生物醫(yī)學傳感器實驗

第1頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月目錄實驗六熱敏電阻的特性實驗一金屬箔式應變片——半橋性能實驗實驗二金屬箔式應變片——全橋性能實驗實驗三電容式傳感器的位移特性實驗實驗五霍爾傳感器的位移特性實驗四差動變壓器的性能測定第2頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗一金屬箔式應變片

——半橋性能實驗

生物醫(yī)學傳感器教研組劉艷Email:liuyan2010@第3頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的了解金屬箔式應變片的應變效應，半橋工作原理和性能。二、實驗器材應變式傳感器實驗模板、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源、萬用表。第4頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基本原理金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應變效應。

金屬的電阻表達式為：第5頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月用應變片測量受力時，將應變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化。通過轉換電路將機械變化轉換為相應的電壓或電流的變化。第6頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月將兩個應變片接入電橋的相鄰臂中，若使一個應變片受拉，另一個受壓，稱為半橋差動電路,如圖1所示。若

R1=R2，R3=R4，Ｒ3Ｒ4ＢＤＡ

Ｃ

ＲＬＵＯＩＬＥ圖1半橋電路第7頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗步驟：

1.應變式傳感器安裝應變片的安裝位置如圖2，應變式傳感器已裝到應變傳感器模塊上。傳感器中各應變片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4（如圖3示）

。圖2應變式傳感器安裝示意圖第8頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片接口圖3應變傳感器模塊第9頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.進行差動放大器調零將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連。檢查無誤后，合上主控箱電源開關，調節(jié)實驗模板上調零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零。如圖4所示。第10頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4差動放大器調零第11頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月R2應和R1受力狀態(tài)相反，即將兩片受力相反的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。接入橋路電源±5V，調節(jié)電橋調零電位器Rw1進行橋路調零。圖5接線3.接線第12頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月4.實驗記錄在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個砝碼并讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。記下實驗結果填入下表。重量(g)電壓(mV)表1半橋測量時，輸出電壓與加負載重量值第13頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月五、注意事項1.不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2.電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應變片。六、思考題半橋測量時兩片不同受力狀態(tài)的電阻應變片接入電橋時，應放在：(1)對邊(2)鄰邊。第14頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗報告要求1.記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出半橋時傳感器的特性曲線。

2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度及非線性誤差第15頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月生物醫(yī)學傳感器課題組高鳳梅Email:mei_zz@163.com實驗二金屬箔式應變片

——全橋性能實驗第16頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的

了解金屬箔式應變片的應變效應，全橋工作原理和性能。二、實驗器材

應變式傳感器實驗模板、砝碼、數(shù)顯表、±15V電源、±5V電源、萬用表。第17頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基本原理

金屬絲在外力作用下發(fā)生機械形變時，其電阻值會發(fā)生變化，這就是金屬的電阻應變效應。

金屬的電阻表達式為：第18頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

用應變片測量受力時，將應變片粘貼于被測對象表面上。在外力作用下，被測對象表面產生微小機械變形時，應變片敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為相應的電壓或電流的變化。第19頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月電橋平衡時，ＵＯ＝０，則電橋平衡條件為：

R1R4=R2R3當R

∞時，電橋的輸出電壓Ｒ2Ｒ1Ｒ３Ｒ４ＢＤＡ

Ｃ

ＲＬＵＯＩＬＥ圖1測量橋路第20頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

當R

∞，應變片阻值和應變量相同時，電壓輸出為：半橋時：

全橋時：

全橋測量時，與半橋相比，輸出電壓增大一倍。輸出靈敏度提高，非線性得到改善。

第21頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗步驟：

1.安裝應變片

應變片的安裝位置如圖1所示，應變式傳感器已裝到應變傳感器模塊上。傳感器中各應變片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4（如圖2示）。圖2應變式傳感器安裝示意圖第22頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片接口圖3應變傳感器模塊第23頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.進行差動放大器調零

將差放的正、負輸入端與地短接，輸出端與主控箱面板上數(shù)顯電壓表輸入端Vi相連。檢查無誤后，合上主控箱電源開關，調節(jié)實驗模板上調零電位器Rw3，使數(shù)顯表顯示為零。第24頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4差動放大器調零接線圖第25頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3.按右圖接線⑴應變片接入橋路。注意將兩受力相反的電阻應變片作為電橋的相鄰邊。⑵接入橋路電源±5V，⑶調節(jié)電橋調零電位器Rw1，進行橋路調零。圖5全橋接線圖第26頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月4.放砝碼

在砝碼盤上放置一只砝碼，讀取數(shù)顯表數(shù)值，以后每次增加一個砝碼并讀取相應的數(shù)顯表值，直到200g砝碼加完。記下實驗結果填入下表。重量（g）電壓（mV）表1輸出電壓與加負載重量值記錄表第27頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月五、注意事項1.

