[司法考试]传感器实验讲义4-1-9实验室适用.docVIP

基于CSY-2000D传感器与检测技术实验台生物医学传感器实验讲义郭淑艳 编南方医科大学生物医学工程学院医学工程系2009年12月生物医学传感器实验大纲适用专业：生物医学工程（医学影像工程 医学信息工程）学 时 数：18学时（6次，每次3学时）； 学 分 数：非独立授课先修课程：人体解剖学、生理学、计算机原理、电子电路、单片机、模拟电路、数字电路、信号与系统考核方式：实验操作与实验报告（占10%）实验室：生命科学大楼四楼4-1-9（ 医学仪器测试实验室）和4-1-6（生物信号检测实验室） 1. 课程性质生物医学传感器实验课是生物医学传感器课程的实验部分，主要面向的专业是医学影像工程、医学信息工程、电子信息工程三个专业，是专业基础课，是一门理论性和实践性很强的综合性课程。学生通过学习本课程后或学习期间进行实验有助于学生加深对专业方面的基本理论、基本知识的认识，有助于学生基本技能的提高，有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，有助于加深对各种传感器元器件的认识、设计和应用，拓宽学生的专业知识面，为深入学习与工作打下扎实的基础。2. 实验目的掌握传感器的基本理论，掌握几何量、机械量及有关量在测量中常用的各种传感器的工作原理、主要性能及其特点；1) 针对不同的被测信号，能合理地选择和使用传感器；2) 掌握常用传感器的调节电路、工程设计方法和实验研究方法；3) 了解和掌握常用医用传感器是如何感知生物体内各种生理的信息，以及信息的电传输方式，以直观的方式让学生学习医用传感器的工作原理、工作过程及其特性，为学生从事医疗仪器设备的研究和开发打下基础。3. 实验项目序号实验名称学时实验性质实验级别1电阻式传感器性能测试3验证性必做2电容式、差动式传感器性能测试3验证性必做3电涡流、压电式传感器性能测试3验证性必做4霍尔传感器性能测试3验证性必做5热电式、光学传感器性能测试3验证性必做6人体心音、脉搏、血压、呼吸测量3综合性必做人体心电测量开放综合性选做虚拟生理信号监护仪开放综合设计性选做4. 教材自编实验指导书：余学飞 等.医学传感器实验讲义.医学工程系自编.2006年8月. 郭淑艳.医学传感器实验讲义.医学工程系自编.2009年12月.5. 参考资料：姜远海. 医用传感器. 科学出版社. 1997年6月第一版.前言在检测人体信号过程中，医用传感器是必不可少的，它可以将获取到的人体信息转换成易于测量和处理的信号。目前，医用传感器包括很多种，测量物理量的物理传感器（可用于测量血压、血流、体温、心音、脉搏、呼吸等）、直接耦合电信号的电极（可以检测脑电、心电、眼电、肌电和神经电等生物电信号）、以非生物物质作为分子识别系统测量化学量的化学传感器（可检测血、尿等体液中的离子浓度）、以生物物质作为分子识别系统测量化学量的生物传感器（用于检测酶、抗原、抗体、神经递质、激素、DNA等生物活性物质）等。除此之外，利用电(原子核)磁场理论检测生物磁信号的研究正在受到重视，核磁共振成像是其典型的研究成果代表。生物医学信号检测技术已广泛应用于医学研究、临床检查、病人监护、疾病治疗,以及人工器官和运动医学等领域, 是重要的基础性技术。生物医学信号检测与医用传感器的发展趋势是：研制微型化、多参量医学传感器,发展无创检测技术、微型植入式动态检测技术、遥测技术、细胞和分子水平的检测技术。医用传感器实验旨在促进同学们掌握传感器的基本理论，掌握几何量、机械量等在测量中常用传感器的工作原理、性能特点；针对不同的被测信号能合理地选择和使用传感器；掌握常用传感器的调节电路、工程设计方法和实验研究方法；了解和掌握常用医用传感器是如何感知生物体内各种生理的信息，以及信息的电传输方式，以直观的方式让学生学习医用传感器的工作原理、工作过程及其特性，为学生从事医疗仪器设备的研究和开发打下基础。本实验指导书共分两部分，首先对于所使用的实验仪器传感器实验系统进行必要的介绍，然后详述各个实验单元。实验项目的设置考虑了多方面因素，尽量求得内容丰富，形式多样，包括了演示性实验、操作性实验、验证性实验、综合性实验、设计性实验、研究创新性实验。各个试验包括了实验目的、原理、需用器件与单元、实验步骤和思考题五个部分。实验通过各个部分的配合使得同学们能够在完成实验的同时，调动同学们积极的思维。编者已尽力避免缺点和错误，但由于书中设计工程、物理、数学和医学等多方面知识，编者水平尚有限，诚恳希望同学们在使用过程中及时给于指正。编者 2011年2月目录基于CSY-2000D传感器与检测技术实验台0生物医学传感器实验大纲1前言3目录4实验系统简介5【实验1】电阻应变片传感器性能实验8【实验2】电容式传感器测位移性能实验32【实验3】差动电感传感器性能实验0【实验4】电涡流传感器位移实验8【实验5】压电式传感器性能实验12【实验6】霍尔式传感器特性实验16【实验7】光学传感器特性实验24【实验8】温度传感器特性实验35【实验9】人体生理信号传感器41【实验10】人体心电信号测量58【实验11】人体生理信号测量虚拟仪器的研发65附录 分度表67参考文献71实验系统简介医用传感器课程的实验教学是基于CSY-2000型传感器与检测技术实验台和CSY2001D传感器实验仪进行的。