实验指导书

实验指导书压电式压力传感器的静态标定一、实验目的：1、熟悉记忆示波器和电荷放大器使用方法；2、用活塞式压力计标定传感器的电荷灵敏度系数；二、实验所涉及的一些基本原理：1、理想数学模型：准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率）：输入（压力）和输出（电荷）近似成线性关系(石英压力传感器的线性度较好)；动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有频率）：二阶线性系统模型。2、真实情况和数学模型之间的偏差：电荷泄漏：理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体：1013；压电陶瓷：1010），必将导致一定程度的电荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。所以通常的电荷放大器的输入级都具有极高的输入阻抗，并要求设备防潮，以避免由于受潮带来的阻抗下降。但是，由于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号造成明显的影响，该影响不可忽略。电荷放大器的频率响应：对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二次仪表（电荷放大器）的低频响应有较高的要求，否则经过二次仪表的高通滤波，信号将会失真,因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。噪声：由于本实验采用的传感器量程很大（100 bar 300 bar），而实际载荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明，以如此小的压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。图1. 电荷泄漏对传感器输出的影响（示意图）三、测试仪器设备1 记忆示波器1台（TDS210）；2电荷放大器YE5850一台；3 活塞式压力计1台；4 石英压力传感器CY-YD-205 1只。三、实验要求：1. 熟悉记忆示波器，看清各个调节旋钮的位置,对照说明书了解：（1）调节电压量程、时间量程方法；（2）触发方式、触发电平，触发位置等的设置方法； ( 3 ) 用光标读取电压、时间值的方法；（4）用TDS-210数据处理程序采集数据的方法。 以上方法的要点将在下面的实验步骤中说明.2 熟悉电荷放大器，看清面板上各种按钮的位置（1）灵敏度设置、输出设置方法；（2）下限、上限频率设置方法。 以上方法的要点将在下面的试验步骤中说明。3 熟悉活塞式压力计油杯砝码传感器砝码压力表活塞（1）打开油杯阀门，向外旋转活塞把油吸入活塞，关闭油杯阀门，向右旋转活塞手轮，压力表显示已加载压力。（2）用砝码可以更精确表示压力。关闭压力表处的阀门，打开连接砝码盘的阀门，在砝码盘上加砝码，关闭油杯阀门。向右旋转活塞手轮，砝码盘抬起（注意：不要与上方金属环接触）。改变砝码重量，即可改变加载压力。（3）突然打开油杯阀门，接通大气。此时传感器上卸载。四、 实验步骤（1） 打开示波器电源开关(开关在示波器上表面)，将电荷放大器YE5850的开关档置于“复位”，将放大器地线良好接地，然后打开放大器的电源开关(开关在背面面板上)。（2） 将传感器电缆接到放大器电荷输入端，放大器输出电缆接到示波器2通道输入端。( 3 ) 放大器灵敏度档置于10.0 pc/unit(即将灵敏度左边档置于10，中间和右边档置于0)，输出置于10 mv/unit， 下限频率置于L档(此时下限频率小于0.0001HZ)，上限频率置于0.3kHz，输入端选择电荷输入。 注意将放大器的灵敏度设置在1-10.99pc/unit时，调节下方的档置于下方，面板上的左边小数点亮。( 4 ) 旋转示波器2通道的垂直电压调节旋钮，将垂直标尺定在20mv/div，旋转水平位置的秒/刻度旋钮，将水平标尺(主时基)定在500ms/div.按下”TRIGGER”钮，显示区右边会显示触发菜单，将触发类型选在边沿触发，触发方式选在单次触发，信源选ch2，耦合方式选交流，斜率选下降沿，然后按下“HORIZONTAL”钮，在菜单中选择电平，旋转“电平”旋钮,设置触发电平。 注意触发电平一般选在所测电压峰-峰值的一半左右，基本原则是保证噪声不会引起触发，信号能够引起触发。这里给出一个参考值：当加压至3千克力/ 平方厘米时，触发电平可设置在20mv左右。( 5 )在活塞式压力计上对传感器加载后，将放大器置到“工作”，将示波器面板右上端“执行/停止”按下，当显示区上方中间显示位“Ready” ，快速打开油杯阀门，使示波器触发。 注意，试验者可能由于触发电平设置太低、而使噪声引起触发，或者设置过高，使得信号不能触发。另外，在每次测量后，将放大器置于“复位”，使里面的残余电荷放掉。（6）用光标读出电压值。按下菜单栏里的“CURSOR”钮，显示区将显示光标的菜单，类型选择“电压”，信源选ch2，用垂直处的波形位移钮移动光标1和光标2，菜单栏里的增量处，将显示两光标间的电压差值。由此读出触发前后的电压差。 注意，如果发现显示区波形被截断，需要调大垂直标尺，重新测量。用下列公式计算出电荷量：（7）改变砝码重量，从0.7千克力/平方厘米开始，每次增加0.5千克力/平方厘米，直到砝码总压达到5千克力/平方厘米时，重复上述试验过程。 注意，活塞式压力计底盘重0.4千克力/平方厘米，不要漏掉。另外，由于噪声的影响，使得最小压力值受到限制，试验者可以试着把可以测量的最小压力值找出来，这里的0.7千克力/平方厘米，只是一个参考值。用所得数据绘制电荷量pc 压力 bar 曲线，并用最小二乘法求出灵敏度系数。(1kgf/cm20.98 bar)。五、数据处理1、 计算传感器的电荷灵敏度。 将实验数据和计算后的数据整理如下。砝码(Kgf / cm2)压力(bar)电压(mv)电荷量(pc)0.70.811.52