传感器实验指导书

传感器与检测技术实验指导书电子信息工程教研室目录KL62001型传感器实验器介绍。3实验一各类传感器特性实验。6实验二旋转角度传感器特性实验。15实验三近接传感器特性实验。18实验四光敏电阻CDS特性实验。21实验五红外线传感器特性实验。23实验六超音波传感器特性实验。36KL62001实验器介绍KL620实验系统是由实验箱KL62001和多个模块（640XX）组成。一、实验器前面板、后背板介绍与应用后背板如图11所示；前面板如图12所示。以下说明请对照图11图11后背板1电源开关主机电源线控制开关，往上压时电源接入，反之则关闭电源。2电源切换开关选择AC110V或AC220V的交流电压。往上扳是AC220V,往下扳则是AC110V。3保险丝座AC110V时保险丝用1A，220V时则用05A。4电源输入座提供交流电源的输入。以下说明请对照图121状态显示器及直流电压表当电源开关ON时，显示器应显示0000，代表电源输入正确。2LED组当电源开关ON时，DCVLED亮，代表模式为直流电压档，按RANGE开关（4）时，2000MV，20V档切换。3MODE模式此开关可切换直流电压档（DCV）或传感器SENSOR，当按此开关时，DCV/SENSOR切换。4范围选择开关（RANGE）在DCV模式下按此开关，200MV,20VLED切换变化。在SENSOR模式下按此开关，AUX、TEMP、RH、LUX、WEIGHT、NULL顺序变化。5直流输入端正端（红色端子）接待测电路正，负端（黑色端子）接待测电路负端。640PINIC座可接MICE、ICE或单晶片IC7单晶片输出控制端（1）当由12BIT所读取的资料比设定指拨开关高时，则由第1脚送出一个脉冲，如为低或等于时，则送出一低电位。若所读取的资料为满刻度时（即4095），七段显示器会闪烁，并且第1脚送出一个宽度为05秒的连续脉波。（2）2、3脚接地，再POWERON，即使外部记忆体测试，若七段显示器“1”，表示记忆体检查正确，若不显示或显示“0”或其它，均表示记忆体有问题。当记忆体测试正确后，把第2脚接成HIGH或浮接，程式即把指拨开关所读取的数值显示在七段显示器上，如此可测出指拨开关是否正常，数据是否错误。把第3脚再接成HIGH,程式则进入待机状态。若要再执行上面工作，则需将2、3脚接地，再开机。（3）当由12BIT所读取的资料比设定指拨开关高或等于时，第4脚送出一低电位，若为低时，则送出一高电位。（4）若开机后，把第8脚接地，即为POWERMODE,由电脑经由RS232C来控制，当第8脚浮接或接5V时，所测资料则由七段显示器显示。828PINIC座本实验器置放27C64IC原始程序在磁盘中。9设定指拨开关设定值由0000409510RS232C界面连接器25PINDTYPE连接器，提供RXD、TXD、GND等信号与电脑连接。本实验器的RS232格式只有一种，即传输速度为9600BPS,没有同位元，资料长度8位元及2个STOPBIT11D/ACONVERTER设定指拨开关的设定值由DA0DA11引出，且类比信号输出有OUT、OUT、OUTBP12A/DCONVERTER12位元类比到数位转换器，控制信号含有A/DIN、状态、过电压指示。数位输出则有AD0AD1113直流输出电压提供正负5伏、正负12伏电压，为一2MM输出端子装置及一组莲花型插座。14仪器放大器VI、VI接待测电路，VO输出，放大倍数大约11倍，VR1、VR2、VR3接至POTENTIOMETER第21项。15差动放大器具VI、VI、VO端子。16比较器具VI、VI、VO端子。17警报放大器SIGNAL输入最大电压12伏。18选择器为一PIO/SINGLECHIP及一MANUAL/SINGLECHIP选择。当CHIP接地时，A/DCONVERTER的信号与80C31单晶相通。MANUAL/SINGLECHIP当MANUAL接地时，即（1）、（2）、（3）、（4）、（5）项为一外测直流电压表。当CHIP接地时，仅（1）项显示器由单晶片控制。当改变（3）、（4）项时，其变化不影响CHIP的正常工作。19电位器100千欧BTYPE可变电阻器，可作未确定之增益控制。20模板脚座提供模板的放置位置，以防模板移动。二、KL62001连线规则SECTIONAREASIGNALTOSECTIONAREASIGNALSELECTPIO/SINGLECHIPCHIPSELECTPIO/SINGLECHIPGNDSECTION代表KL62001以黑框框起来的主要区域。AREA代表SECTION内的一组。SIGNAL代表实际的接点。三、使用前准备及使用步骤使用实验器前请遵循下列步骤检查1确定使用中的工作环境电源电压，若为220V,请将实验器背后的电源切换开关图11之（2）切至220V；若为110V，则切至110V,以避免不当的电源，使实验器的动作不正确。2取出3P式电源线，将一端的接头插入实验器背后之3P式电源座上图11之（4）；另一端插头直接插在交流电源座上。3打开实验器电源开关图11之（1），检查前面板的DISPLAY是否亮，如亮，表示本实验器应该可以正常工作。如DISPLAY不亮，请确定是否工作环境的电源电压以及保险丝是否烧断。