CSY-2000型传感器与检测技术实验台采用的大部分传感器虽然是教学传感器（透明结构便于教学），但其结构与线路是工业应用的基础。1、CSY-2000型传感器与检测技术实验台的组成包括：1) 主机箱：提供直流稳压电源:15V、5V、5V、2V10V步进可调、2V 24V连续可调；音频信号源(音频振荡器):1KHz10KHz(连续可调)；低频信号源:1Hz30Hz连续可调；传感器信号调理电路；智能调节仪；计算机通信口；电压表、气压表。具有过载保护功能，在排除接线错误后重新开机恢复正常工作,主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。2)振动源：3Hz30Hz可调（谐振频率9Hz12 Hz左右）； 3)转动源：手动控制02400转分、自动控制3002200转分。 4)温度源：常温200。 5)气压源：020Kpa（连续可调）。 6)传感器：箔式应变片(350)传感器(秤重200g)、扩散硅压力传感器(20Kpa)、差动变压器(4mm)、电容式位移传感器(2.5mm)、霍尔式位移传感器(1mm)、霍尔式转速传感器(2400转/分)、磁电转速传感器(250转/分2400转/分)、压电式传感器、电涡流传感器(1mm)、光纤位移传感器(1mm)、光电转速传感器(2400转/分)、集成温度(AD590)传感器(室温150)、K热电偶(室温180)、E热电偶(室温180)、Pt100铂电阻(室温180)、Cu50 铜电阻(室温100)。 7)实验模板：电桥及调平衡网络、差动放大器、电压放大器、电荷放大器、电容变换器、电涡流变换器、光电变换器、温度变换器、移相器、相敏检波器、低通滤波器。实验电路原理图已印刷在实验模板上，实验接线图参见各实验的步骤。2、使用方法1)开机前将电压表显示选择旋钮打到2V 档；电流表显示选择旋钮打到200mA 档；步进可调直流稳压电源旋钮打到2V 档；其余旋钮都打到中间位置。2)将AC 220V 电源线插头插入市电插座中，合上电源开关，数显表显示0000，表示实验台已接通电源。3)做每个实验前应先阅读实验指南，每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线（实验中用到可调直流电源时，应在该电源调到实验值后再接到实验线路中），检查无误后方可接通电源。4)合上调节仪(器)电源开关，在参数及状态设置好的情况下，调节仪的PV 显示测量值；SV 显示给定值。5)合上气源开关，气泵有声响，说明气泵工作正常。3、仪器维护及故障排除1)维护：防止硬物撞击、划伤实验台面；防止传感器及实验模板跌落地面损坏；实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。2)故障排除:开机后数显表都无显示，应查AC 220V 电源有否接通；主控箱侧面AC 220V 插座中的保险丝是否烧断。如都正常，则更换主控箱中主机电源。转动源不工作，则手动输入12V(024V 可调)电压，如不工作，更换转动源；如工作正常，应查调节仪设置是否准确；控制输出Vo 有无电压(将可调24V 电源调节到电机相应的工作电压情况下)，如无电压，更换主控箱中的转速控制板。否则更换智能调节仪。振动源不工作，检查主控箱面板上的低频振荡器有无输出(调节较大幅度后调节频率)，如无输出，更换信号板；如有输出，更换振动源的振荡线圈。温度源不工作，检查温度源电源开关有否打开；温度源的保险丝是否烧断；调节仪设置是否准确。如都正常，则更换温度源。4、注意事项1)在实验前务必详细阅读实验指南。2)严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主控箱的面板和实验模板面板。3)严禁将主控箱的电源、信号源输出端与地（）短接，因短接时间长易造成电路故障。4)严禁将主控箱的电源引入实验模板时接错。5)在更换接线时，应断开电源，只有在确保接线无误后方可接通电源。6)实验完毕后，请将传感器及实验模板放回原处。7)如果实验台长期未通电使用，在实验前先通电十分钟预热，再检查按一次漏电保护按钮是否有效。CSY2001D传感器实验仪是基于浙江大学研制的CSY2001D传感器实验仪开展的，其从原理上模拟人体监护仪器的工作过程，是各种常规病人生理信号监护仪的原理性近似体现，体现了生理信号的电特性。CSY2001D系统由主实验箱、Labjack采集装置、夹式心电电极、指套式脉搏传感器、呼吸流量传感器、心音传感、血压测量套件、温度传感器组成。【实验1】 电阻应变片传感器性能实验1、 实验目的：1、 了解金属箔式应变片的应变效应；2、 比较单臂、半桥、全桥的不同性能，了解其灵敏度和非线性度的特点。2、 基本原理：在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现非电量测量目的的，它们统称为电阻式传感器。由于各种电阻材料受被测量（如位移、应变、压力、温度、加速度等）作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器种类多，应用范围广，其中最常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器。