传感器实验指导书

《传感器实验指导书》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器实验指导书（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、实验指导书实验一、箔式应变片的温度效应及补偿实验目的：1、认识环境温度变化对传感器输出的影响(零点漂移、灵敏度漂移)；2、掌握差动电桥电路对温漂的抑制；3、了解差动电桥电路抗干扰能力。实验原理：传感器输出不仅反映被测量，环境的其它物理量(温度、电磁、偏载等等)也会 对传感器的输出产生影响，即产生干扰。为了提高测量精度，需提高传感器抗干扰能力，即干扰补偿。一种有效的补偿措施是差动传感器方法。含干扰的传感器静态数学 模型为：Y a + a X + a X3 + + a Xn + f (T)012n若传感器采用差动方法则有：Y 2a X + 2a X 3 + 2a X 5 + + f (T) - f

2、 (T)13512式中，f (T)为干扰量产生的输出，f(T)、f2(T)为两差动转换元件产生的输出。通常干扰为共模干扰，即 f1(T)、 f2(T) 同号，这样差动传感器的干扰减小，若传感 器转换元件完全对称，即f(T)、f2(T)完全相等，则干扰输出为零。由工艺原因，传感器结构不可能完全对称，即通过差动方法不能完全消除干扰， 或是传感器不能采用差动结构，传感器的干扰通常还需采取其它补偿措施。 实验步骤：1、连接主机与模块电源连接线，差动放大器增益置于最大位置 (顺时针方向旋到 底)，差动放大器“+”“-”输入端对地用实验线短路。输出端接电压表2V档。开启主 机电源，用调零电位器调差动放大器

3、输出电压为零，然后拔掉实验线，调零后模块上 的“增益、调零”电位器均不应再变动。2、观察贴于悬臂梁根部的应变片的位置与方向，按图(1)将所需实验部件连接成 测试桥路，图中 R1、 R2、 R3 分别为固定标准电阻， R 为应变片(可选上梁或下梁中的 一个工作片)，图中每两个节之间可理解为实验连接线，注意连接方式，勿使直流电源 激励电源短路。将螺旋测微仪装于应变悬臂梁前端永久磁钢上，并调节测微仪使悬臂梁基本处于 水平位置。3、确认接线无误后开启主机，并预热数分钟，使电路工作趋于稳定。调节模块上 的wD电位器，使桥路输出为零。4、用螺旋测微仪带动悬臂梁向上位移5mm (每次1mm),记录输出电压值

4、，计 算灵敏度S： S=A V/A X。然后使悬臂梁回到初始位置，电压输出为零。5、开启“应变加热”电源，观察电桥输出电压随温度升高而发生的变化，待加热 温度达到一个相对稳定值后（约高于环境30C温度），记录电桥输出电压值，并求出温 漂4 V/A T。用螺旋测微仪带动悬臂梁向上位移5mm,记录输出电压值，计算灵敏度 S=A V/A X,计算灵敏度度温漂A S/A T。关闭加热电源，待其冷却。6、将图（1）中的固定电阻R1换接应变片组成半桥，重复步骤2、3。比较单臂电桥 和半桥（全桥）间的区别。实验报告要求1、计算并比较单臂电桥和半桥（全桥）的温度漂移（零点温漂、灵敏度温漂）。2、根据电桥输出计

5、算公式分析单臂电桥和半桥（全桥）的温度漂移（零点温漂、灵 敏度温漂）的差异。3、除温度对传感器输出有影响外，外界环境的其它因素 （光、电、磁、湿度等） 也会对传感器输出产生影响，试分析差动电桥电路对共模干扰信号的抑制作用。 思考：1、为什么半桥或全桥电路并不能完全补偿温度的影响？2、除差动输入可以补偿共模干扰外，还可以采取哪些措施消除干扰？（提示： 在信号传输过程中，串联一环节，其因干扰产生的输出与传感器对干扰的输出相反）。实验二、光纤传感器位移测量实验目的：掌握位移测量光强度调制原理。实验原理：反射式光纤传感器工作原理如图所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤合并于 一端组成光纤探头，一束作为

6、接收，另一束为光源发射，红外二极管发出的红外光经 光源光纤照射至被测物，由被测物发射的光信号经接收光纤传输至光电转换器转换为 电信号，反射光的强弱表示了反射物与光纤探头的距离，通过对光强的检测就可得知 位置量的变化。光纤位移传感器调制原理如图所示。由图(a)中发射光纤的虚像与接收光纤构成的 等效光路分析可知，只有接收光纤的端面仅位于发送光纤出射光锥之内时，接收光纤设发送光纤与接收光纤的的芯径为2r,孔径角为8，两根光纤的距离为d。当光纤 端面与反射面之间的距离L很小，以至当LVd/2tan8时，接收光纤位于发送光纤像的 光锥之外，发送光纤与接收光纤之间的耦合为零；因此，无反射光能量进入接收光纤

7、 随着距离L增大，交叠光斑面积逐渐增大，接收光纤端面逐渐被反射光照射。当L =(d+2r) /tan。时，接收光纤端面完全被发送光纤虚像发出的光锥照亮，光斑面积等 于接收光纤端面积；这时光偶合最强，收集的反向光光通量达到最大。L继续增大，光 斑面积不再增加；相反，接收的光通量反而随距离的增加而减小。实验步骤：1、连接主机与实验模块电源线与探头接口，光纤探头装上通用支架，探头垂直 对准反射片中央，螺旋测微仪装上支架，以带动反射片位移。2、开启主机电源，光电变换器 V端接电压表，首先旋动测微仪使探头紧贴反射 镜片(如两表面不平行可稍许扳动光纤探头角度)，此时V。输出约为零，然后旋动测 微仪，使反射

