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生物医学传感器实验,课程组成员：李振新、高风梅、刘 艳,办公电话新乡医学院生命科学实验教学中心,目 录,实验六 热敏电阻的特性,实验一 金属箔式应变片半桥性能实验,实验二 金属箔式应变片全桥性能实验,实验三 电容式传感器的位移特性实验,实验五 霍尔传感器的位移特性,实验四 差动变压器的性能测定,实验一 金属箔式应变片 半桥性能实验,生物医学传感器教研组 刘 艳 Email: ,一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，半桥工作原理和性能。,二、实验器材 应变式传感器实验模板、砝码、数显表、 15V电源、5V电源、万用表。,三、基本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。,金属的电阻表达式为：,用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路将机械变化转换为相应的电压或电流的变化。,将两个应变片接入电桥的相邻臂中，若使一个应变片受拉，另一个受压，称为半桥差动电路,如图1所示。,若 R1=R2，R3=R4，,四、实验步骤： 1. 应变式传感器安装 应变片的安装位置如图2，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4 （如图3示） 。,图2 应变式传感器安装示意图,应变片接口,图3 应变传感器模块,2. 进行差动放大器调零,将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连。检查无误后，合上主控箱电源开关，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零。如图4所示。,图4 差动放大器调零,R2应和R1受力状态相反，即将两片受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。,接入桥路电源5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。,图5 接线,3. 接线,4. 实验记录 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值，以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值，直到200g砝码加完。记下实验结果填入下表。,表1 半桥测量时，输出电压与加负载重量值,五、注意事项 1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容 易损坏传感器。 2. 电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否 则可能烧毁应变片。,六、思考题 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。,七、实验报告要求 1. 记录实验数据，并绘制出半桥时传感器的特性 曲线。,生物医学传感器课题组 高凤梅 Email:mei_,实验二 金属箔式应变片 全桥性能实验,一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应，全桥工作原理和性能。,二、实验器材 应变式传感器实验模板、砝码、数显表、 15V电源、5V电源、万用表。,三、基本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。,金属的电阻表达式为：,用应变片测量受力时，将应变片粘贴于被测 对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生 微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其 电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为相应 的电压或电流的变化。,电桥平衡时，则电桥平衡条件为： R1R4=R2R3,当R 时，电桥的输出电压,图1 测量桥路,当R ，应变片阻值和应变量相同时， 电压输出为： 半桥时： 全桥时：,全桥测量时，与半桥相比，输出电压增大 一倍。输出灵敏度提高，非线性得到改善。,四、实验步骤： 1. 安装应变片 应变片的安装位置如图1所示，应变式传感 器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4 （如图2示） 。,图2 应变式传感器安装示意图,应变片接口,图3 应变传感器模块,2. 进行差动放大器调零,将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi相连。检查无误后，合上主控箱电源开关，调节实验模板上调零电位器Rw3，使数显表显示为零。,图4 差动放大器调零接线图,3. 按右图接线 应变片接入桥路。注意将 两受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。 接入桥路电源5V， 调节电桥调零电位器Rw1，进行桥路调零。,图5 全桥接线图,4. 放砝码 在砝码盘上放置一只砝码，读取数显表数值， 以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值， 直到200g砝码加完。记下实验结果填入下表。,表1 输出电压与加负载重量值记录表,五、注意事项 1. 不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容 易损坏传感器。 2. 电桥的电压为5V，绝不可错接成15V，否 则可能烧毁应变片。 六、思考题 全桥测量时四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。,七、实验报告要求： 1. 记录实验数据，并绘制出全桥时传感器的特性 曲线。,实验三 电容式传感器的位移 特性实验,生物医学传感器课题组 高凤梅 Email:mei_,一、实验目的 了解电容式传感器结构及其特点。,二、实验器材 电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、 数显单元、直流稳压,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：,A极板相对覆盖面积； d极板间距离； 电容极板间介质的介电常数。,三、基本原理,图1 电容器原理图,三种基本类型： 变面积型(A)型 变极距(变间隙)(d)型 变介电常数()型,在d、A和三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量C发生改变。,电容式传感器就是利用电容器的原理，将被测非电量的变化转换为电容量变化的传感器件。,医学仪器中，为了记录生物医用信息，变面积型电容传感器作为位置反馈元件，使记录仪器的精度、线性度等性能得到改善。,变面积型电容传感器中，平板结构对极距特别敏感，测精度受到影响，而圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，且理论上具有很好的线性关系。,l外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；,外圆筒内半径和内圆柱外半径。,线位移单组式的电容量为：,图2 差动电容器原理图,当两圆筒相对移动l 时,电容变化量C为：,于是，可得其静态灵敏度为,圆筒式电容传感器可以提高灵敏度和线性度,电容传感器的电容值非常微小，必须借助于测量电路，将其转换成电压、电流、频率信号等电量来表示电容值的大小。,图3 测量电路,四、实验步骤 1. 安装传感器,将电容式传感器装于电容传感器实验模板 将传感器引线插头插入实验模板的插座中。,2. 连线 接入15V电源； 将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元 Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。