1、 应变片的结构。利用导电丝材料的电阻应变效应，可制成测量试件表面应变的敏感元件。为在尺寸范围内敏感元件有较大的应变输出，通常把应变丝做成栅状的应变敏感元件，简称为应变片。应变片结构形式很多，但主要组成部分基本相同，见图 11。图 11 电阻丝式应变片的结构1-敏感栅；2-覆盖层；3-引出线；4-基底(1) 敏感元件。它的作用是感受试件的变形，并将机械应变转换成电阻变化。用金属电阻丝（或箔）制成的敏感元件称敏感栅。它通常是用金属丝绕成栅状，或金属箔腐蚀成栅状。敏感元件的电阻值一般在100以上。(2) 基底和覆盖层。作用是固定和保护敏感元件；当应变片粘贴在试件上后，与粘贴剂一起把试件的变形传给敏感元件；使敏感元件与试件绝缘。基底很薄，一般为0.020.04mm。(3) 引出线。它起着敏感元件与测量电路之间的过渡和引导作用。通常取直径约0.100.15mm的低阻镀锡铜线或银线。(4) 粘结剂。用它分别把盖层和敏感元件固结于基底；在使用时，用它把应变片基底粘贴在试件表面的被测部位。图 12，图 13是金属箔式和半导体式两种典型敏感元件结构型式及其组成。图 12 箔式应变片 图 13 半导体应变片1-基底；2-单晶硅条；3-内引线；4-焊接电极；5-外引线2、 应变电桥的非线性。当时，电桥的输出电压与应变片的电阻变化率成线性关系。但对半导体应变片，由于K值很大，所以，当应变较大时（其值可达10%）用线性关系式标出的电桥输出与电桥实际输出之间存在着很大的误差，即称之为非线性误差。对于电压输出的电桥，非线性误差，式中：为电桥实际输出电压；为按线性关系计算的电桥输出电压。当甚大时，应注意修正电桥非线性误差的影响，如增加工作臂数（对双臂或四臂），在一定条件下可使电桥输出的非线性大大改善。采用差动电桥可消除非线性误差。在右（a）图中，两个应变片一个受拉，一个受压，它们阻值变化大小相等、符号相反，工作时将两个应变片接在电桥的相邻臂内，如和，这种桥路结构称为半桥差动电路。在右（b）图中，粘结四个工作应变片，两个受拉，两个受压，将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂内，符号不同的接在相邻臂内，这种桥结构称为全桥差动电路。半桥差动电路的输出电压若电桥初始平衡，则成立，在对称情况下，在根据两应变片的电阻变化特征，即，则上式同理，全桥差动电路的输出电压，而单臂电桥的输出电压，由于忽略分母中的“微小项”，才得到。三式比较，可知差动电桥不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度也提高，同时还能起温度补偿作用。3、 应变梁位置和结构。应变片位于仪器工作台部分的上边，是一付双平行悬臂梁，如图1-13所示：其上梁的上表面和下梁的下表面对应地贴有八片应变片，受力工作片分别用符号 和 表示。其中，六片为金属箔式应变片（BHF350），横向所贴的两片为温度偿片，用符号 和 表示，片上标有“BY”字样的为半导体应变片，其灵敏系数为130。图1-13 应变梁结构图4、 金属箔电阻应变片型号、代号说明。型号BHF350，代号说明：B箔式（类别），H环氧类（贴结剂），F类（基底材料），350电阻值。5、 电阻应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路组成。被测力学量作用在一定形状的弹性元件（如悬臂梁、双孔悬臂梁等）上使之产生形变，这时，粘贴在上面的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为电阻值的变化，之后，采用变换测量电路将电阻的变化转化为电压的变化，作为输出量。使用最多的电阻应变敏感元件是金属或半导体电阻应变片。图 14 金属丝拉伸后的电阻变化一段圆截面的元件（金属丝或半导体丝），如图 14，长为L，截面积为A（直径为D），电阻初值为R，为材料的电阻率。则式 11当受到轴向力F被拉伸（或压缩）产生形变时，电阻值随之变化。对式 11两边取对数后微分得： 式 12式中，（材料轴向线应变） 式 13根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，有 式 14则 式 15式中，为导体材料的泊松比。将式 13，式 15代入式 12得 式 16对于金属导体或半导体，上式末项中电阻率相对变化的受力效应不一样，分别讨论如下：(1) 金属材料的应变电阻效应。实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为： 式 17式中，c为常数（由材料和加工方式决定），。将式 17代入式 16，且当时，可得： 式 18式中，为金属丝材料的应变灵敏系数。此式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。(2) 半导体材料的应变电阻效应。对半导体材料施加应力时，除了产生形变外，材料的电阻率也要发生变化，这种现象称为压阻效应。