压电传感器实验指导书

压电晶体传感器基本特性静态标定实验1实验一压电晶体传感器基本特性静态标定实验一、实验目的与要求1.1观察压电晶体传感器的结构，获得有关的感性认识；1.2掌握YU-6活塞式压力计的工作原理及使用方法；1.3学会压力计(压电晶体传感器)的校验标定方法；1.4了解本实验中测量误差的主要来源。二、实验系统原理图三、实验主要设备及仪器仪表本实验共有6套测试装置，每套装置各配：CY-YD203压电式传感器一只；YU-6活塞式压力计一台；YE5850电荷放大器一台；PZ114型直流数字电压表一台。3.1CY-YD203压电式传感器该传感器为压电晶体传感器。其作用力方向垂直于受压面，因此受压面本身(传感器的外壳)便是一个电极，位于传感器内部的另一个电极与传感器尾部的内孔相连。将专用接头旋于传感器尾部，便可输出压电晶体两电极间的电位差。CY-YD203压电式传感器主要技术指标灵敏度(pC/bar)测量范围(bar)线性度绝缘电阻(Ω)自振频率(kHz)工作温度(℃)过载能力~100-3001%≥1013200~40-150150%3.2YU-6活塞式压力计活塞式压力计是利用连通器原理工作的，其结构如图3所示：活塞式压力计主要适用于校验低于0.25级精度的精密压力表，亦可用来校验低一级的活塞式压力计、各种工业用压力表或其它各类压力测量仪器。通常用专用砝码对压力表等进行校验，本次实验为方便起见则是利用0.25级的标准压力表对压电传感器进行静态标定，但这种方法的测量误差会更大些。压力计适合应在环境温度为20±5℃，相对湿度不大于80%的条件下工作。当温度超过20±5℃时，应用式Δp=p(a1+a2)(20-t)进行温度修正。其中21,aa为活塞和活塞缸材料的线性膨胀系数。本压力计的活塞杆材料为GCr15滚珠轴承钢，61107.11a(1/℃)，活塞缸材料为铝铁锰青铜，62106.17a(1/℃)；t为环境温度(℃)。图1图22该压力计的基本参数为：型号：YU-600测量范围：1～60MPa活塞公称面积：1(cm)2承重托盘及活塞公称质量：1.020kg，产生压力：1MPa专用砝码公称质量：1.02kg4块；5.10kg11块工作液体及传压介质：蓖麻油(酸值1.6mgKOH/g)压力计重量(连砝码)：80kg联接螺帽的螺纹：M20×1.5精度等级：2等。在测量上限的10%~100%范围内，极限误差为±0.05%3.3YE5850电荷放大器YE5850电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的宽带电荷放大器，可配接压电式传感器测量振动、冲击、压力等机械量，广泛用于水利、动力、采矿、交通、建筑、地震、航空、航天、兵器、化爆等部门。由于下限频率极低，因而特别适合对压电式压力/力传感器进行准静态标定。3.3.1前面板说明(如图4)3.3.1.1传感器灵敏度调节“pC/Unit”及“10”开关图4图3压电晶体传感器基本特性静态标定实验3调节与之配接的传感器灵敏度用，由于本次实验配接的传感器灵敏度在1~10.99pC/Unit，为计算方便，实验时将该值设定为10.00pC/Unit，且“10”开关置于下方，面板上左边小数点亮；当配接的传感器灵敏度在10~109.9pC/Unit时，“10”开关置于上方，面板上右边小数点亮。3.3.1.2输出mV/Unit切换开关本实验将mV/Unit切换开关置于1(×1)档。3.3.1.3工作/复位开关仪器在预热、非测量及调零时，应置工作/复位开关于复位档；在测量时将其置于工作档。测试结束后，仍应置于复位档，以确保MOSFET管的安全。3.3.1.4上/下限频率开关上/下限频率开关用于选定被测量的频率变化范围。通常，下限频率应置于被测信号中最低频率的0.1倍以下。对于本次的静态标定实验，下限开关可置于“L”档，上限开关置于0.3kHz档。3.3.1.5输入信号接口电荷输入接“Q”位(本次实验选用此位置)；电压输入接“V”位(YE5850检修标定时，可将信号发生器输出电压由此接入)。电压输入灵敏度为1±0.5%pC/mV。3.3.1.6调零旋钮调节电位器旋钮使输出为零。顺时针调节为正，反之为负。3.3.1.7过载指示灯过载指示灯指示仪器工作状态3.3.2使用注意事项3.3.2.1YE5850电荷放大器使用时必须良好接地；3.3.2.2使用前应打开电源开关预热30分钟，电源开关位于后面板上。3.4PZ114型直流数字电压表PZ114型直流数字电压表是一种214位CMOS大规模集成电路的仪表，其测量结果用六位LED显示。它的低漂移输入放大器采用单片CMOS斩波稳零式集成运算放大器，其零位漂移小于0.1μV/℃，因此整机无需设置零位调节器即可得到稳定的测量结果。可自由选用自动量程转换或手动量程转换。自动量程从200mV～200V共分四档，输入端为L/H1，面板量程按钮置于█(释放位)。当仪表数超过19999时，仪表的量程自动上升一档；当仪表的读数低于1800时，仪表的量程自动降低一档量程(本次实验选用自动量程转换)。4手动量程为1000V一档，输入端为L、H2，面板量程按钮置于▄(按下位)。