生物传感器-设计

1、北京联合大学实验报告课程（项目）名称： 生物医用传感器 学 院： 信息学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 2 学 号： 04 05 姓 名： 冯毅 吴梦迪 成 绩： 2013年6月7日第一章 应变式传感器实验第一节 实验目的1.1 使学生了解应变计原理1.2 使学生了解Load Cell 结构1.3 使学生了解Load Cell 特性1.4 使学生了解Load Cell 转换电路的原理1.5 使学生了解Load Cell 的应用第二节 实验电路原理说明Load Cell 利用应变计和桥式电路组合成，当其受到了拉力或压力时，将产生与作用力成正比的电压输出。图1-6 是Load Cell

2、 转换电路，其输出的转换率为10mV/g。本实验所采用的Load Cell 规格为500g，输出率为2mV10%，即在5V 的激励电压下，在荷重500g 下有2mV10%的电压输出，所以Load Cell本身的输出转换率为(4mV10%)/Kg。图1-6 中U1，U2 和U3 组成了一般常用的仪器放大器，其电压增益为2R2/(R1+VR1)【当R2=R3 时】。要使得整个转换电路的输出为10mV/g，则仪器放大器必须有2500 倍的增益(4mV/kg x 2500 =10mV/g)。因Load Cell 在无荷重下输出电压并不为零，且输出转换率为4mV/kg并不准确，前者可在仪器放大器加上抵补

3、电压使其归零。而后者可调整到VR1，改变仪器放大器的增益，使得转换电路的输出保持在10mV/g。调整VR2 可使得R14 的电压从+1.2V-1.2V，使得整个转换电路在无荷重下输出为零。图1-6 应变计转换电路第三节 实验仪器设备4.1 数位式电表(DMM)4.2 KH-700 主实验器4.3 KH-73001 实验模板4.4 砝码一组(1kg)(选购)第四节 实验步骤与记录5.1 Load cell 特性与转换电路实验1.将KH-73001实验模板放在实验台上，取出KH78001负载单元备用。2.使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。使用标准USB-B jack连接线连接

4、KH78001负载单元中应变式压力传感器输出接口与KH73001对应传感器接口。3使用KH71003中工控表 1连接模组输出（工控表1中COM-接模组输出GND；V/A+接入被测信号），测量J1测试点（零点补偿电压）并并调整VR1，使传感器输出在无负重下，Vout 的电压为0.24V（补偿托盘自重导致的测量数值偏移）4.测量Vout 的输出电压，并调整VR2，使传感器输出在无负重下，Vout 的电压为0 V。5.以100g的砝码放在盛物盘上，并调整VR1 使Vout 的电压为1V，此时，转换电路的输出转换率为1V/100g。6.依照表1-2 所列的重量，将砝码组合后，放在Load Cell 上

5、，利用工控表 测量Vout 的电压 , 并记录到表中。砝码重（g）1020304050100150200Vout电压（V）0.290.340.390.440.490.74 0.991.24第二章 气压传感器实验第一节 实验目的本实验在于了解气体传感器的特性及利用气体传感器来检知出所要测气压的压力，且与设定值比较来控制警报器的动作。第二节 实验电路原理说明压电电阻效应压力感测能提供一个随着外在压力的大小产生电压的输出。此装置乃是利用离子，注入电阻方式到积体的硅振动板上，把压力转成电压的输出。图2-15 为本实验所用感测等效电路及外观。图2-15 等效电路及外观为了更进一步的了解压力传感器，我们有

6、必要详细的解释一些专用名词：绝对压力(absolute pressure)：在真空中所量测的压力(磅每平方英吋绝(psia)通常我们所看到的气压计就是)。差压(Differential pressure)：两个压力源所量得的差值称为差压。磅每平方英吋差(psid)。当压力源是完全真空，差压称之为绝对压力。Kpa：1.0Kpa(Kilopascal)等于0.145psi(pound per square inch)。真空(Vacuum)：完全真空是气态的气体。3.1 SPX 电气特性及装置考虑传感器组件(SPX 50D)设计成容易固定在底壳及房子上，也可焊在O-环(O-Ring)衬垫，或RTV。

7、在绝对压力和计量压力的应用上,压力源需加在本装置的上端。图2-16(b)在差压应用传感器P1 端常加高压端口(high pressure port)，P2 端接低压端口(low pressure port)。在很多的应用中，这颗SPX 组件有很快的反应速度，典型的P1 值为0.06cm3，P2值为0.001cm3。图2-16 SPX切面(a)及结构（b）本包装方式有两个可用的压力连接管。绝对压力的装置P1 端口动作，应用压力经由另一端口，将导致压力死端(dead-ending)进入硅传感器后端，如果发生此情形，本装置将没有输出信号。在量计压力设置，压力通常加入P1 端口。差压的应用P1 端口(