很早发现，锗、硅等单晶体半导体材料具有压阻效应，扩散硅压阻式传感器就是应用半导体压阻效应而制成的压力传感器。半导体材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为： 式 19式中为作用于材料的轴向应力，为半导体材料在受力方向的压阻系数，E为半导体材料的弹性模量。将式 19代入式 16，并写成增量形式可得 式 110式中，为半导体材料的应变灵敏系数。由式 18和式 110可得导电丝材料的应变电阻效应为 式 111式中，一导电丝材料的应变灵敏系数。对于金属材料，它由两部分组成：前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，一般金属，因此；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，所以此时。显然，金属丝材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对其它金属或合金，。对于半导体材料，它也由两部分组成：前部分为尺寸变化所致，后部分由半导体材料的压阻效应引起，且，因此半导体丝材的。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常，半导体材料的灵敏度高于金属材料。6、 直流应变桥的工作原理和特性应变片将试件应变转换成电阻相对变化后，由测量电桥将应变片的电阻变化按一定比例转换成电压或电流的变化，之后输至放大器放大。测量电桥具有灵敏度高，测量范围广，容易实现温度补偿等优点。根据所用电源的性质不同，测量电桥可分为直流电桥和交流电桥。当四个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥精确度高；若在桥臂中有阻抗存在，必须用交流电桥。鉴于直流电桥与交流电桥的转换原理一致，基本公式也有相似的表达形式，为便于阐述，以直流电桥分析其工作原理和特性，其结果可推广到交流电桥。图 15 直流电桥原理如图 15，在直流电桥中，四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。A、C端接直流电源，称供桥端，U0称供桥电压；B、D端接负截Rg，称输出端。当四个桥臂电阻R1=R2=R3=R4=R时，称为全等臂电桥，当时，称为对输出对称电桥；当 时，称为对电源对称电桥。(1) 直流应变电桥的转换原理。由于电桥输出端所接的放大器的输入阻抗很高，故可以认为电桥的负载为无穷大（负载电阻），此时电桥输出端相当于开路状态，只能输出电压信号（输出电流为零），称为电压输出。图 16 电桥的电压输出在图 16中，根据分压原理：在电桥ABC支路的R2上的电压降，在ADC支路的R3上的电压降，则输出电压： 式 112由式 112可知，当电桥各桥臂电阻满足如下条件时：或，则电桥输出电压为零，即电桥处于平衡状态。在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡），使得输出电压只与应变片因感受应变而引起的电阻变化有关。若电桥中仅一个桥臂R1为应变片，其余桥臂为固定电阻，当R1感受应变而电阻增大且时，电桥的输出电压可通过对式 112微分求得 式 113因很小（在一般的测量中都能满足这一点），故，上式可用增量表示为： 式 114对于对输出对称电桥（），式 114表示为： 式 115对于对电源对称电桥（），式 114表示为： 式 116对于全等臂电桥（R1=R2=R3=R4=R），式 114表示为： 式 117在上述三种应变电桥中，当桥臂的应变片电阻发生变化时，电桥输出电压也随之变化。当时，其输出电压与电阻变化率（或应变）成线性关系。在桥臂电阻发生相同变化的情况下，全等臂电桥与对输出对称电桥的输出电压相同，它们的输出电压皆比对电源对称电桥的输出电源大。(2) 直流应变桥的加减特性。电桥的四个臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的应变片因其受力拉伸或压缩使其电阻值发生变化，应变桥输出电压也将发生变化。当供桥电压一定且时，对式 111全微分即可求得电桥的输出电压增量：由于全等臂电桥的R1=R2=R3=R4=R，上式可化简为：，当时，此时可用增量式表示： 式 118当各桥臂应变片灵敏系数相同时： 式 119式 118和式 119为电桥转换原理的一般形式，讨论如下：a）单臂工作时，桥臂R1为工作臂，且工作时电阻由R变为，其余各臂为固定电阻，则式 118变为 式 120图 17 两个相邻臂工作的电桥b）两个相邻臂工作时，（见图 17）即桥臂R1、R2为工作臂，且工作有电阻增量、，而R3和R4臂为固定电阻，则式 118变为 式 121此时，当时，则式 122当时，则 式 123此时，电桥的输出比单臂工作时增大一倍，提高了测量灵敏度。