生物医学传感器实验-.ppt
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1、生物医学传感器实验生物医学传感器实验课程组成员:李振新、课程组成员:李振新、高风梅、刘高风梅、刘 艳艳办公电话:办公电话:0373-38319290373-3831929新乡医学院生命科学实验教学中心新乡医学院生命科学实验教学中心贵阳论坛目目 录录实验六实验六 热敏电阻的特性热敏电阻的特性实验一实验一 金属箔式应变片金属箔式应变片半桥性能实验半桥性能实验 实验二实验二 金属箔式应变片金属箔式应变片全桥性能实验全桥性能实验实验三实验三 电容式传感器的位移特性实验电容式传感器的位移特性实验实验五实验五 霍尔传感器的位移特性霍尔传感器的位移特性实验四实验四 差动变压器的性能测定差动变压器的性能测定实
2、验一实验一 金属箔式应变片金属箔式应变片 半桥性能实验半桥性能实验 生物医学传感器教研组生物医学传感器教研组刘刘 艳艳Email: 一、实验目的一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应,半桥工了解金属箔式应变片的应变效应,半桥工作原理和性能。作原理和性能。二、实验器材二、实验器材 应变式传感器实验模板、砝码、数显表、应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V15V电源、电源、5V5V电源、万用表。电源、万用表。三、基本原理三、基本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时,其电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。阻值会发生变化,这就是金属的电阻应变效应
3、。金属的电阻表达式为: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。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,称为片受拉,另一个受压,称为半桥差动电路半桥差动电路,如图如图
4、1 1所示。所示。若若 R1=R2,R3=R4,34图图1 半桥电路半桥电路四、实验步骤:四、实验步骤:1.应变式传感器安装应变式传感器安装 应变片的安装位置应变片的安装位置如图如图2,应变式传感器,应变式传感器已装到应变传感器模已装到应变传感器模块上。传感器中各应块上。传感器中各应变片已接入模板左上变片已接入模板左上方的方的R1、R2、R3、R4(如图(如图3示)示)。图图2 应变式传感器安装示意图应变式传感器安装示意图应变片接口应变片接口图图3 应变传感器模块应变传感器模块2.2.进行差动放大器调零进行差动放大器调零 将差放的正、负输入端与地短接,输出端与主将差放的正、负输入端与地短接,输
5、出端与主控箱面板上数显电压表输入端控箱面板上数显电压表输入端Vi相连。检查无误后,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合上主控箱电源开关,调节实验模板上调零电位器器Rw3,使数显表显示为零。如图,使数显表显示为零。如图4所示。所示。图图4 4 差动放大器调零差动放大器调零 R2应和应和R1受力状态受力状态相反,即将两片受力相相反,即将两片受力相反的电阻应变片作为电反的电阻应变片作为电桥的相邻边。桥的相邻边。接入桥路电源接入桥路电源5V,调节电桥调,调节电桥调零电位器零电位器Rw1进行进行桥路调零。桥路调零。图图5 5 接线接线3.3.接线接线4.4.实验记录实验记录 在
6、砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,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,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到直到200g200g砝码加完。记下实验结果填入下表。砝码加完。记下实验结果填入下表。重量重量(g)电压电压(mV)表表1 1 半桥测量时,输出电压与加负载重量值半桥测量时,输出电压与加负载重量值五、注意事项五、注意事项 1.不要在砝码盘上放置超过不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容的物体,否则容 易损坏传感器。易损坏传感器。2.电桥的电压为电桥的电压为5V,绝不可错接成,绝不可错接成15V,否,否 则可能烧毁应变片。则可能烧
7、毁应变片。六、思考题六、思考题 半桥测量时两片不同受力状态的电阻应变片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:接入电桥时,应放在:(1)对边对边(2)邻边。邻边。七、实验报告要求七、实验报告要求 1.1.记录实验数据,并绘制出半桥时传感器的特性记录实验数据,并绘制出半桥时传感器的特性 曲线。曲线。2.2.根据实验数据计算系统灵敏度根据实验数据计算系统灵敏度及非线性误差及非线性误差生物医学传感器课题组生物医学传感器课题组高凤梅高凤梅Email:mei_ 实验二实验二 金属箔式应变片金属箔式应变片 全桥性能实验全桥性能实验一、实验目的一、实验目的 了解金属箔式应变片的应变效应,
8、全桥工作了解金属箔式应变片的应变效应,全桥工作原理和性能。原理和性能。二、实验器材二、实验器材 应变式传感器实验模板、砝码、数显表、应变式传感器实验模板、砝码、数显表、15V电源、电源、5V电源、万用表。电源、万用表。三、基本原理三、基本原理 金属丝在外力作用下发生机械形变时,其电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。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: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用应变片测量受力时,将应变片粘贴于被测对象表面上。对象表面上。在外力作用下,被测对象表面产生在外力作用下,被测对象表面