8、片离开探头，每隔0.2mm记录一数值并记入下表：00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.84V位移量如再加大，就可观察到光纤传感器输出特性曲线的前坡与后坡波形，作出VX 曲线，通常测量用的是线性较好的前坡范围。注意事项：1、光纤传感器勿折成锐角，以免造成断裂，端面尤其要保护好，否则会造成灵 敏度下降。2、实验时应注意增益调节，输出最大信号以3V左右为宜，应避免过强的背景光 照射。思考：1、传感器的非线性误差主要有哪些因素？2、反射面不同传感器的灵敏度不同，对于不同状况的位移测量，如何解决？3、观察环境温度和光的变化对传感器输出的影响

9、，如何克服这些干扰？实验三、生理信号传感器-脉搏、心音传感器实验目的：1、了解多通道生理信号采集系统的使用；2、了解脉搏、心音传感器的原理及使用。实验原理：脉搏信号通过血管压力、血流速度、皮肤跳动表现出来，因此可以通过测量血压 血液流速和皮肤振动来测量脉搏信号，本实验通过皮肤振动来测量脉搏信号。测量振 动传感器的原理与加速度传感器相同，结构如图（1）所示，传感器支座支被测物体相 连，当被物体有加速度时，传感器亦产生加速度并对敏感梁元件作用一惯性力：F= ma,通过对惯性力的检测就可测出加速度或振动。测量加速度（振动）传感器惯性力 的方法主要有应变式、压阻式和压电式三种。应变式传感器的特点是结构

10、、工艺简单 稳定性好、频响范围宽，但体积相对较大；压阻式的特点是体积较小、频响范围宽， 但稳定性较差，温漂较大；压电式的特点是体积小稳定性好，但不宜用于静态（准静 态）量的检测。本实验为压电式传感器，结构如图（2）所示。心脏的收缩和舒张，形成由血流湍流引起的振动，脉管中血流的加速和减速也会 造成血管的振动，这些振动传到胸腔表面就是心音。心音的测量分为空气传导式和直 接传导式两大类。空气传导式简单，但灵敏度低，且易受周围噪声干扰。直接传导式 传感器是测量皮肤表面的振动，分为加速度型、悬挂型和放置型三种，其转换元件有 电动式、压电式应变式三种，其中压电式结构简单、体积小，较为常用。本实验所用 心音

11、传感器为直导型压电传感器，其结构原理为加速度型，与脉搏传感器原理相同。 实验所需部件：多通道生理信号采集系统、计算机、脉搏、心音传感器 注意：脉搏心音传感器为加速度传感器，有一定量程范围，使用过程中应避免激烈冲 击。实验步骤：熟悉多通道生理信号采集系统操作界面，观察脉搏、心音传感器器外形和工作方式。1、将呼心音传感器置于胸脯，其输出线接入多通道生理信号采集系统。开启多通 道生理信号采集系统电源。2、在计算机显示器上点击显示波形按钮，观察实验者心音波形。3、将脉搏传感器器置于指尖，重复步骤2-3，观察实验者脉搏波形。4、用手将脉搏传感器和心音传感器向不同方向轻摇，观察其输出幅值变化，体 会加速度

12、型传感器对加速度方向的敏感。实验报告要求：1、说明加速度、振动传感器的工作原理。2、加速度振动传感器在测量时会有哪些干扰源，说明在传感器结构或信号处理上可以采用哪些抗干扰措施、使用过程中应注意事项。图-加速度、振动传感器结构示意图压电片密封盖弹簧r质量块集电片外壳图上；压电式脉搏、心音传感器结构示意图实验四、生理信号传感器-呼吸、体温传感器实验目的：1、了解呼吸传感器工作原理、类型及应用；2、了解接触式测体温方法、工作原理、类型，了解热敏电阻特性。实验原理：呼吸测量包括很多内容，如呼吸波、流量、肺活量、气体成份等，本实验内容为 呼吸波测量。人体呼吸波在体表体现为鼻孔处的气体流量变化、胸、腹部的

13、收缩与扩 张。因此呼吸波的测量方法有：鼻孔处气体流量变化、鼻孔处气体温度变化（呼、吸 气体温度不同），胸、腹部两点间位移变化。本实验采用胸（腹）部测量方法。胸（腹） 部测量可采用多种敏感方式，如应变式、压电式、电感式、电阻（电位计）式、压阻 式等。本实验为压电敏感方式，其结构原理如图（1）所示。当人体呼吸时，人体胸围 发生变化，引起橡胶带长度变化，即橡胶带张力变化，这种张力又通过橡胶垫作用于 压电片上，压电元件的输出反映了呼吸的变化。测量人体各个部份的温度，是临床诊断各种疾病的重要依据。体温测量可分为接 触式和非接触式，接触式的特点为动态响应较差，但精度较高，非接触式的特点是对 被测介质无影响

14、、动态响应好，但精度较差。非接触式测温采用红外辐射式传感器， 而接触式测温有多种类型传感器，包括：热电偶、热敏电阻、热电阻、PN结温度传感 器等。本实验采用热敏电阻，其特点是灵敏度高、体积小。 实验步骤：1、观察呼吸、体温传感器器外形和工作方式。2、将呼呼吸传感器置于胸脯，其输出线接入多通道生理信号采集系统。开启多 通道生理信号采集系统电源。3、在计算机显示器上点击显示波形按钮，观察实验者呼吸波形。4、将体温传感器置于人体各个部位，重复步骤2-3，比较实验者不同部位体温。 实验报告要求：1、本实验呼吸波传感器为力学量传感器，说明由呼吸到力变化的转换过程，举 出测量这种力的三种类型传感器，比较其特点；2、比较人体各部位体温差别；3、比较几种接触式测温的特点。