图 18 两个相对臂工作电桥c）两个相对臂工作时，（见图 18）即桥臂R1、R3为工作臂，且有电阻增量、，而R2和R4臂为固定电阻，则式 118变为 式 124此时，当时，则 式 125当时，则图 19 全臂工作的电桥d）全臂工作时，（见图 19）R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，则式 118变为 式 126此时，电桥的输出是单臂工作时的四倍，比双臂工作时提高了一倍，灵敏度也提高了。由分析可知，当电桥中的相邻臂有异号（一个受拉，一个受压），或相对臂有同号（同受拉或受压）的电阻变化时，电桥能把各臂电阻变化引起的输出电压自动相加后输出；当电桥相对臂有异号，相邻臂有同号的电阻变化时，电桥能把各臂电阻变化引起的输出电压自动相减后输出。上述特性即为电桥的加减特性，在连接电桥时应注意电阻变化方向或应变片的符号。在半桥和全桥测量中可通过不同的组合方式来提高测量灵敏度，或消除不需要的成分（如消除温度影响及非线性）。（3）应变桥的灵敏度。电桥的灵敏度是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小。令 则 式 127式中，n为电桥的工作臂系数。由此式可知，电桥的工作臂系数愈大，电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n及测量灵敏度。7、 交流电桥的工作原理和特性在实际应用中，电阻应变片电桥都采用交流电桥。原因一，应变片电桥输出极弱，需要放大测量，而直流放大器容易产生零点漂移；原因二，应变片与桥路的连接容易引起分布电容，产生阻抗。交流电桥线路与直流电桥类似，只是各桥臂均为可含有L、C、R任意组合的复阻抗。交流电桥的输出特性方程和平衡条件在形式上与直流电桥相似，但内容上却有不同。(1) 交流电桥的平衡条件。图 110 交流电桥原理图 110为交流电桥，Z1、Z2、Z3、Z4为复阻抗，U为交流电压源，开路输出电压为U0。根据交流电路阻抗的复数表示和计算分析可得： 式 128要满足电桥平衡条件，即，应有或 式 129设四桥臂阻抗分别为上式中为各桥臂电阻，为各桥臂电抗，和分别为桥臂复阻抗的模值和幅角，得交流电桥的平衡条件： 式 130上式说明，交流电桥平衡要满足二个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，同时其幅角之和相等。(2) 交流应变电桥的电压输出特性和平衡调节。设交流电桥的初始状态是平衡的，。当工作片应变电阻改变后，引起变化，可算出 式 131略去上式分母中的项，并设初始时，则有： 式 132现举例说明。图 111 双臂交流电桥交流电桥如图 111所示，其中C1、C2表示应变片导线或电缆分布电容。，为纯电阻：（为供桥电源的角频率） 按 式 129可求出由实、虚部分别相等，并经整理可得该交流电桥的平衡条件为由于电桥各臂的阻值不可能绝对相等，导线电阻和接触电阻存在着差异；连接导线和应变片有分布电容存在使各桥臂电容值也不相等。所以，交流电桥必须进行电阻和电容平衡，否则会产生零位输出。电阻不平衡会带来非线性误差；容抗不平衡会影响电桥的灵敏度和输出电压的相移，产生与电源相位成90的正交分量，导致放大器过早饱和。图 112 为此，在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。平衡调节线路如图 112所示，Rp与电位器R5组成电阻平衡调节，通过调节R5，相当于改变并联在R3和R4桥臂上的电阻大小；Cp与电位器R6组成电容平衡调节，通过调节R6来改变并联到桥臂R1和R2上的阻抗。以此来实现应变片交流电桥的平衡调节。8、 电桥电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：RRK 式中：RR 为电阻丝电阻相对变化，K 为应变灵敏系数,=L/L 为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压 Uo= EK /4。不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压UoEK2。全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值：R1R2R3R4，其变化值R1R2R3R4时，其桥路输出电压UoKE。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。对于动态应变信号用交流电桥测量时，交流电桥为调制电路，桥路输出的波形为一调制波，通过相敏检波和滤波电路后才能得到变化的应变信号，此信号可以从示波器或用交流电压表读得。9、 三运放放大电路分析在信号采集系统中，通过传感器采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大。传感器的输出是放大器的信号源，然而多数传感器的等效电阻不是常量，它们随所测物理量的变化而变化。这样，对于放大器而言，信号源内阻Rs是变量，根据电压放大倍数的表达式（）可知，放大器的放大能力将随信号大小而变化。为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数，就必须使得放大器的输入电阻RiRS,Ri越大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。