实验一各类传感器特性实验一、实验目的1了解光敏晶体管、光遮断器的特性2了解磁感测组件的特性3了解磁弹簧、极限、振动开关的结构二、相关知识（一）光敏晶体管（PHOTOTRANSISTER）以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成的晶体管称为光敏晶体管。工作原理光敏晶体管一般在基极开路状态使用（外部导线右两条线的情形比较多），而将电压施加至发射极、集电极的两个端子，以便将逆偏压施加到集电极接合部。在此状态下，光线入射基极的表面时，受到逆偏压的基极、集电极间就有光电流（L）流过，发射极接地的晶体管的情形也一样，电流以晶体管的电流放大率（HFE）被放大而成为流至外部端子的光电流（LC）。用途1物体的检知以光学方式检知物体或符号的有无，并将其变换成电气信号时，其后的处理比较容易，这种情形在日常生活之中很多，光敏晶体管的第一个用途就是这个方面。图21位自动计数装置，图22位电动机的转速控制装置，图23位符号读取装置，图24位光纤电话的例子。以上的例子均是用来检出物的有无，而其所使用的光信号为0或1，而所施行的动作为交换动作。如前所述，光晶体适合于交换动作，而在需要直线性时，则以使用发光二极管比较有利。2电路的耦合利用光使两个电气电路耦合时，由于是处于电气的绝缘状态，故电路的构成比较容易。目前为达成目的，使用发光部及受光部成为一体的光耦合组件的情形比较多，而在需要考虑距离因素时，一般用发光二极管或光电二级管。3光的通讯工地现场或爬山时的联络等短距离的通讯，可以施行改变发光二极管的光，而利用光敏晶体管接受此改变后的光的光通讯动作。因此不必担心受到监听，也不必申请向无线电收发两用机那样的执照。（二）光遮断器（OPTOISOLATOR）具有在电气上保持绝缘状态而在光学上互相耦合的发光部与受光部的光电变换组件称为光耦合组件。工作原理光耦合组件的工作原理是利用发光部将电气的输入信号变为光，并在接受此光的受光部将光再变换成电气信号。依照发光部与受光部加以分类时可分为如表21所示的种类表21依照发光部、受光部的组合所分类的光耦合组件发光部受光部用途及其它发光二极管（可见光与红外线）光敏晶体管（单晶方与达林顿耦合为最普通的组合，此种组合的光耦合组件的产量最多，大部分属于逻辑用光耦晶方）合组件，也有少部分属于线性用光耦合组件。发光二极管（同上）光电二极管使用与线性用途。发光二极管（同上）光电二极管加放大器高速用光耦合组件中，有将PIN二极管与放大电路设于同一容器内者。发光二极管（可见光）硫化镉光导电电池输入输出的直线性良好，响应时间长，相反地有时去有利于噪声的除去。发光二极管（可见光与红外线）RCR适于大功率用。用途作为隔离器（ISOLATOR）、噪声遏制器（NOISESUPPRESSOR）、光继续器（三）磁感测组件（MAGNETICSENSOR）指取出磁场强度作为电器信号而构成的固态组件。利用霍尔效应（HALLEFFECT）取出磁场的强度作为电器信号而构成的电子零件称为霍尔组件。工作原理霍尔元件的工作原理也就是霍尔效应，所谓霍尔效应如图25所示，是指将电路I通至一物质，并对于电流成正角的方向施加磁场B时，在电流与磁场两者的直角方向电为差V的现象。此电压是在下列情况下所产生的，即如图25所示，有磁场B时，由于弗莱明（FLEMING）左手定则，使洛仑兹力（即可是流过物质中的电子或正孔向箭头符号所示的方向弯曲的力量）（LORENTZFORCE）发生作用，而将电子或空穴挤向固定输出端子的一面时所产生。电位差V的大小通常决定于洛仑兹力与其所发生的电位差而将电子或空穴推回之力（即及前者的力量等于后者的力量），而且与电流I乘以磁场B的积成正比。比例常数为决定于物质的霍尔常数除以物质在磁场方向的厚度所得的值。在实际的霍尔元件中，一般使用物质中的载流子为电子的N型半导体材料。将一定的输入施加至霍尔元件时的输出电压，利用上述的关系予以分析时，可以获得以下的结论（1）材料性质与霍尔系数乘以电子迁移率的积的平方根成正比。（2）材料的形状与厚度的平方根的倒数成正比。由于上述关系，实际的霍尔元件中，可将霍尔系数及电子迁移率大的材料加工成薄的十字形予以制成。用途霍尔元件有下列三种用法1事先使一定电流流过霍尔组件，用以检出磁场或变换成磁场的其它物理量的方法。2利用组件的电流、磁场及作为其变量的该两种量的乘法作用的方法。3利用非相反性（即在一定磁场中，使与输入端子通以电流时所得的输出同方向的电流流过输出端子时，在输入端子会产生于最初的电压反方向的霍尔电压的现象）的方法。（四）弹簧开关（REEDSWITCH）由强磁性体所组成，配置有两个以上的具有弹性而相向的舌片（簧片），利用外部磁场使两者闭合或离开，以施行电流的断或续为特征的交换组件称为簧片开关。作用原理簧片（强磁性体）依照线圈或永久磁铁所产生的外部磁场，使接点部闭合或开离，以施行电气能的切断或连续。簧片继电器与一般的继电器最大不同之点如下（1）电气电路与磁场回路使用同一媒体（簧片）。（2）由于开关与线圈互相分离，故可利用永久磁场加以驱动，仅要将接点部封入时，极为容易进行。（五）极限开关（LIMITSWITCH）极限开关是具有微小接点间隔与快动作（SNAPACTION）机构，利用规格的移动与力量施行开闭动作的机械开关。在利用机械的运动而开闭电气电路的电路中，极限开关的精度最高，检出特性最优。