极管特性测试接线网 1,1光敏电阻的伏安特性测试 (a)按实验仪面板示意图7接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装 入待测点，连结+2+12V电源，光源电压0-24V电源（可调）。 (b)先将可调光源调全一定的光照度，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电 阻上电压为+2V:+4V:+6V:+8V:+10V:+12V时电阻R1两端的电压UR,从而得到6 UR 个光电流数据 /1.0kQ,同时算出此时光敏电阻的阻值，即 Im。以后 调节相对光强重复上述实验（要求全少在三个不同照度下重复以上实验，数据填入表13）。 (c)根据实验数据画出光电阻的一族伏安特性曲线。 1.2光敏电阻的光照特性测试 (a)按图8接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装入待测点，连结 +2.+12V电源，光源电压0-24V电源（可调）。 (b)从UCC-0开始到UCC-12V,每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光 照度从男光产到港步带的无电流，即，一0k,同时并出先时光妆电阳的 Rs=Ve-Us 阻值，即： 。这甲要求企少测出15个不同照度下的光电流数据，尤其要 在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出完整的光照特性曲线，数据 填入表46中。 (©)根据实验数据画出光敏电阻的一族光照特性曲线。 3.1光敏二极管的伏安特性测试实验 ()按仪器面板示意图（图9）连接好实验线路，光源用标准钨丝灯，将待测硅光敏 二极管装入待测点光源电源电压用+0V~+24V(可调). (b)将可调光源调至一定的照度，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的