另外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大的共模成分，共模成分的幅度有时远大于差模信号，因此要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。综上所述，传感器后端放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比。图 113 三运放构成的精密放大器图 113所示电路由三个运放组成，通常R采用固定电阻，Rx采用滑动变阻器，通过调整Rx來调整电压增益值，其关系式 式 133可知，电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数越大，共模抑制比越高。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制。另外，需注意使用时应避免前端两个运放达到饱和，放大器的最大输出为VDC（VDC为电源电压）。10、 运放应用输入端的调零电路图 114 运放应用输入端的调零电路（1）图 114(a)是一种较简单的电路，它利用输入电阻R1和反馈电阻R2作为衰减网络的一部分，连同电阻R3在反相输入端产生一个可变的失调电压。该电压由R3和R1R2分压。电位器R4两端接15V电源，上述分压比约为10001即可以得到15mV的失调电压范围。对于图 114(a)，其失调电压调整范围的一般计算公式为：失调电压范围=VD(R1R2)R3 (VD=15V)当在反相端有多个输入信号时如图 114(a)中虚示线所示，其失调电压范围为： 多输入失调电压范围=VD(R1R2Rl)R3 (VD=l5V)比较上述两式，显然前者的调整电压范围较宽。后者欲加大电压调整范围可适当改变电阻R5的大小。 图 114(b)所示电路具有广泛的应用价值因为调整电压与反馈元件无关，同时，调整电压加在同相输入端，避开了赢流信号通路。在这个电路中，R3和R5的阻值(100k、100)构成了1000I的分压电路，R5两端将得到15mV的失调电压调整范围。当R3、R5为其他数值时失调电压调整范围由下式决定： 失调电压调整范围=VD(R5R3) (VD=l5V)电阻R3和R5的阻值要求不太严格，实际上最好把R5选在1k以下。 图 115 运放应用输入端的调零电路（2）在图 115(a)中，用一个小电阻R5接在R1的回路中，此时R3与R5分压产生的失调电压加到R1的左端，进而由R1和R2再次分压因而失调电压调整范围由下式确定： 失调电压调整范围=VD(R5R3)(R2(Rl R2) (VD=l5V)依据图 115(a)中的电阻值，其失调电压调整范围约为：15mV。图中R1=R2故该电路的电压放大倍数较低。考虑到R5与R1串联，其电压放大倍数Av： Av=1 R2(Rl R5)在图 115(b)中，加在反相输入端的失调电压调整范围由下式确定： 失调电压调整范围=VD(R1R3) (VD=15V)依据图中数据，其失调电压调整范围为l5mV。图中R3和R1组成失调电压分压器在反相输入端直接产生失调调整电压因而电路较简单。在低增益放大电路中不宜采用这种调零方式，因为放大倍数越低。R1两端的信号电压起伏越大，当输入信号改变时。失调电压也会随之变化。高电压放大倍数时。输入电平较低。失调调整电压变化量很小，一般可忽略。 3、 需用器件与单元：主机箱、应变模板、移相模板、振动源、托盘、砝码（10个）。4、 实验步骤：1、 内容1 直流电桥应变模板说明：R1、R2、R3、R4为应变片，应变片安装于悬梁臂上，常态时应变片阻值为350。请注意没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，并没有连接电阻或者应变片。(1) 差动放大器调零：调整放大器的增益：调节放大器增益电位器RW3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；放大器的两个输入端短路接地；连线使主机为模块电路提供电源：模板上的15V、与主机箱15V、分别相连；调节实验模板放大器的调零电位器RW4，使放大器输出为0；调零结束后拆除短路线。图 116 应变片单臂电桥接线示意图(2) 根据Error! Reference source not found.安装接线。其中，R1、R2、R3分别为固定标准电阻，R为应变片，可任选上梁或下梁中的一个应变片，图中每两个节点之间可理解为一根实验连接线，注意连接方式，勿使直流激励电源短路；检查确认无误时才能连上应变桥的直流工作电压；更换应变片前先断开应变桥直流工作电源）。(3) 将托盘安装到托盘支点上。(4) 电桥预调平衡：调节桥路平衡电位器RW1，使系统输出为零。(5) 在应变传感器的托盘上放置一只砝码（20g），读取系统输出值，依次增加砝码，并读取输出电压值，直到加完10个砝码，实验数据填入表 11。(6) 分别将电桥接成半桥、全桥，重复实验步骤2-5。表 11 应变片直流电桥性能实验数据重量(g) 电压(mV) 单臂半桥全桥(7) 关闭电源，整理实验器件。