用途极限开关由于性能稳定，使用简便，除适用于检测出力量、运动、位置以控制电气电路的工作母机等产业机器以外，亦广泛使用于各种机器的操作用开关，电视机、音响机器等的消费用机器。工作原理图26表示基本型的极限开关的作用原理，在主动器没有施加外力的自由位置上，由于压缩弹簧的压力F1的关系，力F2与FO处于平衡状态，FO成为将可动接点C推向一方固定接点B的接点压力。常有力量施加至主动器时，F1与F2逐渐增大，不久只剩下F1与F2的力而已，FO0。当再使其变位时，会产生反方向的FO，压缩弹簧的强的力量将可动接点C强力的推向下方推出，于是可动接点C快速横过空间而移动至相对的接点A，而完成动作。外力出去以后的原操作的情形的作用原理也相同。由于具有这种弹簧机构，故可不受操作速度影响而利用开关固有的转换速度（开离速度）施行接点的转换。（六）振动开关（VIBRATIONSWITCH）振动开关之外观结构如图27所示。内部为一常闭式的振动弹簧开关，振动传感器的外壳附在待测物体上，借外壳的传导作用把振动波传到弹簧上，造成接点的弹跳现象，利用此现象，如在弹簧的端点加入一直流电压，而输入一连串的脉波，可以激发后级的控制电路。三、实验电路原理说明（一）光电晶体光控电路本电路由光电晶体所构成的光控开关电路。当光电晶体不受光时，C、E两端为截止状态，因此输出端为高电位。当受光时，受光强度的大小，输出电压随之做大小变化。（二）光遮断器当光遮断器的检测口没有物体通过时，发光二极管加一偏压，产生一光源，此一光源，照射光电晶体，集电极电流变大，使集电极电位（VO）下降。一旦光束被检测物阻断时，光电晶体的集电极电路下降，集电极电压（VO）上升。利用集电极电压的高低变化，并将输出波形加以调整，即可侦测物体的有无。三磁传感元件在被实验中，主要利用霍尔元件来检测磁通密度的大小，进而控制的目的。当磁极接近IC表面时，则IC的输出电压随着距离的接近而相对的上升，使输出端电压上升，进而可检测出磁通量的大小。（四）磁簧开关当磁场接近磁簧开关时，产生异极诱导，当极性吸力较磁簧的机械弹力高时，接点闭合使电流通过，加到电晶体的基极为高电位，使晶体导通，蜂鸣器响。当磁场消失时，磁性丧失，磁簧开关即回到常开状态，蜂鸣器不响。（五）极限开关极限开关有三个端子，COM端为共通点，NC为常关节点，俗称A接点，NO为常开接点，俗称B节点。利用NANDGATE接成锁定电路，当开关维持在正常状态时，即第6脚为低电位，使第4脚输出为高电位，因此LED1ON。当开关改变时，第1脚变成零电位时，使第3脚输出为高电位，因此LED2ON，LED1OFF。（六）振动开关本电路为一个利用振动开关，触发555计时电路，使蜂鸣器动作。NE555组成一个单稳态电路，当振动开关动作时，第2脚位低电位。使第3脚输出为高电位，电晶体导通，蜂鸣器动作。当第7脚的电位充电2/3VCC时，第6脚触发，第3脚又恢复为低电位。其输出波形如下所示。四、实验仪器设备1KL62001实验器。2模板KL64001，KL64002，KL64003。3连接线2MM065MM。4附件小磁铁五、实验步骤与记录（一）、光电晶体1、依图所示，取出KL64001模板的PHOTOTRANSISTOR区域。2、输出VO1端接KL62001STATUSDISPLAYDCVINPUT正端，接地接INPUT负端。3、KL62001接线图4、将KL62001主机的电源打开，此时显示器应亮。5、将KL62001STATUSDISPLAYDCVMODE选在DCV，RANGE定在20V。6、当光电晶体不受光时（用手将光电晶体的受光面遮住），量测VO1端的电压值，记录。7、当光电晶体受光时（以日光灯直射时），量测VO1端的电压值，记录。8、光源打开，移动光电晶体与光源的距离，记录。距离0CM5CM10CM15CM20CM30CM40CM50CMVO1（二）、光遮断器1、依图所示，找出KL64001模板的PHOTOINTERRUPTOR区域。VO2端接至KL62001STATUSDISPLAYDCVINPUT正端，接地端接至INPUT负端。2、KL62001接线图3、将KL62001主机的电源打开，此时显示器应亮。4、将KL62001STATUSDISPLAYDCVMODE选在DCV，RANGE定在20V。5、当没有物体在检测口时，光遮断器的光电晶体输出VO部分为多少6、若有物体在检测口时，VO2输出为多少7、将一厚纸板切成方波的形状，当缓缓移动纸片时，光电晶体输出VO2端有高、低电压的变化，将此信号接至示波器或者计数器，记录方波的周期。（三）、磁传感元件1、找出KL62001模板的MAGNETIC（HALLEFFECT）ANALOG区域。2、将VO4及接地端接至KL62001STATUSDISPLAYDCV的正端及负端。打开KL62001的电源。3、KL62001接线图。4、将KL62001主机的电源打开，此时显示器应亮。5、将KL62001STATUSDISPLAYDCVMODE选在DCV，RANGE定在20V。6、无磁场加入时，调整R910K，使输出为零负特。7、以磁铁接近霍尔IC时，在那一方面，霍尔IC无反应，记录。8、当以磁铁接近霍尔IC时，记录当磁铁与霍尔IC在距离多少是，输出有变化。9、改变磁铁的NS极，对霍尔IC的输出变化情形。10磁铁强度的大小，是否对霍尔IC的输出有影响。