中学生物理实验应用设计3-5

物理实验设计与应用三、非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四、温度传感器温度特性测量及发光二极管应用五、光敏传感器光电特性测量及应用2013年10月1/22/20241实验三非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用1/22/20242研究对象：

研究任务：非线性元件的伏安特性非线性元件一、实验任务的定位研究内容：

普通二极管伏安特性的测量

稳压二极管伏安特性的测量

——二极管+PN1/22/20243概念解析——伏安曲线0UI0UI研究对象：

电子元件工作环境：

处于电路中状态描述：

元件两端有电压、元件中有电流图线表征：

横坐标—电压、纵坐标—电流——元件电流和电压的关系曲线伏安曲线概念表征：

线性特征非线性特征、线性与非线性一、实验任务的定位0UI伏安法——利用伏安曲线研究元件特性的方法

线性与非线性元件、伏安法1/22/20244二、实验方案的策划非线性元件伏安特性的测量——Pn结及其特征学科原理Pn结的形成:Pn结的特性:当P型和N型半导体接触时,空穴会从P型半导体向N型半导体扩散,电子会从N型半导体向P型半导体扩散.在界面附近的结区存有空间电荷区.P型半导体一边的空间电荷是负离子.N型半导体一边的空间电荷是正离子.PN1/22/20245二、实验方案的策划学科原理非线性元件伏安特性的测量——Pn结的空间电荷区变窄.作用:Pn结处于正偏置:——外电场下的Pn结及其特征——使载流子的扩散电流增加引起正向电流.

当P区处于正电位、N区处于负电位.+1/22/20246二、实验方案的策划学科原理非线性元件伏安特性的测量——外电场下的Pn结及其特征作用:——Pn结的空间电荷区变宽.当P区处于负电位、N区处于正电位.Pn结处于负偏置:——形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流.+Pn结具有单向导电的特征1/22/20247实验原理

——普通二极管的伏安特性二极管处于正向偏置工作状态

二、实验方案的策划非线性元件伏安特性的测量DUI/mA80604020-25-50U/V00.40.8死区电压正向击穿电压反向Ub当正向电压小于某电压二极管将处于为非导通状态.当正向电压达到某一电压之后流经二极管的电流会迅速变大.主要参量：UD称为正向导通阈值电压.

If为二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流.

+1/22/20248实验原理

二、实验方案的策划非线性元件伏安特性的测量当反向电压小于某电压二极管将处于为非导通状态.Ub为反向击穿电压Is是反向饱和电流DUI/mA80604020-25-50U/V00.40.8死区电压正向击穿电压反向Ub当反向电压达到某一电压之后流经二极管的电流迅速变大.主要参量：——普通二极管的伏安特性+二极管处于反向偏置工作状态

1/22/20249实验原理

二、实验方案的策划非线性元件伏安特性的测量UD称为正向导通阈值电压.If为稳压管正常工作时允许通过的最大正向平均电流.——普通稳压管的伏安特性主要参量：-2-4-6-82.55.07.510.0I/mAU/VUw-5-10-15-20反向正向00.40.8稳压管处于正向偏置工作状态

当正向电压小于某电压稳压管将处于为非导通状态.当正向电压达到某一电压之后流经稳压管的电流迅速变大.+1/22/202410实验原理

二、实验方案的策划非线性元件伏安特性的测量稳定电压U最大稳压电流Imax

主要参量：-2-4-6-82.55.07.510.0I/mAU/VUw-5-10-15-20反向正向00.40.8稳压管处于反向偏置工作状态

当反向电压小于某电压稳压管将处于为非导通状态.当反向电压达到某一电压之后流经稳压管的电流迅速变大.+——普通稳压管的伏安特性1/22/202411实验部件

电路器件:三、实验装置的构建非线性元件伏安特性的测量直流稳压电源电路结构:——检测普通二极管伏安特性的电路元件及组合+BI/mARx1KUIA+D(正向）R100Rx1KR100C5V....23U/Vd21组成分压、制流电路电表连接采用外接法可变电阻器限流与取样电阻数字电表等正向偏置电压一般约为5V1/22/202412实验部件

