3驱动电路：Q1放大状态，IC驱动发光二极管。 4、光敏三极管：不接受光的强弱变为电流大小。 5、运算放大器：反相输入运算放大器。
6、运算放大器：增益调节——使最大电流不超过电压表量程；补偿调零——被测面与反射式光纤端面接触时（输入电压为0），输出电压应为0，若不为零，则接入并调节调零电位器，使输出电压为0。
五、注意事项
1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。 2、光纤传感器弯曲半径不得小于3cm，以免折断。
3、旋动螺旋测微丝杆尾帽，使其产生位移，出现咔咔声表示不能继续前进。 4、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。
5、实验前确保螺旋测微丝杆端部光洁，可用酒精清洗，实验过程中请勿用手及任何东西接触端部，以免端部脏污影响实验精度。
6、实验要在环境光稳定的情况下进行，否则会影响实验精度，最好在避光环境下实验。
六、实验步骤
1、光纤位移光学系统组装调试
(1)根据图3安装光纤位移装置。反射式光纤传感器通过自带螺母固定在光纤支架上（左边支架），端面朝右。二束光纤分别插入实验仪左侧发射、接收端。注意：反射式光纤为二束，其中一束由单根光纤组成，实验时对应插入发射孔；另一束由16根光纤组成，实验时对应插入接收孔。发射和接收孔内部已和发光二极管及光电探测器相接。
图3 光纤位移传感装置
（2）螺旋测微丝杆插入右边支架，调节测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触并同轴心。最后用固定螺钉将螺旋测微丝杆固定在支架上。
（3）电路连接： 发光二极管、光敏三极管接入电路，颜色对应；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接；电压表接入，量程选择2V档。
(4)打开电源开关，调节测微丝杆使反射面离开光纤传感器，观察电压表显示变化，系统组装完成。
2、发光二极管驱动及探测器接收实验
（1）打开电源开关，取出发射端光纤，观察发光二极管发光，慢慢插入发射端光纤至底，插入过程中观察电压表变化，并分析变化原因。
（2）调节螺旋测微头，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收电路图示分析探测器工作原理。
（3）用万用表测试发光二极管工作电压，根据实验仪面板上发光二极管驱动电路图示分析驱动原理。
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3、光纤位移传感器输出信号处理实验
调节螺旋测微丝杆使反射面离开反射式光纤传感器；调节增益调节旋钮，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收放大电路图示分析放大电路工作原理。
4、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验（补偿调零）
(1)调节测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触，观察电压表显示值，并分析原因。
(2)关闭电源，增加加补偿调零电路。绿色测试孔与黑色测试孔的连线拆除，补偿调零调节旋钮的测试孔按照颜色对应接入电路中测试孔（黄接黄、绿接绿、蓝接蓝）。
(3)打开电源，调节补偿调零旋钮，将电压表显示值调节为0。分析补偿调零电路原理。 5、利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系和实验误差分析实验 （1）调节螺旋测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触，调节调零电位器使电压表显示为零。
（2）调节测微丝杆使反射面离开反射式光纤传感器，每隔0.1mm读出电压表数值，并填入表1。测微丝杆的刻度线面对观察者，且读数为0.5mm的整数倍开始起调，以利于读数。如果最大时读数超过2V档量程，可逆时针调节增益调节旋钮，使最大值在2V档量程之内。 注意：调节x = 0时，要用手压住探测头支架以防止后移；千分尺转动一周的位移为0.5mm。
表1 X（mm） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 U（V） X（mm） 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 U（V） (3)根据上表，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。 (4)根据曲线，分析反射式光纤位移传感器的应用范围。
七、实验思考题
1、根据特性曲线，试想一下光纤位移传感可做哪些测量？ 2、室内光线对测试数据有什么影响？如何解决？
3、放大器的稳定放大倍数和低噪声对信号的影响？如何设计? 4、两束光纤有什么不同？这样设计有什么好处？
5、如果不接入补偿调零电路，如何才能使测量结果更精确？
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实验八 热释电传感实验
一、实验目的
1、了解热释电传感器的工作原理及其特性
2、了解并掌握热释电传感器信号处理方法及其应用 3、了解并掌握超低频前置放大器的设计
二、实验仪器
1、热释电传感器实验仪 一台 2、红外热释电报警器 一个 3、红外热释电探头 一个 4、支架 一套 5、万用表 1台
三、实验原理
1、热释电探测器简介
热释电探探器是一种利用某些晶体材料(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。当晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电荷，利用感应电荷的变化可测量辐射的能量。因为热释电探测器输出的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器需要有个热平衡过程，所以其响应速度比其它热探测器快得多，一般热探测器典型时间常数值在1～O.01s范围，而热释电探测
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器的有效时间常数低达10～3x10s。虽然目前热释电探测器在探测率和响应速度方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽，较大的频响带宽，在室温下工作无需致冷，可以有大面积均匀的光敏面，不需要偏压，使用方便等优点而得到日益广泛的应用。
2、热释电效应
某些晶体受到光辐射后将其转换成热能，使晶体的温度升高，温度的变化引起自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。
3、热释电探测器工作原理
人体都有恒定的体温，一般在37度，人体辐射的红外线中心波长为9 —10um， 而