8、P1 port)接高压端口(High pressure port)，P2 端口(P2 port)接低压端口(Low pressureport)。SPX 系列可提供一个随压力而改变的电压输出。当压力源P1 加入时，输出电压随着外来的压力而产生成正比的变化。但当压力在量计模式(Gage Mode)时，增加压力，输出反而减少。1.SPX 压力传感器乃利用惠斯登电桥的原理图2-17 SPX的压力感测器当有压力输入时，电桥各路有变化量。这结果导致差动输出：Vo = Vb x 因为电阻的改变比例在于压力，所以，输出可改写成：Vo = S x P x Vb Vos( 2-5 )这里 Vo： 输出电压，单位m

9、VS：灵敏度，单位mV per psiP：压力，单位psiVb：电桥电压，单位伏特Vos：是漂移误差(当压力等于零时的差动输出电压)。2. 接着介绍温度效应的影响：从(2-5)式中，忽略Vos 项，当压力源是恒压时，输出电压为温度的变化，为Vo = SPVb(2-6)为了输出电压不随着温度而变化，Vb 跨接于电桥必须与温度的变化呈相反方向。从典型的温度曲线span=SPVb，能够看出温度变化灵敏度是很小，其方程式可修正为：S = So(1-)+2(2-7)这里Td ：温度差，25及有相关的温度So ：25的灵敏度，：固定常数温度在0-70之间，灵敏度呈线性的变化。本传感器应用温度范围也在此之间

10、，所以我们忽略平方项，S = So(1 -)(2-8)(2-8)式代入(2-5)式，忽略Vos 项Vbo：在 25时电桥电压式中为非线性的，然而值很小(0.235%)，所以上式可为Vb = Vbo(1 + ) 大约小于1%的误差，因此为了补偿负温度灵敏度2350ppm，电桥电压增加 +2350ppm的比例。(Vb / Vb) = +2350ppm电桥电阻也随着温度而改变，其改变为(Rb / Rb) = +1350ppm3.2 实际的电桥补偿电路1.二极管补偿电路电源电压Vs 使用5V 或6V 时，利用最低成本的电路来解决温度漂移问题。二极管就是最好的方法，二极管可用小信号的硅质组件，诸如像1N

11、914，1N4148 等。0.7V 的顺向电压( )，6mA 电流。图2-18 为二极管补偿电路。图2-18 二极管补偿电路(a)Vb =Vs-3 (b)(c)=Rb/(R1+Rb)(d) 硅质二极管例题：Vs = 5.0V = 0.7VRb = 500己知R1=332，代入(c)式求出值，再代入(a)式求出Vb=1.74V，25。Vs 若为6V 时R1 不接，改用四个二极管，Vb=3.2V，温度系数大约2200ppm/。2.晶体管补偿电路图2-19 为利用晶体管来仿真二极管的补偿电路。Vs=5V，R1=402，R2=150或Vs=6V，R1=429，R2=133，可在0-100之间有很好的温

12、度补偿作用，本实验项目乃利用此补偿电路。图2-19 电晶体补偿电路3. 恒流源补偿电路所谓的补偿电路是决定多少电压降在电桥上。图2-20 所示，电桥电压可独立选择。LM334 是恒流源IC，有良好的温度系数为3300ppm/。因电桥电阻的温度系数(TC)太高，导致补偿温度系数太灵敏，因此加了R2的电阻以减少总电路的温度系数。图2-20 恒流源补偿电路(a) Vb =( Vs + I x R2 )(b)(c) = Rb / ( R2 + Rb )(d) (e) Io = 67.7mV / R13.3 设计程序1.已知Vs 值，求解电压降Vb，解(b)式值2.解(c)式R2，令Rb=5003.解(

13、a)式Io4.从(e)式中求出R1 值,不同的Vs 值，R1，R2 适当值请参考如下：表2-13.4 放大器电路设计由于价格便宜和线路简单的原因，所以选择运算放大器作为本实验的放大器。如果温度范围限制于25 15，这颗LM324 IC 就可提供很好的服务，比较精确的IC，如LT1014，LT1002 的温度范围能在0-100之间变化。本实验用的IC 为OP07，图2-21 为放大器电路。图2-21 放大器电路第三节 实验仪器设备4.1 数位式电表4.2 KH-700 主实验器4.3 KH-73002 实验模板第四节 实验步骤与记录取KH-73002 模板，放在感测实验器上，接上电源。如图2-2

14、2 所示。图2-22 KH-73002 压力感测实验电路一、实验步骤3. 将KH-73002 实验模板放在实验台上，取出KH78001负载单元备用。4. 使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。使用标准USB-B jack连接线连接KH78001负载单元中气压传感器输出接口与KH73002对应传感器接口。5. 使用KH71003中工控表 1连接模组输出（工控表1中COM-接模组输出GND；V/A+接入被测信号）6. 作零压力输入校正。将实验主机的电源Power ON，使负载单元上的气压传感器处于空置状态，利用工控表1量测J3测试点，调整VR1，使J3测试点的电压值为0V。7.