电路器件:三、实验装置的构建非线性元件伏安特性的测量直流稳压电源可变电阻器限流与取样电阻数字电表等电路结构:——检测普通二极管伏安特性的电路元件及组合组成分压制流电路反向偏置电压一般约为10V++I/mARx1KU/VUIAD(反向）R1KCB24V...Rx1KR100.4354d电表连接采用内接法1/22/202413四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量测量普通二极管的伏安特性

⑴分压、限流电路电路特性的检测①完成右图电路的搭建.②对该电路的分压与限流特性以及对电路电压的调控性能进行检测.I/mARx1KRx1KR100U/VUIACB++R100R1005V....R1123121/22/202414四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量测量普通二极管的伏安特性

⑵用数字式多用表测量二极管的极性欧姆法测量方式测量档位将红黑表笔并接在二极管两端.电表测出的电阻较小时，红表笔对应的二极管端即为二极管的P极.分别测量出两种并接方式电表的读数.测量过程极性判断档位、×2K——表笔插孔同上1/22/202415四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量测量普通二极管的伏安特性

⑶二极管伏安特性的测量可变电阻Rx1由小逐渐增大,观察正向电流.①利用右图电路测量二极管正向伏安特性.+BRx1KUAD(正向）R100Rx1KR100C5V....23U/Vd21实验数据的采集——出现正向电流后约6-8个测量点.当出现正向电流时,开始记录电压电流数据.当正向电流达到10mA时结束数据采集.1/22/202416四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量依据二极管的反向伏安特性,参照测量二极管正向伏安特性的操作思路进行实验数据的采集.②利用右图电路测量二极管反向伏安特性.⑶二极管伏安特性的测量测量普通二极管的伏安特性

实验数据的采集——约10个测量点、最大电压约10V即可.+Rx1KU/VUAD(反向）R1KCB24V..Rx1KR100.4354d.1/22/202417四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量测量稳压二极管的伏安特性

⑷稳压二极管伏安特性的测量依据稳压二极管的正向伏安特性,参照测量二极管正向伏安特性的操作思路进行实验数据的采集.①利用右图电路测量稳压管正向伏安特性.当正向电流有突变趋势并≥10mA时,须立即调低电压,结束数据采集.+BRx1KUAD(正向）R100Rx1KR100C5V....23U/Vd21实验数据的采集——出现正向电流后约6-8个测量点.1/22/202418四、实验步骤的策划非线性元件伏安特性的测量测量普通稳压管的伏安特性

⑷稳压二极管伏安特性的测量依据稳压管的反向伏安特性,参照测量二极管反向伏安特性的操作思路进行实验数据的采集.②利用右图电路测量稳压管反向伏安特性.当反向电流有突变趋势并达到20mA时,须立即调低电压,结束数据采集.实验数据的采集——出现反向电流后约6-8个测量点.+Rx1KU/VUAD(反向）R1KCB24V...Rx1KR100.4354d1/22/202419序号123456……UD（v）UR（v）五、实验数据的采集非线性元件伏安特性的测量实验数据不能少于10个.在作图纸上描出正向伏安特性曲线.求出二极管正向导通阈值UDID（A）1—1、普通二极管正向伏安特性

+BRx1KUAD(正向）R100Rx1KR100C5V....23U/Vd211/22/202420序号123456……UD（v）UR（v）五、实验数据的采集非线性元件伏安特性的测量实验数据不能少于10个.在作图纸上描出反向伏安特性曲线.ID（A）1—2、普通二极管反向伏安特性

+Rx1KU/VUAD(反向）R1KCB24V..Rx1KR100.4354d.1/22/202421序号123456……UD（v）UR（v）五、实验数据的采集非线性元件伏安特性的测量ID（A）实验数据不能少于10个.在作图纸上描出正向伏安特性曲线.2—1、普通稳压二极管正向伏安特性