不要在砝碼盤上放置超過1kg的物體，否則容易損壞傳感器。2.電橋的電壓為±5V，絕不可錯接成±15V，否則可能燒毀應變片。六、思考題

全橋測量時四片不同受力狀態(tài)的電阻應變片

接入電橋時，應放在：（1）對邊（2）鄰邊。第28頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗報告要求：

1.記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出全橋時傳感器的特性曲線。

2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度及非線性誤差第29頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗三電容式傳感器的位移

特性實驗生物醫(yī)學傳感器課題組高鳳梅Email:mei_zz@163.com第30頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的

了解電容式傳感器結構及其特點。二、實驗器材

電容傳感器、電容傳感器實驗模板、測微頭、數(shù)顯單元、直流穩(wěn)壓第31頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月用兩塊金屬平板作電極可構成電容器，當忽略邊緣效應時，其電容C為：

A—極板相對覆蓋面積；

d—極板間距離；ε—電容極板間介質的介電常數(shù)。三、基本原理

圖1電容器原理圖εAd第32頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月三種基本類型：變面積型(A)型變極距(變間隙)(d)型變介電常數(shù)(ε)型在d、A和ε三個參數(shù)中，保持其中兩個不變，改變另一個參數(shù)就可以使電容量C發(fā)生改變。

電容式傳感器就是利用電容器的原理，將被測非電量的變化轉換為電容量變化的傳感器件。第33頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

醫(yī)學儀器中，為了記錄生物醫(yī)用信息，變面積型電容傳感器作為位置反饋元件，使記錄儀器的精度、線性度等性能得到改善。

變面積型電容傳感器中，平板結構對極距特別敏感，測精度受到影響，而圓柱形結構受極板徑向變化的影響很小，且理論上具有很好的線性關系。

第34頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

l——外圓筒與內圓柱覆蓋部分的長度；

——外圓筒內半徑和內圓柱外半徑。lr1r2定極板動極板線位移單組式的電容量為：圖2差動電容器原理圖第35頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月當兩圓筒相對移動Δl時,電容變化量ΔC為：于是，可得其靜態(tài)靈敏度為圓筒式電容傳感器可以提高靈敏度和線性度第36頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

電容傳感器的電容值非常微小，必須借助于測量電路，將其轉換成電壓、電流、頻率信號等電量來表示電容值的大小。圖3測量電路第37頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗步驟1.安裝傳感器

將電容式傳感器裝于電容傳感器實驗模板將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中。

2.連線

接入±15V電源；將電容傳感器實驗模板的輸出端Vo1與數(shù)顯單元

Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw調節(jié)到中間位置。第38頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量與記錄旋動測微頭改變電容傳感器動極板的位置，每隔0.2mm記下位移X與輸出電壓值，填入表中。

V(mV)X(mm)

表1電容傳感器位移與輸出電壓值關系表第39頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月五、注意事項

1.傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2.

做實驗時，不要接觸傳感器，否則將會使線性變差。六、思考題什么是傳感器的邊緣效應，它會對傳感器的性能帶來哪些不利影響？第40頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗報告要求

1.記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出電容式傳感器特性曲線，并用最小二乘法做擬和曲線。

2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度及非線性誤差第41頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗四差動變壓器的性能測定生物醫(yī)學傳感器課題組高鳳梅Email:mei_zz@163.com第42頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的1.了解差動變壓器的工作原理和特性;2.了解三段式差動變壓器的結構。二、實驗器材差動變壓器實驗模板、測微頭、雙線示波器、差動變壓器、音頻信號源。第43頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

電感式傳感器的基本原理是電磁感應。在電感式傳感器中，互感式傳感器是把被測量的變化轉換為變壓器的互感變化。變壓器初級線圈輸入交流電壓，次級線圈則互感應出電勢。由于變壓器的次級線圈常接成差動形式，故又稱為差動變壓器式傳感器。三、基本原理第44頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月當鐵芯位于線圈中心位置時當鐵芯向上移動時當鐵芯向下移動時圖1差動變壓器原理圖U2U1UiPM1M2S2S1bUo第45頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2差動變壓器輸出特性當鐵芯偏離中心位置時，則輸出電壓隨鐵芯偏離中心位置程度，逐漸增大，但相位相差180度，但實際上，鐵芯位于中心位置，輸出電壓并不是零電位而是存在零點殘余電壓，如圖所示。位移UoUx0第46頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

在本實驗中當傳感器隨著被測體移動時，由于初級線圈和次級線圈之間的互感發(fā)生變化促使次級線圈感應電勢產生變化，一只次級感應電勢增加，另一只感應電勢則減少，將兩只次級反向串接，即同名端接在一起，就引出差動輸出，其輸出電勢則反映出被測體的位移量。第47頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月