15、利用工控表1量测KH-73002模板上的J6测试点，调整VR3，使J6的电压值为0V。8. 连接负载单元气压传感器与气压针筒，并将KH-73002模板上的VR2左转到底。9. 利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值为 0.2 V。10. 将KH-78001模板上的气压针筒给予推力，依实验需求推动至针筒上标示刻度。11. 将压力针筒调至2.5ml标示处，利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值，依次调整针筒容量至表中容量，并记录电压。针筒标示2.5ml5.0ml7.5ml10.0mlVout电压（V）2.7 0.263.16 0.353.34 0.3

16、9 3.450.4133. 将压力针筒调至10.0ml标示处，利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值，依次调整针筒容量至表中容量，并记录电压。针筒标示10.0ml7.5ml5.0ml2.5mlVout电压（V）3.640.413.54 0.393.37 0.352.90 0.2613.并将KH-73002模板上的VR2右转底。14.重复步骤612。15.利用电压表量测KH-73002模板上的J5，调整VR4，所设定的电压值对应的压力值，即为上临界值。当J6的电压小于J5的电压时，量测Vout1的电压值为 0 V；调整VR4，当J6的电压大于J5的电压时，量测Vout1的

17、电压值为 13.80 V。可将KH-73002模板上的Vout1端接至主控台上71004上的alarm in 端观察调节VR4时的变化，结合电路原理分析原因。18.利用电压表量测KH-73002模板上的J7，调整VR5，所设定的电压值对应的压力值，即为下临界值。当J6的电压大于J7的电压时，量测Vout2的电压值为 0 V；调整VR5，当J6的电压小于7的电压时，量测Vout2的电压值为为 13.81 V。可将KH-73002模板上的Vout1端接至主控台上71004上的alarm in 端观察调节VR5时的变化，结合电路原理分析原因。第三章 LVDT实验/霍尔IC位移实验第一节 实验目的1.

18、1使学生了解LVDT的结构1.2使学生了解LVDT的特性1.3使学生了解LVDT转换电路的原理1.4使学生了解LVDT的应用1.5使学生了解磁感测组件的特性。第二节 实验电路原理说明图3-5为LVDT的转换电路，能将LVDT的位移量以直流电压输出，其转换率为1V/mm。本实验所使用的LVDT为225B-125，其最大位移量距离为距中点0.125in(3mm)，初级线圈所加的交流激励电源为5Vrms(14.14Vp-p)，最佳频率为350Hz。为了提供5Vrms，350Hz的交流电源，图3-5使用运算放大器维恩电桥振荡方式，其中R1(10K)，C1(0.047f)，R2(10K)，C2(0.04

19、7f)决定了振荡频率Fo=1/2R1R2C1C2338.6Hz。R3，R4，R5，R6构成了负反馈网路，决定了振荡条件与输出振幅。调整R5可以改变负反馈量，进而改变输出电压的振幅，而CR1，CR2反接且并联于R3两端，可增加振幅的稳定度。Q1，Q2组成放大电路，增加推动的能力。CR3，C4，R10与CR4，C5，R11为两组整流滤波电路，分别将两组次级线圈的交流电压Vr，Vf转换为直流电压。U2，U3为电压增益为1的电压随耦器，作为缓冲器使用。图3-6 LVDT转换电路第三节 实验仪器设备4.1 位式电表（DMM）4.2 KH-73003实验模板4.3 KH-700主实验器4.4 示波器第四节

20、 实验步骤与记录5.1位置侦测器功能：利用LVDT特性，由LED显示位移量低于或高于设定值。1. 将KH-73003 实验模板放实验台上，取出KH78001负载单元备用。2 使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模板供电接口。使用标准USB-B jack连接线连接KH78001负载单元中线形差动传感器输出接口与KH73003对应传感器接口。由主控台71002中工控表2右端24V电源和com端向KH-73003 实验模板中的传感器供电。3调整LVDT右移1mm时，差动放大输出（在KH-73003上）为何值。反复设定不同数值，观察与理论是否一致。调整LVDT传感器的位移如下表，并记录相应的输出电压Vout值。位移量（mm） 0 1 2 3 4 5 6