+BRx1KUAD(正向）R100Rx1KR100C5V....23U/Vd211/22/202422序号123456……UD（v）UR（v）五、实验数据的采集非线性元件伏安特性的测量实验数据不能少于10个.在作图纸上描出反向伏安特性曲线.求出稳压二极管的稳压值UWID（A）2—2、普通稳压二极管反向伏安特性

+Rx1KU/VUAD(反向）R1KCB24V...Rx1KR100.4354d1/22/202423还有什么元器件得到的伏安特性曲线是非线性的？实验思考：1/22/202424实验四温度传感器温度特性测量及应用1/22/202425测量各种温度传感器的温度特性温度传感器一、实验任务的定位研究对象：

研究任务：测量Pt100型铂金属温度传感器的温度特性测量NTC型热敏电阻的温度特性测量Pn结温度传感器的温度特性研究内容：

测量电流型（AD590）温度传感器的温度特性测量电压型（LM35）温度传感器的温度特性1/22/202426温度传感器的温度特性的测量热电阻型Pt100铂电阻温度传感器-200—0℃：0—650℃：0—100℃：——0℃:Rt=100Ω,100℃:Rt=138.5ΩA1是温度系数,约为3.85×10ˉ³/℃.1/22/202427温度传感器的温度特性的测量NTC型(负温度系数)、PTC型(正温度系数)热敏电阻型

T/℃0NTC4080120160200ρ/Ω.cm

PTC1/22/202428温度传感器的温度特性的测量在保持Pn结的正向电流恒定的条件下:通常取I=100μA.Pn结的正向电压U和温度T近似满足下列线性关系:式中:

Ugo为材料参数,K=-2.3mV/0C为Pn结的结电压温度系数.

Pn结型

U=Kt+Ugo1/22/202429温度传感器的温度特性的测量特点：其输出电流大小与温度成正比，灵敏度为1μA/K。AD590等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗很大。电流型（AD590）

1/22/202430温度传感器的温度特性的测量特点：其输出电压的线性极好，输出电压的温度系数电压型（LM35）

+-U01/22/202431温控仪构造温度显示器②——加热井①温控设置按钮③Pt100(A)接线柱④实验部件

——温度传感器——可调热源二、实验装置的构建②①④③预设温度显示器⑤⑤温控仪、电路元件及组合电压表661/22/202432测量电路直流电桥温度传感器的温度特性的测量——电路类型恒流电路二、实验装置的构建实验部件

——温控仪、电路元件及组合Pn结电路——Pt100温度传感器——NTC温度传感器——Pn结温度传感器直流电桥恒流电路Pn结电路电源1/22/202433Pt100铂电阻温度特性的测量

温度传感器的温度特性的测量⑴将Pt100铂电阻温度传感器处于可被测量状态①将Pt100铂电阻(A级)温度传感器插入加热井的中心井.②将待测Pt100铂电阻插入另一井.③对加热控制系统进行状态设置.要求温控梯度为5或10℃/每次.④用直流电桥测量电路(电源电压取+2V),完成测量电路的连接.三、实验步骤的策划1/22/202434温度传感器的温度特性的测量①从室温起开始测量,温度间隔为5或10℃,稳定时间约2min.②温度稳定后,调整电阻箱R3使电桥平衡.记录数据R3值.③改变温度(6次),测量并记录不同温度时的R3值.⑵Pt100铂电阻温度特性的测量三、实验步骤的策划Pt100铂电阻温度特性的测量