（四）、磁簧开关1、取出KL62002模板的REEDSWITCH区域。2、磁铁靠近磁簧开关，当距离多少时，蜂鸣器开始声响。（五）、极限开关1取出KL62003模板的LIMITSWITCH区域。2以手指轻压极限开关，观察LED的变化情况。（六）、振动开关1取出KL62003模板，找出VIBRATIONSWITCH区域。2将振动开关振动，使NE555动作，直到蜂鸣器有声响为止。3记录蜂鸣器动作的时间。4时间设定时间与公式T11RC是否相符如不相等，是叙述其原因。实验二旋转角度传感器特性实验一、实验目的1利用电位计检知角度。2使学生了解电位计的特性。二、相关知识大多数转换器归类为一般的运动，与固定点间的位移或某参考点间的相对位置等，有三种优越的转换器运动机械元件电位计POTENTIOMETER、同步器SYNCHRO及可变差动线性变压器LINEARVARIABLEDIFFERENTIALTRANSFORMERLVDT。基本的电位计原理是以滑动器沿着电阻元件滑动，如图31A所示。再由中间端子以和滑动器位置成比例的分压取作输出，输入电压则加于两端端子。更浅显的图解说明见图31B，已标注了输入激励以及输出电压。有电位计、分压计、电势计及可变电阻器等中文名称。回转精密电位计见图32，为具有圆柱内壁的杯状物，内有一中央圆柱形中枢，用以支撑一个可转动的轴心SHAFT，基座的功能是用来使电位计的工作元件能够精密地相互连结，并且用镶板PANEL或其他支撑结构来坚固地装设各元件位置。电位计的固有功能与准确度，端视外部精度是否足与内部匹配，以及基座容积大小而定，电阻元件所搭接的圆柱内壁表面，必须一样的圆度而且与对称轴同心。中枢的内外壁表面尺寸均须高精度，以使得轴承和轴能装入中枢及滑环中以确实吻合，如此才能与基座的圆柱形内壁同心，这整个装置系用来使中枢与支架MOUNT像标示针头、螺纹套管、精密导标PILOT等相配合，而且必须在与齿轮、驱动马达或支架上的类似相关机构之间的狭窄公差内被精确定位。电位计可使用金属或塑胶基座，若使用金属制品，须由铸件CASTINGS或棒料BARSTOCK机械加工，若使用塑胶制品，则通常由一精密模熔铸而成，金属表面的整修磨光是为了防止腐蚀，塑胶表面则是为了防潮与防止发霉。当要求高准确度时，使用金属基座较好，因为其尺寸能精密地加以控制，而且也稳固些。当考虑低成本或高频操作时，塑胶制品则较为适合，因为它较为便宜，而且基座与电阻绕组之间的分路电容保持最小。电阻式元件是精密电位计的重要部分，它通常由绝缘电阻绕线在一支撑结构上，电阻线上所涂的油漆涂料则用以防潮及避免短路等意外。绕阻部分的表面需要保持干净，平直而光滑，如此才能使滑动器得到良好的电式接触。除了所谈的对一固体环SOLIDRING绕线的环式绕阻TOROIDALWINDINGS之外，电阻式元件是以平绕方式，然后再弯成圆形，以便能装入基座中。抽头TAPS是一种电压接触，固定于电阻绕组的某些已知的突出点ANGULARPOINT上而且穿过一条导线与一外部电位计接头或内部分路电阻相连接。（如图33所示）抽头的制造乃是焊接一段电阻线至一圈绕组上，它们的设置外型呈突出状，做成0001英寸直径轴心的抽头，它能负载200MA的电流，而且基座输出可由抽头线来取得。通常抽头线都与一金属带焊在一起。此金属的另一端再与接头焊在一起。这种方法可使抽头电阻尽可能地降至最低，约在十分之几欧姆左右。三、实验电路原理说明如图34所示为旋转角度检知电路，SENSOR31为一十转绕线电位计。由R1与R2R3组成的分压电路，再由U1缓冲器得到一稳定的参考电压VF1，此稳定的参考电压送至SENSOR31十转电位计。参考电压为36V，因此经过十转的电位计，每一转360，十转计有3600，因此每一度的电压为1MV。因此角度的转换率为10MV/10，R6，R7，U4，R5，R4组成OFFSET电路，使VO31输出电压在0时，电压为零伏特。四、实验仪器、设备1KL62001实验器2KL64016模板3数字电表41/2位五、实验步骤与记录1将KL64016模板置于KL62001实验器上，并接上电源。2将电位计的刻度转至逆时针底（即0的位置）。3以数字电表或以KL62001上的DCV电表VF1点的电压，调整R2使VF1的电压为36V。4此时电位计的位置保持不动，改变R7使VO31的电压为零伏特。5改变SENSOR31电位计的刻度（如下图所示），记录VO31的输出电压实验三近接传感器特性实验一、实验目的1了解近接开关的特性2利用电磁式近接开关检知金属物体二、相关知识近接开关随其种类而有不同的动作方式、特性、机能，也有为特殊目的而开发的，日前仅就市面出售的基本型近接开关做介绍。表111选定适当的察觉器的查核点选定条件摘要选定条件摘要检出物体1物体的大小形状2物体的材质3物体颜色，表面状态使用环境1周围环境2温度3湿度4外乱检出条件1检出距离2察觉器的响应性3检出物体的移动状态4检出精度5察觉器装配空间6察觉器装配条件其它1驱动源2输出形态3价格4交期市售之近接开关可分为电磁式近接开关及电容式近接开关，兹将其特性分述于下1电磁式近接开关电磁式近接开关的检出电路如图41所示。此电路以振荡电路的振荡线圈做为检出头。在此检出头附近若无金属体，则常在振荡状态，有金属体接近时，则受到检出线圈的磁力线影响，而在金属体内感应发生涡流，同时振荡线圈的电阻变大而停止振荡，并获得输出。