9、产生微小机械变形时,应变片敏感栅也随同变形,其微小机械变形时,应变片敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为相应通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化。的电压或电流的变化。电桥平衡时,电桥平衡时,则,则电桥平衡条件为:电桥平衡条件为:R1R4=R2R3当当R 时,电桥的输出电压时,电桥的输出电压21图图1 测量桥路测量桥路 当当R ,应变片阻值和应变量相同时应变片阻值和应变量相同时,电压输出为:电压输出为:半桥时:半桥时:全桥时:全桥时:全桥测量时,与半桥相比,输出电压增大全桥测量时,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。一倍。输
10、出灵敏度提高,非线性得到改善。四、实验步骤:四、实验步骤:1.安装应变片安装应变片 应变片的安装位置如应变片的安装位置如图图1所示,应变式传感所示,应变式传感器已装到应变传感器模器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4(如(如图图2示)示)。图图2 应变式传感器安装示意图应变式传感器安装示意图应变片接口应变片接口图图3 应变传感器模块应变传感器模块2.2.进行差动放大器调零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控箱面板上数显电
11、压表输入端Vi相连。检查无误后,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合上主控箱电源开关,调节实验模板上调零电位器器Rw3,使数显表显示为零。,使数显表显示为零。图图4 差动放大器调零接线图差动放大器调零接线图 3.按右图接线按右图接线 应变片接入桥路。应变片接入桥路。注意将注意将 两受力相两受力相反的电阻应变片作反的电阻应变片作为电桥的相邻边。为电桥的相邻边。接入桥路电源接入桥路电源5V,调节电桥调零电调节电桥调零电位器位器Rw1,进行桥,进行桥路调零。路调零。图图5 全桥接线图全桥接线图 4.放砝码放砝码 在砝码盘上放置一只砝码,读取数显表数值,在砝码盘上放置一只砝码
12、,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,以后每次增加一个砝码并读取相应的数显表值,直到直到200g砝码加完。记下实验结果填入下表。砝码加完。记下实验结果填入下表。重量(重量(g)电压电压(mV)表表1 1 输出电压与加负载重量值记录表输出电压与加负载重量值记录表五、注意事项五、注意事项 1.不要在砝码盘上放置超过不要在砝码盘上放置超过1kg的物体,否则容的物体,否则容 易损坏传感器。易损坏传感器。2.电桥的电压为电桥的电压为5V,绝不可错接成,绝不可错接成15V,否,否 则可能烧毁应变片。则可能烧毁应变片。六、思考题六、思考题 全桥测量时四片不同受力状态的电阻应变片全桥测量
13、时四片不同受力状态的电阻应变片 接入电桥时,应放在:(接入电桥时,应放在:(1)对边()对边(2)邻边。)邻边。七、实验报告要求:七、实验报告要求:1.1.记录实验数据,并绘制出全桥时传感器的特性记录实验数据,并绘制出全桥时传感器的特性 曲线。曲线。2.2.根据实验数据计算系统灵敏度根据实验数据计算系统灵敏度及非线性误差及非线性误差实验三实验三 电容式传感器的位移电容式传感器的位移特性实验特性实验生物医学传感器课题组生物医学传感器课题组高凤梅高凤梅Email:mei_ 一、实验目的一、实验目的 了解电容式传感器结构及其特点。了解电容式传感器结构及其特点。二、实验器材二、实验器材 电容传感器、电
14、容传感器实验模板、测微头、电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压数显单元、直流稳压 用用两两块块金金属属平平板板作作电电极极可可构构成成电电容容器器,当当忽忽略边缘效应时,其电容略边缘效应时,其电容C为:为:A极板相对覆盖面积;极板相对覆盖面积;d极板间距离;极板间距离;电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。三、基本原理三、基本原理 图图1 电容器原理图电容器原理图Ad三种基本类型三种基本类型:l变面积型变面积型(A)型型l变极距变极距(变间隙变间隙)(d)型型l变介电常数变介电常数()型型 在在d、A和和三个参数中,保持其中两个不变,改变三个参数中,保持其中
15、两个不变,改变另一个参数就可以使电容量另一个参数就可以使电容量C发生改变。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。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。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,而敏感,测精度受到影响,而圆柱形结
16、构受极板径向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。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;外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度;外圆筒内半径和内圆柱外半径。外圆筒内半径和内圆柱外半径。lr1r2定定极板极板动动极板极板线位移单组式的电容量为:线位移单组式的电容量为:图图2 差动电容器原理图差动电容器原理图当两圆筒相对移动当两圆筒相对移动l 时时,电容变化量电容变化量C为:为:于是,可得其静态灵敏度为于是,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,必须借助于测电
17、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。量来表示电容值的大小。图图3 测量电路测量电路四、实验步骤四、实验步骤 1 1.安装传感器安装传感器 将电容式传感器装于电容传感器实验模板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。将传感器引线插头插入实验模板的插座中。2.连线连线 接入接入15V电源;电源;将电容传感器实验模板的输出端将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元与数显单元 Vi相接(插入主控箱相接(插入主控箱Vi孔)孔)Rw调节到中间位置。调节到中间位置
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