1/22/202435温度传感器的温度特性的测量.NTC热敏电阻温度传感器温度特性的测量⑴将NTC热敏电阻温度传感器处于可被测量状态②将NTC热敏电阻温度传感器插入加热井.③选用恒流电路为测量电路(电源电压取+2V),完成测量电路的连接.三、实验步骤的策划①保持Pt100铂电阻(A级)温度传感器处于加热井的中心井.1/22/202436⑵NTC热敏电阻温度传感器温度特性的测量①温度设定：同上.②温度稳定后,测量NTC热敏电阻温度传感器两端的电压值.③再测量R1两端的电压值.④改变温度(6次),测量不同温度的NTC传感器与R1的电压值.三、实验步骤的策划.NTC热敏电阻温度传感器温度特性的测量1/22/202437三、实验步骤的策划PN结温度传感器温度特性的测试⑴将Pn结温度传感器处于可被测量状态②将Pn结温度传感器插入加热井.③参照右图(电源电压取+2V),完成测量电路的连接.①保持Pt100铂电阻(A级)传感器处于加热井中心井.1/22/202438①温度设定：同上.②温度稳定后,测量Pn结温度传感器正向导通电压Ube

.③改变温度(6次),测量不同温度时Pn结正向导通电压的值.三、实验步骤的策划⑵Pn结温度传感器温度特性的测量PN结温度传感器温度特性的测试1/22/202439用直流电桥法测量Pt100铂电阻的温度特性

序号123456t（℃）253035404550R（Ω）Rt（Ω）四、实验数据的采集将测量数据用最小二乘法直线拟合,求出结果:温度系数A=,相关系数r=

1/22/202440用恒电流法测量NTC热敏电阻的温度特性

序号123456t（℃）室温3035404550UR1（V）四、实验数据的采集将数据进行lnRT与1/T转换,再用最小二乘法直线拟合,求出结果:Ut（V）Rt（Ω）温度系数B=,相关系数r=

1/22/202441将测量数据用最小二乘法直线拟合,求出结果:PN结温度传感器温度特性的测试序号123456t（℃）253035404550Ube（V）四、实验数据的采集结电压温度系数A=,相关系数r=

U=Kt+Ugo

1/22/202442

TCF-708智能控温仪简便操作法设定加热温度:在正常工作状态下,按SET键0.5秒进入主控设定状态(SO)按上、下三角键增加、减少设定温度至所需设定温度按SET键0.5秒退出主控设定状态.SET1/22/202443PID自适应整定:在正常工作状态下,按SET键3秒进入参数设定区(LOK)继续按SET键(每次0.5秒)至自适应整定(AT)按上、下三角键至01.按SET键3秒退出设定状态.

TCF-708智能控温仪简便操作法SET1/22/202444UU控温精度微调:在正常工作状态下,按SET键3秒进入参数设定区(LOK）.继续按SET键(每次0.5秒)至控温精度微调(UU).按上、下三角键至所需参数(5%-40%),按实际控温精度情况选择.

TCF-708智能控温仪简便操作法SET1/22/202445

实验五光敏传感器光电特性测量及应用

1/22/202446研究对象研究目的光敏传感器——光敏二极管光敏传感器光电特性——光照特性一、实验问题的定位、硅光电池、伏安特性、……1/22/202447学科原理实验原理光伏效应

——pn结⑴工作模式————实验方式或方法

工作属性：光伏模式光生电（零偏置）、光照下的pn结特性

二、实验方案的设计1/22/202448⑴工作模式——工作属性：

.R..光电导模式（负偏置）类二极管二、实验方案的设计学科原理实验原理光伏效应

——pn结——实验方式或方法

、光照下的pn结特性

1/22/202449实验原理⑵光照特性——实验方式或方法光敏二极管开路电压Voc与光照的关系——.V数字电表（图线1）二、实验方案的设计（光伏模式）1/22/202450⑵光照特性（光伏模式）短路电流Isc与光照的关系——光敏二极管.A数字电表（图线2）二、实验方案的设计实验原理——实验方式或方法1/22/202451⑶伏安特性（光伏模式）一定光照下