电磁式近接开关有检出头分离型和电子电路内藏型两种。也有角形、筒形、螺丝形等各种形状，可依装配方法和场地而加以选择。最近以螺丝形较多。其驱动电源使用直流12/24V或交流110/220V，最近产品也有以直流1040V，交流90250V广范围操作。但有一点要注意，虽说使用电压范围变广，也不是在其范围内就能满足所有特性，例如直流型使用12V电源时，以使用12V10的安定电源较能保障其特性。图41电磁式接开关的检出的电路A2线式近接开关的接续B3线式近接开关的接续图42交流近接开关的输出形态输出电路一般都是无接点输出。直流型的输出形态分成无近接物体时输出为OFF的常开NORMALOPEN型和逆动作的输出为ON的常闭NORMALCLOSE型。输出晶体管有PNP型和NPN型，配合控制电路而使用。交流型也是有常开和常开两中型，依负载驱动方式，而有42所示的2线式和3线式。2线式配线便利，但一定要和负载串联使用，否则会坏掉。2电容型近接开关电容型近接开关几乎和电磁式近接开关有相同的电路构造。电磁式为利用线圈部分发生的数10KHZ的磁力线，电容型为将数100KHZ数MHZ的高频率振荡电路的部分引出到检出电极板，由电极板发生高频率电场。若有物体接近此电场，则物体表面和检出电极板表面起分极现象，电容增大，因此更引起振荡，增加振荡幅而增加输出。因系利用分极现象，所以近接物体不限于金属、塑料、木材、纸、液体，只要是介电物质都可检出。电容型近接开关因检出电极板无法分离，所以都是一体型，也没有超小型的，形状有筒形和角形，这些近接开关外壳内常充填树脂，防水、耐震性佳，也可用于有灰尘或湿度高的场所。此种振荡型察觉器有效距离一般为数MM25MM，最大120MM。图43电容型近接开关的检知电路驱动电源大都为直流1040V、交流90250V的广范围型。动作距离约1025MM，最大40MM，其可操作距离无法与高频率型相比。其检出距离按做成盒子的金属板为基准，随检出体的大小、材质、含水量而异。检出材质的特性示于表示。利用因检出体不同而改变检出距离的特性，可检出非金属体内部的液体。动作领域和高频率型几乎一样，安装时要注意。三、实验电路原理说明本实习电路为利用电磁式近接开关，其电路如图44所示图44电磁式近接开关其特性如下直流电压1030VDC最大涟波10实地距离80SR磁滞15SR准确性5SR当传感器没有金属物接近时，输出端为高电位，经U3A之反相器后，VO22端为低电位，因此蜂鸣器没响。当金属物靠近传感器时，LED亮，输出端变成低电位，经反相后为高电位，因此晶体管Q1导通，蜂鸣器响。四、实验仪器、设备1实验器KL620012KL64008模板3电磁式近接开关五、实验步骤与记录1将KL64008模板置于主实验器上，并接上电源。2将近接开关零件插入模板中，打开主实验器电源。3当近接开关末接近金属物时，OUTPUT端及VO22端之电压为何4当近接开关接近金属物时，距离为何时，峰鸣器动作。实验四光敏电阻CDS特性实验一、实验目的1、了解光敏电阻CDS的特性。2、利用CDS的特性，应用在一般的光控电路中。二、相关知识光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS，通常使用热压结晶体之光电传导零件，其特性有1、光传导零件之特性CDS之相对灵敏度与照射光线之灵敏度有关，波长从5500至6500A1A1108CM之间有最大的灵敏度。2、照度特性在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小，适当的添加杂质，便能使照度在小11000LX流明范围内保持与光电流间的直线关系。3、时间响应特性光照射到零件，光电流达到正常值之63的时间，称为“上升时间”，反之，将光遮断，而光电流减少为原来的63之时间，则叫做“衰弱时间”。一般其值为10毫秒至数秒，若置于黑暗的时间较短而有照度愈强，向应时间就有愈短之倾向，此外，负载电阻增大，则上升时间就变短而衰弱时间就变长。4、温度特性CDS之禁带宽度高达24EVEV为电子伏特，故可以在20C70C之范围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著。5、光敏电阻CDS之符号如图51所示。图51光敏电阻符号三、实验电路原理说明在本实验电路中，我们利用光敏电阻将光线的强弱变为电阻值的变化，以达到光控制电路的目的，如图52为本实验电路，此时CDS是在正常的光线照射下工作的，调整R1使LED1刚好由暗转亮的程度，因为CDS的阻值不大，故电源电压经CDS、R1及R2的分压结果，使VB1点有一个电位存在，此VB1电压足以使Q1导通，故VB2点之电位必然下降，且Q2为PNP晶体管，故一旦其B极电压VB下降至低于射极电压VCC一个VBE偏压时，Q2便也导通了，所以LED1便亮了。图52CDS实验电路反之，用手遮住CDS所受的光时，CDS的阻值便增加了，促使VB1电压下降，一旦VB1小于07V时，Q1便截止了，所以VB2电压便上升了，故Q2的基极电压增加，便使Q2也跟着截止了，所以LED1便跟着灭了，故CDS受光照时，LED1亮，若CDS没有光照，则LED1亦跟着灭了。四、实验仪器、设备1主实验器KL620012KL64009模板五、实习步骤与记录1将KL64009模板置于主实验器上。