,3. 测量与记录 旋动测微头改变电容传感器动极板的位置， 每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表中。,表1 电容传感器位移与输出电压值关系表,五、注意事项 1. 传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2. 做实验时，不要接触传感器，否则将会使 线性变差。,六、思考题,什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响？,七、实验报告要求 1. 记录实验数据，并绘制出电容式传感器特性 曲线，并用最小二乘法做拟和曲线。,2. 根据实验数据计算系统灵敏度,及非线性误差,实验四 差动变压器的性能测定,生物医学传感器课题组 高凤梅 Email:mei_,一、实验目的 1. 了解差动变压器的工作原理和特性; 2. 了解三段式差动变压器的结构。,二、实验器材 差动变压器实验模板、测微头、双线示波 器、差动变压器、音频信号源。,电感式传感器的基本原理是电磁感应。在 电感式传感器中，互感式传感器是把被测量的变 化转换为变压器的互感变化。变压器初级线圈输 入交流电压，次级线圈则互感应出电势。由于变 压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动 变压器式传感器。,三、基本原理,当铁芯位于线圈中心位置时 当铁芯向上移动时 当铁芯向下移动时,图1 差动变压器原理图,P,M1,M2,S2,S1,b,图2 差动变压器输出特性,当铁芯偏离中心位置时，则输出电压随铁芯偏离中心位置程度，逐渐增大，但相位相差180度，但实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位而是存在零点残余电压，如图所示。,位移,Uo,Ux,0,在本实验中当传感器随着被测体移动时，由于 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，即同名端 接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被 测体的位移量。,本差动变压器式电感传感器，原理如图3所示，差动输出使灵敏度提高，线性度也改善。,图3 差动变压器原理接线图,四、实验步骤 1. 安装传感器,2. 连线, 输入音频4-5kHz,用频率计监测引出激励信号； 差动输出信号(音频输出2V)，差动输出信号至 示波器，用于对比观察。,3. 旋动测微头，观察位移特性 (1) 旋动测微头，观察示波器的第一通道，使差动 输出VPP最小。,(2) 假定其中一个方向为正位移，从最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压VPP值，并记录填入下表。,表1 差动变压器位移X值与输出电压数据表,(3) 再从最小处反相移动做试验，记录数据。 注意左右位移时，初次级波形的相位关系。,五、注意事项 1. 在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激 励信号的幅度，使之为Vpp值为2V，不能太 大，否则差动变压器发热严重，影响其性能， 甚至烧毁线圈。 2. 模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同 名端。,差动变压器测量频率的上限受什么影响？,六、思考题,七、实验报告要求： 1. 记录实验数据，并绘制出差动变压器传感器左 移和右移的特性曲线。,2. 根据实验数据计算系统灵敏度S 及非线性误差 .,实验五 霍尔传感器的位移特性,生物医学传感器教研组 刘 艳 Email:,一、实验目的 了解霍尔式传感器原理与应用。,二、实验器材 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头、 15V直流电源、数显单元。,三、基本原理 1. 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电 动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效 应的元件成为霍尔元件。,在极性相反，磁场强度相同的两个磁钢的 气隙间放置一个霍尔元件，如图1。,图1 结构图,当控制电流恒定时，,当磁场与位移成正比时,K 位移传感器的灵敏度,2. 霍尔位移传感器工作原理,磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。,霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电势的极性反映了元件位移方向。,图2 磁场强度与 位移量的关系,当 时，元件置于磁场中心，,利用这一原理可以测量与位移有关的非电量，如力，压力，加速度，液位和压差。这种传感器一般可测量1-2mm的微小位移，特点是惯性小，响应速度快，无触点测量。,四、实验步骤 1. 霍尔传感器安装 将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块 上，将传感器引线插头插入实验模板的插座 中，实验板的连接线，如图3。,图3 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图,图4 传感器实验仪及霍尔传感器实验模块实物图,数显表调零 开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中 间位置，再调节RW1使数显表指示为零。 3. 实验记录 测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm记下一 个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表。,表1 霍尔传感器输出电动势与位移,五、实验注意事项 1. 对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2. 不要将霍尔传感器的激励电压错接成15V， 否则将可能烧毁霍尔元件。,六、思考题 本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？,七、实验报告要求 1整理实验数据，根据所得实验数据做出传 感器的特性曲线。 2归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各 自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。,实验六 热敏电阻的特性,生物医学传感器教研组 刘 艳 Email:,一、实验目的 了解热敏电阻的特性与应用。,二、实验器材 加热源、温度控制单元、温度传感器实验 模板、万用表。,三、基本原理 热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成。,1. 热敏电阻的分类： 负温度系数热敏电阻 NTC； 正温度系数热敏电阻 PTC； 临界温度系数热敏电阻 CTR。,热敏电阻的温度特性（RTT）,图1 热敏电阻的电阻-温度特性曲线,1 NTC 负温度系数热敏电阻 2 CTR 临界温度系数热敏电阻 3 PTC 正温度系数热敏电阻,RT、R0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； B NTC热敏电阻的材料常数。,(1) NTC的电阻温度特性,电阻温度系数： 温度变化1C时，其阻值变化率与其值之比。,（经验公式）,电阻温度系数决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。一般来说，电阻率越大，电阻温度系数也越大。,电阻温度系数随温度降低而迅速增大。,图2 PTC热敏电阻器的电阻温度曲线,(2) PTC的电阻温度特性,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄。,四、实验步骤 1. 将温度模块上的恒流输入和主控箱上的加热恒 流输出连接好。 2. 将温度控制器的SV窗口设置在5