(8) 完成实验报告：根据表1-1计算并比较系统灵敏度，完成思考题。2、 内容2 交流电桥振动测量图 117 交流全桥振动测量实验接线图接线。如(1) 图 117所示，采用振动源模板上振动梁上所附着的四个箔式应变片，接成全桥形式，电桥的调整部分和后续放大电路采用应变模板上的相应部分即可，全桥的激励源采用主机箱上音频振荡器。注意，接线过程中，不要加电。(2) 电桥预调平衡：使悬臂梁大致水平，分别调节电位器RW1和RW2使系统输出基本为零，示波器接接相敏检波器Vo端观察波形。(3) 调整移相器和相敏检波器：。用手将悬臂梁自由端往下压至最低，调节移相旋钮和相敏检波旋钮使相敏检波器Vo端波形成为首尾相接的全波整流波形，如图 118，然后放手，悬臂梁恢复至水平位置，再调节电桥中的RW1和RW2电位器，使系统输出电压为零，此时桥路的灵敏度最高。图 118 在示波器上观察到的全波整流波形(4) 连接低频输入至振动模板，带动悬臂梁作向上、向下运动，调节低频振荡器幅度旋钮和频率旋钮，使振动平台振荡较为明显。用示波器观察放大器相敏检波器Vo及低通滤波器的Vo波形，如图 119。图 119 低通滤波器输出Vo的波形(5) 低频振荡器幅度(幅值)不变，调节低频振荡器频率(3Hz25Hz)，每增加2 Hz用示波器读出低通滤波器输出Vo的电压峰峰值，填入表1-2，输出幅度最大时所对应的频率即为振动梁的自振频率，为 Hz。(6) 实验完毕，关闭电源，整理实验器件。表 12 交流全桥振动测量实验数据f(Hz) Vo(p-p) 5、 思考题：1、 作为桥臂电阻，应变片应选用 。（1）正（受拉）应变片 （2）负（受压）应变片 （3）正、负应变片均可以2、 半桥测量时，两片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在 。（1）对边 （2）邻边 （3）都不可3、 电桥测量时存在非线性误差，是因为 。（1）电桥测量原理上存在非线性 （2）应变片应变效应是非线性的（3）调零值不是真正为零4、 如图 120，电桥测量中，对边电阻值相同，邻边电阻值不同，即R1=R3，R2=R4，R2R3，是否可以组成全桥？ 可以 （2）不可以 （3）不确定图 1205、 某工程技术人员在进行材料拉力测试时在棒材上贴了两组应变片，如图 121，如何利用这四片应变片组成电桥，是否需要外加电阻？R4R1R3R2R1R2R3R4图 121 应变式传感器受拉时传感器圆周面展开图6、 金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？7、 请归纳直流电桥和交流电桥的特点。8、 金属箔式应变片温度影响有哪些消除方法？9、 定性分析如下移相器（图 122）和相敏检波器图 123电路工作原理。图 122 移相器原理图图 123 相敏检波器【实验2】 电容式传感器测位移性能实验1、 实验目的：1、 了解电容传感器的结构。2、 熟悉差动式变面积电容传感器灵敏度的测量原理和方法。3、 了解电容变换器的变换原理。2、 基本原理：电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。电容，其中，为两极板间介质的介电常数，d为两极板内表面的距离，A为极板重叠面积。通过构建不同的传感器结构和测量电路，可以选择、A、d三个参数的其中两个参数不变，而一个参数改变，从而构造出测量谷物干燥度（变）、测位移（d变）和测量液位（A变）等多种电容传感器。1、 平板式变面积电容传感器图 21 平板电容传感器原理结构与传输特性图 21（a）为平板式变面积电容传感器，可测量位移。当上下两极板完全重叠时，其电容量为：其中，a、b分别为两极板的宽和长。当动极板移动x时，两极板重叠面积发生改变，电容量由变为。如果忽略边缘效应，可得为： 式 21电容增量为 式 22灵敏度K（用绝对变化量表示）为： 式 23由式 21可知，传感器的输出特性如图 21（b）所示，它具有允许输入的直线位移范围大和灵敏度K为常数等优点。由式 23可知，增大极板长度，减小间隙d，或选取高的介质，可使灵敏度提高。另外，极片宽度a的大小虽不影响灵敏度，但也不能太小，否则边缘影响作用增加，相对非线性误差就会增大。2、 圆筒式变面积差动结构电容位移传感器图 22 圆筒式变面积差动结构的电容位移传感器结构示意图本实验采用圆筒式变面积差动结构的位移电容传感器，如图 22所示，它是由两组定片（圆筒1和圆筒2）和一组动片（与连杆相连的圆柱）组成，当动片随着连杆移动时，改变了与定片的相对位置，动、定片之间的重叠面积发生变化，极间电容（C1、C2）随之发生相应的变化，两个电容值一增一减，形成差动结构。设圆筒的半径为R，圆柱的半径为r，圆柱与圆筒相重叠所形成的电容为C1和C2，因为 式 24其中，h为内柱单位长度电荷密度，远大于R-r，忽略边缘效应，则 式 25所以， 式 26由此， 式 27上式中，02、ln(Rr)为常数，说明两电容的差值C与位移l成正比，配上配套测量电路，如图 25就能测量位移了。3、 测量电路49图 23 电容传感器测量电路原理图当与接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出与电容量变化有关，即与振动台的位移有关。