2找到光敏电阻CDS之两端接点。3用三用电表欧姆档测量CDS在正常光线下的电阻值为_欧姆。4用手将CDS遮盖住，其电阻有何变化_增加或减少，此时CDS之电阻值为_欧姆。5用一个60W的灯泡照射到CDS上，其电阻值有何变化_增加或减少，此时CDS之电阻值为_欧姆。6你能否利用CDS设计一个简单的自动点灯电路吗。7接上直流电源，并打开主实验器电源，8将KL62001主实验器上，SELECT区，MANUAL/SINGLECHIP之MANUAL接GND。并将STATUSDISPLAYDCV，MODE切在DCV，RANGE切在20V。9调整R1，使LED正好是亮的，此时用电压表测量电路上之VB1、VB2、VO23三点的电压值，并将此三值记录于下表181中。10手遮住CDS受光的来源，使CDS没有受到光，此时LED1是亮的或灭了并测量VB1、VB2、VO23三点的电压，且记录于下表中。状态VB1点VB2点VO23点LED1状态CDS光照CDS无光照11动动你的头脑，若把CDS与R1及R2位置互换，则当CDS受光照时，LED1是亮的或是灭的12在本实验中，在正常的光线下所量得的CDS值，大约在百欧姆之间，有时高达2K左右，这要视测量时的环境而定。用手遮盖住CDS时，则CDS值会增加，可能高达数千欧姆之间，若用60W的灯泡照射下，则CDS值便下降到数十欧姆之间。所以我们可以得知，CDS是一种受光照控制的电阻，当光线增强时，其电阻会下降，反之光线减弱时，其电阻值会增加。状态VB1点VB2点VO23点LED1状态CDS光照07V415V292V亮的CDS无光照04V498V003V不亮的由实验结果得知，当CDS受光照时，VB1有07V，故Q1有了偏压而导通，故VB2点电压VB下降，所以Q2之VBE有了085VVCCVB5415085V的偏压而导电，所以有电流流经LED1，因此LED1亮了。当用手遮住CDS的光时，使CDS的阻值增加，促使VB1点之电压下降为04V因VB1点电压为CDS与R1及R2串联分压的，此电压不足以使Q1导电，故VB2点电压上升至接近电源电压，因此Q2之偏压亦不足了，只有002V而已VCCVB25V498V002V，所以Q2被截止了，故LED1没有电流流过，因此LED1不亮了。光敏电阻能将光线的强弱转变为电阻值的变化，这在自动控制上，用途十分的广泛，只要学者动动脑，必定可以设计出更多的控制电路。实验五红外线传感器特性实验一、实验目的1、了解红外线传感器的基本特性。2、了解红外线传感器的驱动电路。3、熟悉红外线传感器的收讯电路。4、了解红外线传感器在阶段控制中的应用。5、了解红外线传感器在各类仪表电路中的应用。二、相关知识发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元件。在本实验中，所要介绍的红外线发光元件，是以砷化镓（GAAS）的红外线发光二极管为主体，分别叙述其基本特性及应用电路。（一）基本特性1、电流电压特性红外线发光二极管其电气的整流特性阳极（ANODE即P侧）电压加正，阴极（CATHODE即N侧）电压加负，此时二极管所加的电压为顺向电压，因此电流便产生。而所加上的电压，须视所用半导体的结晶种类而异，一般而言砷化镓的红外线发光二级管约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须18V；绿色发光二极管切入电压约须20V左右。当加入的电压之后，电流上升极快，另外周围的温度对二极管的切入电压变化影响很大，当温度上升时，将使其切入电压数值降低。如果，二极管所加的电压为反向时，其电流流出几乎等于零，只有微小的漏电流，但是所加电压超过逆向耐压时，便立即有大量的电流通过，此种方式的连接方式，将损坏到元件的品质，甚至联元件烧毁，一般红外线二极管逆向耐压值约为36V，在使用时尽量避免有此种情形发生。2、损失红外线发光二极管的热损失，是因为元件所外加的电压VF，产生的电流IF累积而来的，其一部分能量作为光的发射，而大部分即形成热能量的发散。一般的损失值均以瓦特（W）单位表示。一般说来，电流及电压的损失，在最大值的60以下的范围内，元件使用上很安全，而电压及电流的损失最大值皆须以周围温度的参数值而定，这点是须注意的。3、发射束电流特性红外线发光二级管如加正向电压而产生电流时，就会发射出光线，一般可见光的发光二极管其输出光的强度是以光度表示的，而不可见光如红外线发光二极管其输出光的能量大小，是以发射束E表示，其单位为瓦特。发射束的意义是单位时间内，所能发射、搬移光的能量的多少。红外线发光二极管的发射束是有方向性的红外线的发射束大体上也是随电流比例而定，同时，发射束亦受周围温度影响，温度下降时，发射束反而增强；温度上升时，则下降（顺向电流一般都有一固定值），然而因热损失的缘故，元件上的温度便形增加，如此发光效率就会受到影响而降低。（定义发光效率发光束/顺向电流顺向电压）4、电流的最大脉冲驱动值欲得到大的发射束，就必须有大的电流通过，然而电流的通过又有一定限度，否则便会使元件本身温度上升，甚或损坏。在这种情况下，有一个变通的方法，就是采用脉冲驱动的方法。脉冲幅度窄时，其工作比（DUTY）就变小，而电流峰值就变大，而平均散逸功率仍保持原先定值，此时发射束相对增强，使得发光效率提高。