本差動變壓器式電感傳感器，原理如圖3所示，差動輸出使靈敏度提高，線性度也改善。圖3差動變壓器原理接線圖第48頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗步驟

1.安裝傳感器第49頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月2.連線

⑴輸入音頻4-5kHz,用頻率計監(jiān)測引出激勵信號；⑵差動輸出信號(音頻輸出2V)，差動輸出信號至示波器，用于對比觀察。3.旋動測微頭，觀察位移特性(1)旋動測微頭，觀察示波器的第一通道，使差動

輸出VPP最小。第50頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)假定其中一個方向為正位移，從最小開始旋動測微頭，每隔0.2mm從示波器上讀出輸出電壓VPP值，并記錄填入下表。V(mV)

X(mm)表1差動變壓器位移X值與輸出電壓數(shù)據(jù)表(3)再從最小處反相移動做試驗，記錄數(shù)據(jù)。

注意左右位移時，初次級波形的相位關系。第51頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月五、注意事項1.在做實驗前，應先用示波器監(jiān)測差動變壓器激

勵信號的幅度，使之為Vpp值為2V，不能太

大，否則差動變壓器發(fā)熱嚴重，影響其性能，

甚至燒毀線圈。2.模塊上L2、L3線圈旁邊的“*”表示兩線圈的同

名端。差動變壓器測量頻率的上限受什么影響？

六、思考題第52頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗報告要求：

1.記錄實驗數(shù)據(jù)，并繪制出差動變壓器傳感器左移和右移的特性曲線。

2.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)靈敏度S

及非線性誤差.第53頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗五霍爾傳感器的位移特性生物醫(yī)學傳感器教研組劉艷Email:liuyan2010@第54頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的了解霍爾式傳感器原理與應用。二、實驗器材霍爾傳感器實驗模板、霍爾傳感器、測微頭、

±15V直流電源、數(shù)顯單元。第55頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基本原理1.霍爾效應金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于磁場和電流的方向上將產生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。具有這種效應的元件成為霍爾元件。第56頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月在極性相反，磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件，如圖1。圖1結構圖當控制電流恒定時，當磁場與位移成正比時,K

—位移傳感器的靈敏度2.霍爾位移傳感器工作原理第57頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度就越好?；魻栯妱菖c位移量成線性關系，其輸出電勢的極性反映了元件位移方向。圖2磁場強度與

位移量的關系xOB第58頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月當時，元件置于磁場中心，利用這一原理可以測量與位移有關的非電量，如力，壓力，加速度，液位和壓差。這種傳感器一般可測量1-2mm的微小位移，特點是慣性小，響應速度快，無觸點測量。第59頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月四、實驗步驟1.霍爾傳感器安裝將霍爾傳感器安裝在霍爾傳感器實驗模塊上，將傳感器引線插頭插入實驗模板的插座中，實驗板的連接線，如圖3。圖3直流激勵時霍爾傳感器位移實驗接線圖第60頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4傳感器實驗儀及霍爾傳感器實驗模塊實物圖第61頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月數(shù)顯表調零開啟電源，調節(jié)測微頭使霍爾片大致在磁鐵中間位置，再調節(jié)RW1使數(shù)顯表指示為零。3.實驗記錄測微頭往軸向方向推進，每轉動0.2mm記下一個讀數(shù)，直到讀數(shù)近似不變，將讀數(shù)填入下表。

X(mm)V(mV)表1霍爾傳感器輸出電動勢與位移第62頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月五、實驗注意事項1.對傳感器要輕拿輕放，絕不可掉到地上。2.不要將霍爾傳感器的激勵電壓錯接成±15V，否則將可能燒毀霍爾元件。六、思考題本實驗中霍爾元件位移的線性度實際上反映的是什么量的變化？第63頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月七、實驗報告要求1．整理實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)所得實驗數(shù)據(jù)做出傳感器的特性曲線。2．歸納總結霍爾元件的誤差主要有哪幾種，各自的產生原因是什么，應怎樣進行補償。第64頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗六熱敏電阻的特性生物醫(yī)學傳感器教研組劉艷Email:liuyan2010@第65頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月一、實驗目的了解熱敏電阻的特性與應用。二、實驗器材加熱源、溫度控制單元、溫度傳感器實驗模板、萬用表。第66頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月三、基本原理熱敏電阻是一種對熱敏感的電阻元件，一般用半導體材料做成。1.熱敏電阻的分類：負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC；正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC；臨界溫度系數(shù)熱敏電阻CTR。第67頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月２．熱敏電阻的溫度特性（RT—T）

12340601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC圖1熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1—NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻2—CTR臨界溫度系數(shù)熱敏電阻3—PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻第68頁，課件共76頁，創(chuàng)作于2023年2月RT、R0——