3.4.1技术数据量程测量范围灵敏度基本误差200mV0~199.99mV10uV±（0.04%读数+0.015%满度）2V0~1.9999V10uV±（0.03%读数+0.01%满度）20V0~19.999V1mV±（0.04%读数+0.015%满度）200V0~199.99V10mV±（0.04%读数+0.01%满度）1000V0~1000.0V100mV±（0.04%读数+0.01%满度）3.4.2使用说明3.4.2.1测量前须接通电源预热1h。若仪表经过剧烈的环境条件变化或长期未使用，则须在测量前通电预热3~4h。3.4.2.2在测量过程中，应注意量程控制按钮位置及输入端不要搞错。输入电压不要超过仪表所允许的过载值。四、实验前的准备工作4.1按照实验系统及各仪器的要求连接系统；4.2对PZ114型直流数字电压表进行1h预热；4.3将YE5850电荷放大器的工作/复位开关置复位，打开电源开关预热30分钟；4.4校准活塞式压力计的水平，即利用水平调节螺丝⑾使水平泡⑿的气泡位于中心；4.5用干燥箱干燥CY-YD203压电式传感器，然后用ZC36型高阻仪测得其绝缘阻抗值。五、实验步骤与记录5.1检查活塞式压力计的油路是否通畅并排尽内部空气。其操作步骤为：(1)关闭针形阀⑵、⒂，打开油杯上的进油阀⑶，逆时针旋转压力泵手轮⑽，使压力计内部充满油液；(2)来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出油杯附近管道内的空气；(3)关闭进油阀⑶，打开针形阀⒂，来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出该段管道内的空气。排尽空气后，应使节流孔上方有少量集油。5.2安装标准压力表及压电传感器，应注意不要漏装密封铜垫。5.3旋接压电传感器输出接头。5.4检查确认电荷放大器及直流数字电压表的各旋钮开关在正确位置：“10”开关置于下方；mV/Unit切换开关置于1(×1)档；下限开关可置于“L”档，上限开关置于0.3kHz档；工作/复位开关置于复位档；直流数字电压表的面板量程按钮置于█(释放位)。5.5记录大气压力、环境温度及湿度。应在测量开始前及结束后各纪录一次，取其平均值作为实验环境参数。5.6对测试系统调零。5.7调零结束后，应立即开始测试及记录工作：摇动活塞式压力计的压力泵手轮⑽，记录不同压力所对应的电压值。实验中应注意：(1)对各选定压力点，必须分别测量上行(升压)及下行(降压)两个方向的输出电压值。在上行及下行中，当压力接近选定压力值时应平稳缓慢进行，不可使指针超过该点，万一超过，则应将压力泵手轮稍微退回一些，然后继续沿原方向进行；(2)实验至少应进行三个循环。两个循环之间应将工作/复位开关置复位档对系统重新调零，以消除零漂；(3)为了减小各仪表因漂移所产生的误差，读取每个测量点电压表读数的加压时间应尽可能相同。压电晶体传感器基本特性静态标定实验5实验记录表实验台号:传感器出厂序号:电压压力p读数(y)(MPa)(mV)(xi)项目0.5510152024.5均值x12.5上行1下行1上行2下行2上行3下行3各压力点电压值平均yiy=理论值y偏差Δy=yi-y六、实验数据处理6.1实验结束后，必须及时对实验数据进行分析，舍去那些显然由于不正确的测试而得到的结果，然后对记录中每一个压力的电压表读数取平均值。6.2用最小二乘法对实验结果进行线性回归分析，确定拟合直线y=a0+a1x的回归系数a1和a0。进而求出相关系数ρ以及线性度(非线性误差)Ln.niniiiniiiniiniiniixxnyxxxya1122111210)()()()()(niiniiniiniiniiixxnyxyxna12121111)()()()(niiniiniiiyyxxyyxx12121)()())((%100)/(sfmaxnyyL其中：maxy——仪器输出的平均值与拟合直线之间的最大偏差;sfy——仪器满量程时的理论输出值。6.3灵敏度：)pC/bar(1(mV/Unit))10(bar/MPa)pC/Unit(10)mV/MPa(11QaaK6七、实验报告要求实验报告要求如下：7.1实验目的及要求；7.2实验中所用仪器与装置的名称、型号、规格与编号等；7.3实验装置原理图；7.4实验方法与操作步骤的简要说明；7.5原始数据及环境条件记录；7.6整理数据，用方格纸绘出测点及拟合直线坐标图；7.7思考题7.7.1实验为什么要按上行及下行反复进行几次？7.7.2本实验中迟滞误差的主要来源有哪些？7.7.3本实验压力测点选取时为什么未选0MPa及满刻度25MPa？7.7.4本实验的标定结果为什么与出厂标定值有差异？附表：压电传感器出厂标定记录项目出厂编号压力范围(bar)过载能力(%)灵敏度(pC/bar)线性度(%)绝缘阻抗(MΩ)固有电容(pf)输出极性现场实测绝缘阻抗(MΩ)17970~3005010.9911.0E7~6+18890~3005011.0411.0E7~6+19170~3005010.5711.0E7~6+19600~300509.1011.0E7~6+20110~300509.6911.0E7~6+20500~3005012.4011.0E7~6+20740~3005012.9911.0E7~6+20940~3005013.1811.0E7~6+