探测元件的波长灵敏度在0.2 —20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7 —10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外感应源上， 红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
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
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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1。
电极PS光PSTC热电体图9-1 热释电效应图 1
T
因此，热释电探测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i。
i=APdTdtdTA为面积，P为热电体材料热释电系数，dt是温度的变化率。
4、电路原理
（1）超低频放大电路：LM324为四运放集成电路，其中一个运放用于超低频放大电路。该电路为同相输入交流放大器，由于C隔直流，使直流形成全反馈，而交流为部分反馈，可在交流电压增益较大时，直流电压增益很小，从而避免造成运放的饱和。
（2）窗口比较电路：电路有两个幅度比较器和一些二极管和电阻构成。当VI > VH时，VO为高电平，当VI < VL时，VO为高电平，当VH > VI > VL时, VO为低电平。热释电传感器未受到辐射热时，VH > VI > VL，VO为低电平，驱动电路中的LED不亮，当热释电传感器受到辐射热时，VI < VL或VI > VH，VO为高电平，LED点亮。
（3）延时电路：有555定时器组成，延长LED点亮时间。
（4）菲涅尔透镜：为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10 —20米范围内人的行动。 5、热释电红外探头的优缺点：
优点：本身不产生任何类型的辐射，功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
缺点：容易受各种热源、光源干扰，射频辐射干扰，环境温度接近人体温度时，灵敏度下降有时造成短时失灵。
安装：红外热释电人体传感器只能安装在室内，选择合适的安装位置。如热释电探头不直接对窗口，最好关闭日光灯，拉上窗帘，远离空调、冰箱、暖气片等空气温度变化敏感的的地方。
四、实验操作
1、热释电传感器系统安装调试
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（1）安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，把热释电探头按颜色连到实验模板上。将实验模板上的“S”和 “O1”、 “I1”和 “O1”、 “I2”和 “O2” 、 “I3”和 “O3”用导线对应连接。
（2）万用表黑色表笔接地（GND），红色表笔接热释电红外探头“S”端，选择直流电压2V档。打开实验箱电源，观察万用表数值变化，约2分钟左右，直至数值趋于稳定，实验仪开始正常工作。
（3）用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（可用万用表测量）。经超低频放大电路放大后，通过万用表检测到“O2”输出端输出的电压变化较大。再经电压比较器构成的开关电路和延时电路（延时时间可以通过电位器调节），使指示灯点亮。观察这个现象过程。通过调节“灵敏度调节”电位器，可以调整热释电红外探头的感应距离。
2、热释电传感器信号处理实验
（1）超低频放大电路实验
1、安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，探头接口用导线按颜色相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上。将实验模板上的“S”和 “O1”用导线对应连接，再将实验箱上边部分的探测器信号输入端（“SIN+”和“GND”）用导线连接。
2、打开实验箱电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。数字万用表黑色表笔接地（GND），红色表笔接热释电红外探头“S”端。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，用万用表直流电压2V档测量其值的变化范围并记录分析。
3、“I1”和“O1”对应连接，手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档测量“O2”处电压值，测量其值的变化范围并记录，即为超低频放大电路输出信号值。分析比较探头输出电压值大小和放大后信号大小。 4、分析超低频放大电路原理及其工作过程。 （2）窗口比较电路实验
1、“I2”和 “O2” 对应连接，打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。用万用表直流电压档测量窗口比较器上下限比较基准电压（“VH”“VL”）并做记录。
2、手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档测量O2端输出的热释电信号比较电压和“KG”端开关量输出信号。分析窗口比较电路原理及其工作过程。 （3）红外驱动实验
1、“I3”和 “O3” 对应连接，打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档观察测量“I3”端开关输出信号大小和延时后发光二极管指示状态并分析。 （4）延时时间控制实验
1、打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头端面晃动时，观察发光二极管指示状态。
2、调节延时时间旋钮，用万用表直流电压20V档测量“I3”端输出信号变化，观察发光二极管指示状态。 3、分析延时的好处。
3、热释电传感器响应距离特性实验
1、安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，热释电探头接口用导线按颜色相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上，将实验模板上的“S”和 “O1”、 “I1”和 “O1”、 “I2”和 “O2” 、 “I3”和 “O3”用导线对应连接，再将实验箱上边部分的探测器信号输入端（“SIN+”和“GND”）用导线短接。
2、打开实验箱电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头
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