Isc硅光电池.VxRR....K..二、实验方案的设计实验原理——实验方式或方法

改变Rx1/22/202452

.V⑷光敏二极管的光照特性

一定反向偏置下

.R..（光电导模式：负偏置）光敏传感器光电特性的测量

二、实验方案的设计实验原理——实验方式或方法1/22/202453⑷光敏二极管的伏安特性

.+2V-+12V光敏二极管

R1K

.V.一定光照下（光电导模式：负偏置）光敏传感器光电特性的测量

二、实验方案的设计实验原理——实验方式或方法1/22/202454实验装置的基本构建及组合⑴光敏器件——

⑵光源系统——灯泡、电源、遮光筒；光强或光距可调；光敏二极管或硅光电池光敏传感器光电特性的测量

三、实验装置的构建1/22/202455实验装置的基本构建及组合⑴光敏器件——硅光电池

⑵光源——光强、光距可调⑶实验电路——⑷检测器材——…………光敏传感器光电特性的测量

三、实验装置的构建1/22/202456实验装置的基本构建及组合⑴光伏器件——硅光电池

⑵光源——光强、光距可调；光伏工作模式电路⑶实验电路——⑷检测器材——…………⑶实验电路——光电导模式

光伏模式

取样电阻、可变电阻、电源、导线电路器材——光敏传感器光电特性的测量

三、实验装置的构建、光电导工作模式电路1/22/202457实验装置的基本构建及组合⑴光伏器件——硅光电池

⑵光源——光强、光距可调；⑶实验电路——⑷检测器材——……数字式多用表光敏传感器光电特性的测量

表笔的连接——红表笔:测电阻或电压→

V/、测电流→

mA；黑表笔:

COM三、实验装置的构建1/22/202458实验装置的基本构建及组合光敏传感器光电特性的测量

测量项目与量程的选择——档位旋钮：项目+量程量程数值：最大测量值三、实验装置的构建二极管测量档1/22/202459实验步骤的制定例:光敏二极管(光伏模式)的光照特性测试

——开路电压Voc与光照的关系

实验条件：光距5.00cm；

数据采集方式：数字电表、直流电压2v档位光源电压（V）4.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.00照度(Lx)0.33103062120180300

VOC（V）光敏二极管.V数字电表①②③④光敏传感器光电特性的测量

四、实验步骤的制定1/22/202460测量方式电压测量工作模式——黑表笔：COM

红表笔：V/测量档位二极管测量档位测量条件使光敏二极管处于无光照射状态测量过程将红黑表笔并接在光敏二极管两端极性判断电表有正常读数时,红表笔对应的端即为二极管的P极.1.1光敏二极管极性的测量分别测量出两种并接方式电表的读数光敏传感器光电特性的测量

1/22/202461实验电路实验条件：光敏二极管.V光敏传感器光电特性的测量

——开路电压Voc与光照的关系2.1光敏二极管（光伏模式）的光照特性测试数据测量要求：保持光距5.00cm

、改变光强.

数字电表直流电压2v档位、并接光电二极管.1/22/202462光敏二极管(光伏模式)光照特性实验数据采集记录表光源电压（V）4.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.00照度(Lx)0.33103062120180300

VOC（V）光敏传感器光电特性的测量

数据采集与处理画出光敏二极管处于零偏置时的开路电压的光照特性曲线

——开路电压Voc与光照的关系2.1光敏二极管（光伏模式）的光照特性测试1/22/202463实验电路实验条件：保持光距5.00cm、改变光强光敏二极管.A数字电表光敏传感器光电特性的测量

——短路电流Isc与光照的关系2.2光敏二极管（光伏模式）的光照特性测试数据测量要求：数字电表直流电流2mA档位、串接光电二极管1/22/202464光敏二极管(光伏模式)的光照特性实验数据采集记录表光源电压（V）4.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.00照度(Lx)0.33103062120180300

Isc（A）光敏传感器光电特性的测量

数据采集与处理画出光敏二极管处于零偏置时的短路电流的光照特性曲线

——短路电流Isc与光照的关系2.2光敏二极管（光伏模式）的光照特性测试1/22/202465实验电路实验条件：光源电压

10.00V、光距

5.00cm、照度30LX数据采集方式：数字电表直流电压2V档位、并接光敏二极管

.VRxRK.光敏二极管......

.VRxRK.光电二极管......光敏传感器光电特性的测量

2.3光敏二极管（光伏模式）的伏