使用红外线发光二极管，还要注意到寿命的问题，红外线发光二极管，如长时间连续通电发射光线时，其效率将会降低，此时我们称之通电不良。而通电不良的程度则视通电电流大小及通电时间长短决定。基于此观点，在设计发射束时，必须考虑这方面的宽度。一般在设计宽度须以最大值的60为标准。通电电流和不良率的关系，5、发光频谱发光二极管所发射的光波长，常因其所用的材料而异。砷化镓的红外线发光二极管，其峰值发光波长为940950NM，而人不能看到的光波长，大概就是在900NM上，这也是红外线的光我们人眼所不能看到的原因。图中虚线部分，是SI质光电晶体的相对分光感度，光电晶体的感光范围很大，其范围由500NM到1100NM，而其感光峰值约在800NM左右，所以光电晶体当红外线接收器时，须注意其它光线的干扰，为排除干扰可以在接收器的放大部分加入一个带通滤波器，以让红外线发光二极管发射出来光线的频率通过，如此可以减少很多不必要的干扰。6、方向特性红外线发光二极管的发射强度因发射方西而异。发射强度是以最大值为基准，方向角度即为发射强度的相对值。当方向角度为零时，其放射强度定义为10，当方向角度越大时，其放射强度相对的减少，发射强度如由光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角，此角度越小即代表元件的指向性越灵敏。一般使用红外线发光二极管均附有透镜，使其指向性更灵敏7、距离特性红外线发光二极管的辐射强度，依光轴上的距离而变，也随受光元件的不同而变。基本上光量度是随距离的平方成反比，且和受光元件特性不同有关。8、响应特性响应特性所指的是，红外线发光二极管加入电流后，至发光的时间，一般红外线发光二极管的响应时间是随着其制作方法不同而异。现在最快的是液体成长型红外线发光二极管，其响应速度约在13S，即在适当调节下，其使用频率约在300KHZ以下。一、驱动电路使用红外线发光二极管时，驱动电路的设计相当重要，好的设计能使红外线发光二极管的发光效率最高，且使用寿命增长，所以在此要特别介绍驱动电路。1、电阻负载驱动红外线发光二极管在使用时，须由电流驱动，又其发光强度是与电流成比例变化，所以电流控制方式的重要性就相对的增加了。图611所示为其电阻负载驱动方式，这是最简单的驱动方式，驱动电源是直流电源。在进行设计时，最重要的是在IF电流的控制，设计出的IF不能太大，若大于IF（MAX）则元件有烧毁的顾虑，IF若太小，则其发射束就会变小。另外在电源电压的取得也需注意他的稳定性，为求得发射光束的稳定，电源电压的稳定要求相对的提高，此时电源的微量变动，对电流影响就不大了。2、多个红外线发光二极管的串、并联驱动有时候用一个发光二极管的发射，其输出能力是不够的，因此也可同时采用多个发光二极管做发射，以加强其输出能量，多个红外线发光二极管的驱动有两种，一是串联，一是并联。图61是串联驱动的方式，计算该电路的IF在设计该电路时，须注意电源电压必须大于NXVF值。并联驱动的方式，计算该电路的IF在设计此电路时，须注意电源供应的电流必须大于NXIF值，否则红外线发光二极管的发光效率将降低很多。3、用电晶体作为定电流的驱动电路为求红外线发光二极管所发射出光束的稳定，也可借定电流电路驱动，定电流电路的设计可采用如图62所示三种方式，（A）图中采用齐纳二极管做定电压，可以得到IE电流又IFICIE,所以IFVZVBE/RE,式中VZ,VBE,RE皆为定数，所以IF固定不变，因此可以在晶体集电极串接很多个红外线发光二极管，且能很稳定的发射光束，但是所串接的红外线发光二极管，仍有一定限度，必须满足下列条件（B）图中是采用普通矽二极管串联当定电压源，计算方式同前式，只将VZ改为NVD，N视串联N个偏压二极管决定，（C）图中定电压源改用晶体，利用TR1的VBE电压当定电压源，所以IZ2VBE1/RE又IFICIE,所以IFVBE1/RE也是固定的电流。4、与TTLIC及CMOSIC的连线驱动由TTLIC与CMOSIC的电气特性可知，IC输出欲直接驱动红外线发光二极管，似乎很勉强。普通74系列的TTLIC，输出电流都不足供应红外线发光二极管动作所需电流，在CMOSIC方面40系列的IC，输出电流更不足以推动它，所以直接由IC驱动，并不是一个十分良好的设计，一般均在IC的输出加入一个电流放大单元，若所需发射功率不是很大时，可以采用单晶电流放大，若所需发射功率很大，那么可以采用达灵顿对加以驱动，图63（A）（B）即单晶驱动及达灵顿对驱动的电路。5正弦波调变驱动电路图64即正弦波调变的最简单的驱动电路，图中由红外线发光二极管，反向并联一只矽二极管，此作用在防止负半周正弦波加入时，造成的逆向破坏，当正弦波加入时，只有正半周能使红外线发光二极管动作，而发射出光束，至于负半周则由反向并联的矽二极管旁路，所以红外线发光二极管的放射光束只有正半周，无法将全部的信号，完全放射这是他的缺点。为弥补这个缺点，可将反向并接的二极管可兼具发射光束的功能，使得正弦波的信号能完全输出，但其中正负半周的连接部分仍然会有少许的失真，为避免此类失真，也可改换另一种电路形态，如图65所示，为晶体式的调变电路，此类电路兼具放大功能，其原理仍利用晶体的工作区做A类放大，如图66所示，其输出信号是一个不失真的正弦波，由于红外线发光二极管是单向导电的元件，所以利用此偏压方式，提供其直流准位，如此一来才可以使输出的正弦波能够全部输出，下列即为该电路的分析。