整体电路主要由振荡器、环形二极管电容式传感器及信号交换等几部分组成。振荡器设计输出方波信号，环形二极管测量桥路输出的直流，一般为0-5mA，为了满足调节与控制的需要，要对其进行电流、电压变换，并加以放大并保持良好的线性关系，这样传感器整体电路。图 24 环形二极管桥路设计如图 24，环形二极管电路测量电路是传感器的中心环节，其测量精度的高低、稳定性的好坏，直接影响传感器的性能，该环节的主要功能是将被测电容Cx的变化，通过环形二极管桥路不断的充放电过程转换成电容相对应的直流电流，其具体电路如图 24所示。B点接被测电容Cx，C为电极初始电容，D点接固定平衡调整电容C（其值与容器完全放空时C的值相等，即初始电容）,C3为隔直电容，C2为滤波电容，L1、L2为滤波大电感。 是振荡器的设计，振荡器产生的高频方波经L1、C1组成的高通滤波器隔去直流和低频干扰后送入电桥的A点，设方波的前半周电压为E2历时t1，后半周电源电压为E1历时t2，波幅，在t1时间里，电源向电容充电，经D1向充电，电流为ID1，经C3、D3对C0充电，其充电电流为ID3，直到及C0都到达E2为止，同样，在时间t2内，A点为低电平时，电容放电，放电路径为途中虚线所示方向，其中一路C0经D4放电，电流为ID4，另一路Cx和C0经D2放电，电流为ID2，直到和C0上的电压都降低到E1为止，当电容充放电处于稳态时，充放电电流值相等，即。由于高频作用，故二极管D1和D2的阻抗较大，而C2又近似短路，因而电流ID的作用很小，可不计，方波的频率f=1/（t1+t2），则有ID1=ID2，ID4=ID5，它们的表达式分别为： 式 28 式 29所以，每一周期内流经L2得到的输出电流 式 210此时，可知，环形二极管桥路的输出电流（即平均直流电流）IL2与被测Cx成正比。该电流经直流放大等电路后，可以输出被测电容Cx经转换后的电压值，从而可以测出被测值。通过以上分析得知，该测量电路具有如下特点：激励信号频率与幅值稳定；负载能力强；在方波输入端加串电容C起到隔断直流通路，同时电感L1、L2具有滤波作用，提高了抗干扰能力。对于常规的料位测量都能够满足要求。3、 需用器件与单元：主机箱、电容传感器、电容模板、螺旋测微头。4、 实验步骤：1、 观察电容传感器结构，将电容传感器接入模板，并按图 25接线。图 25 电容传感器测量电路示意图2、 将放大电路的放大增益调整到适当大小：先调整Rw逆时针转到底再顺时转圈，使Rw处于中间位置。3、 调整电容传感器的零状态：旋转螺旋测微头改变动极板的位置，使电路输出接近0V。4、 测量并读数：从零位置开始转动测微头共5圈后，把此时作为起点。反方向每转动测微头1圈（即 =.位移）记录电路输出值，将数据填入表 21。表 21 电容传感器位移实验数据X(mm) V(mV) 5、 关闭电源，整理实验器件。6、 完成实验报告：根据表2-1，作出-实验曲线，计算电容传感器的系统灵敏度S，并完成思考题。5、 注意事项1、 电容式传感器实验中，电容动片与两定片间距须相等，必要时可稍作调整。位移和振动时不可有擦片现象，否则会引起输出信号畸变。2、 如果放大器输出端用示波器观察到波形中有杂波，可将电容变换器增益适当减小。6、 思考题1、 简要说明差动变面积式的电容传感器优点。2、 想一想，为什么在单行程方向做实验，来测量电容传感器的灵敏度?【实验3】 差动电感传感器性能实验1、 实验目的：1、 了解差动变压器的结构、工作原理和基本特性。2、 了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。3、 了解差动变压器零点残余电压补偿方法。4、 掌握差动螺管式电感传感器静态位移测量和动态振幅测量的方法。2、 基本原理：1、 差动变压器的工作原理差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成，根据内外层排列不同，有二段式和三段式，本实验采用三段式结构。当差动变压器随着被测体移动时差动变压器的铁芯也随着轴向位移，从而使初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接（同名端连接），就引出差动电势输出。其输出电势反映出被测体的移动量。2、 零点残余电压由于差动变压器二只次级线圈的等效参数不对称，初级线圈的纵向排列的不均匀性，二次级的不均匀、不一致，铁芯BH特性的非线性等，因此在铁芯处于差动线圈中间位置时其输出电压并不为零，称其为零点残余电压。3、 需用器件与单元：主机箱、差动变压器、差动模板、测微头、示波器、移相模板、振动源。4、 实验步骤：1、 内容1：差动变压器测量位移(1) 将差动变压器和测微头安装在实验模板的支架座上，差动变压器原理图已印刷在实验模板上，L1为初级线圈；L2、L3为次级线圈；号为同名端，如图 31。(2) 按图 31接线，差动变压器的原边的激励电压必须从主机箱中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上总电源开关，调节音频振荡器的频率为45K