令调变输入为零，计算其直流偏压20MA是末加入调变信号时，流过红外线发光二极管的电流，当加入调变信号之后，晶体回按比例将输入信号放大，此时，流过红外线发光二极管的电流变成20MAIE，利用提升准位的交流变动信号，既能完整的将输入调变信号传送出去。5、脉冲波调变驱动电路红外线发光二极管用脉冲调变，也是传达信号的一种方法，而且也是一种较理想的方式，在前节曾经提过，如果红外线发光二极管，流过大量电流就会得到大的发射束，但是电流的极限，受到规格的限制，因此，利用脉冲调变方式降低其平均电流，就可能容许有比较大的峰值电流流过，使得发射光束相对的增强。下面就介绍几种脉冲驱动方式，供给参考。图67所示，为电晶体多谐振荡驱动方式，利用TR1，2形成无稳态振荡器，其工作周期可由R1，R2，C1，C2决定，TR3则负责电流放大，GL520则为红外线发光二极管。图68，69均是利用IC形成振荡电路，为了控制工作周期，我们可以分别在图68及69加入D1及D2，如此一来就可以控制振荡周期，两个电路的输出驱动均利用达灵顿电路，图68中ZD1，则是保护TR1及TR2用的，C2则为滤波电容用来稳定电源、消除杂讯。图610为一个UJT振荡驱动电路，为求得很窄的脉冲调变，则使用UJT是最恰当不过的，UJT本身是负电阻元件，可以作为驰张振荡器，利用R1与C1的充电方式，获得激发电压，形成振荡，在GL520上可取得峰值很高的脉冲。图611，则是利用NE555，做为脉冲产生电路，为调整其工作周期，也可分别加入D1及D2控制它。其输出的脉冲仍然利用晶体驱动它。图612，为一个经过载波调变的脉冲，其调变出来的信号如图612所示，此种方式的调变可以提高S/N比，也可防止同频率信号的干扰，因为在空间中要出现和此类信号完全一样杂讯，几乎是不可能。二、收讯电路收讯电路和驱动电路是相对应的，驱动电路是负责将信号发射出去，而收讯电路则是将发射出的信号接收并予以处理，红外线的信号经过空间的传输之后，势必会受到衰减及干扰，因此一般收讯电路，利用光电晶体或红外线接收二极管接收到信号之后，一定得送入放大极，有时为了使信号能原先重现，也可加入些许补偿电路，下面就介绍几个常用的收讯电路。1、晶体放大收讯电路利用晶体放大作为收讯电路的方式也有很多种，如图613所示有四种简单的收讯电路，（A）图为集电极回授放大电路，计算其输出电压VORF（IPIC/HFE）VBE，式中IP电流随外来红外线信号而变，因此，所取出的VO电压，即为红外线信号的函数。将（A）图的收讯二极管，并联上RBE电阻，其输出的直流准位可以进行调整，而输出电压VO将变为将（A）图的电路多加上发射极随耦器，即如（C）图的电路，加上了发射极随耦器之后，将更有益于信号的检测及信号的耦合，（D）图是直接由一个发射极随耦器组成，该晶体直接放大光电晶体，所侦测出的电流，将它转换成电压输出。电路中001的电容是做消除杂讯的功能。2、运算放大器的放大收讯电路使用OPA来当做收讯放大电路，是个很理想的选择，理论上OPA能将输入信号做无穷大的放大，虽然实际无法做到，但只要稍加补偿，就能将输入信号做相当大的线性放大。图614A所示为一个非反相放大，它可将红外线接收一个极体所侦检出的信号做1R2/R1倍的放大，在放大倍数太大时，输出信号会有一些振铃，我们可以在R2两端并联5P15P的小电容，用以衰减高频增益，取得响应良好的信号。图614B所示，为一个微小信号的取出电路，其增益理论上是无穷大，所以在微小的照度下，还能保证到照度和输出的比例关系。图614C所示，红外线接收二极管是加在反相输入端，同时有供给直流偏压，由于加入的直流偏压是反偏，将使接收二极体的接面电容减少，使得响应速率增高。但是在高温时，将造成逆向漏电流的增加，影响到信号检出的真实性。图614D为消除逆向漏电流的影响，而利用电容做连结交流放大电路，因此直流成份将被滤除，只对外来的交流信号做放大功能。另外还有一点需注意的是OPA偏压电流的补偿，一般若做反相放大，则必须在非反相输入端串一个电阻至地，其阻值和非反相端的等效总电阻值相等。3、各种类型放射信号的收讯检出由于放射束，放射过来的信号有直流、交流弦波、脉冲、载波调变信号等不同信号，所以在接收信号时必须了解放射束所放射出来的信号类型，才能予以接收处理，同时也必须决定要以何种信号型态检出，在检出信号方面的类型大致也可分为两类，直流与交流。在直流信号的检出方面，如果接收到的信号是直流、一般是可以直接输出，但为了消除空间中的噪声干扰，也可加入滤波电路。如果接收到的信号是交流信号，欲得直流检出，则可加入适当的整流滤波予以直流化。在交流信号的检出方面，如果是要做原型信号的检出，则只要在做般般的交流放大之后，再略做补偿，使得原来的放射信号重现即可，在交流检出方面有一个比较特殊的信号，即经载波调变过的放射信号，由于此类信号包含有两种频率，收讯电路接收了信号之后，为处理该信号，则须先经带通滤波器，经过了带通滤波器之后，可将信号分离，再做处理。这是一种很理想的信号传输方式，只是在接收讯号的处理方式上较麻烦罢了。下面是一种较简单的带通滤波器介绍，图615所示是一种简单的带通滤波器电路，其设计方法加下所述1决定FO,Q，GO令FO1KHZ，Q20，G1002选择RM值及C值。利用FO1/2