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、高风梅、刘艳办公电话：[phone]新乡医学院生命科学实验教学中心目录实验六热敏电阻的特性实验一金属箔式应变片——半桥性能实验实验二金属箔式应变片——全桥性能实验实验三电容式传感器的位移特性实验实验五霍尔传感器的位移特性实验四差动变压器的性能测定实验一金属箔式应变片——半桥性能实验生物医学传感器教研组刘艳Email:[e-mail]一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，半桥工作原理和性能。二、实验器材应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表。三、基本原理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。SlR金属的电阻表达式为：SSllRR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转换为相应的电压或电流的变化。01212RlllkRlllll（）（）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，称为半桥差动电路,如图1所示。21RR若R1=R2，R3=R4，1O2REURESV21Ｒ3Ｒ4ＢＤＡＣＲＬＵＯＩＬＥ图1半桥电路11RR22RR四、实验步骤：1.应变式传感器安装应变片的安装位置如图2，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4（如图3示）。图2应变式传感器安装示意图应变片接口图3应变传感器模块2.进行差动放大器调零将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi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器Rw3，使数显表显示为零。如图4所示。图4差动放大器调零R2应和R1受力状态相反，即将两片受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±5V，调节电桥调零电位器Rw1进行桥路调零。图5接线3.接线4.实验记录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，直到200g砝码加完。记下实验结果填入下表。重量(g)电压(mV)表1半桥测量时，输出电压与加负载重量值五、注意事项1.不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2.电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题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：(1)对边(2)邻边。七、实验报告要求1.记录实验数据，并绘制出半桥时传感器的特性曲线。WUS/22f2.根据实验数据计算系统灵敏度及非线性误差生物医学传感器课题组高凤梅Email:[e-mail]实验二金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应，全桥工作原理和性能。二、实验器材应变式传感器实验模板、砝码、数显表、±15V电源、±5V电源、万用表。三、基本原理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。lRS金属的电阻表达式为：RlSRlS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，通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化。01212RlllkRlllll（）（）电桥平衡时，ＵＯ＝０，则电桥平衡条件为：R1R4=R2R3当R∞时，电桥的输出电压14231234RRRRERRRRＲ2Ｒ1Ｒ３Ｒ４ＢＤＡＣＲＬＵＯＩＬＥ图1测量桥路31O1234RRUERRRR当R∞，应变片阻值和应变量相同时，电压输出为：半桥时：全桥时：012RUUR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。0RUUR四、实验步骤：1.安装应变片应变片的安装位置如图1所示，应变式传感器已装到应变传感器模块上。传感器中各应变片已接入模板左上方的R1、R2、R3、R4（如图2示）。图2应变式传感器安装示意图应变片接口图3应变传感器模块2.进行差动放大器调零将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控箱面板上数显电压表输入端Vi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器Rw3，使数显表显示为零。图4差动放大器调零接线图3.按右图接线⑴应变片接入桥路。注意将两受力相反的电阻应变片作为电桥的相邻边。⑵接入桥路电源±5V，⑶调节电桥调零电位器Rw1，进行桥路调零。图5全桥接线图4.放砝码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，直到200g砝码加完。记下实验结果填入下表。重量（g）电压（mV）表1输出电压与加负载重量值记录表五、注意事项1.不要在砝码盘上放置超过1kg的物体，否则容易损坏传感器。2.电桥的电压为±5V，绝不可错接成±15V，否则可能烧毁应变片。六、思考题全桥测量时四片不同受力状态的电阻应变片接入电桥时，应放在：（1）对边（2）邻边。七、实验报告要求：1.记录实验数据，并绘制出全桥时传感器的特性曲线。WUS/22f2.根据实验数据计算系统灵敏度及非线性误差实验三电容式传感器的位移特性实验生物医学传感器课题组高凤梅Email:[e-mail]一、实验目的了解电容式传感器结构及其特点。二、实验器材电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、数显单元、直流稳压用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为：ACdA—极板相对覆盖面积；d—极板间距离；ε—电容极板间介质的介电常数。三、基本原理图1电容器原理图εAd三种基本类型：变面积型(A)型变极距(变间隙)(d)型变介电常数(ε)型在d、A和ε三个参数中，保持其中两个不变，改变另一个参数就可以使电容量C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。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。212lnrrlC21rr、l——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。llr1r2定极板动极板线位移单组式的电容量为：图2差动电容器原理图0222111222lnlnlnlllllCCrrrlrrr当两圆筒相对移动Δl时,电容变化量ΔC为：222111224lnlnlngllllCklrrrlrrr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电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、频率信号等电量来表示电容值的大小。图3测量电路四、实验步骤1.安装传感器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。2.连线接入±15V电源；将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显单元Vi相接（插入主控箱Vi孔）Rw调节到中间位置。3.测量与记录旋动测微头改变电容传感器动极板的位置，每隔0.2mm记下位移X与输出电压值，填入表中。V(mV)X(mm)表1电容传感器位移与输出电压值关系表五、注意事项1.传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2.做实验时，不要接触传感器，否则将会使线性变差。六、思考题什么是传感器的边缘效应，它会对传感器的性能带来哪些不利影响？七、实验报告要求1.记录实验数据，并绘制出电容式传感器特性曲线，并用最小二乘法做拟和曲线。S2.根据实验数据计算系统灵敏度2f及非线性误差实验四差动变压器的性能测定生物医学传感器课题组高凤梅Email:[e-mail]一、实验目的1.了解差动变压器的工作原理和特性;2.了解三段式差动变压器的结构。二、实验器材差动变压器实验模板、测微头、双线示波器、差动变压器、音频信号源。电感式传感器的基本原理是电磁感应。在电感式传感器中，互感式传感器是把被测量的变化转换为变压器的互感变化。变压器初级线圈输入交流电压，次级线圈则互感应出电势。由于变压器的次级线圈常接成差动形式，故又称为差动变压器式传感器。三、基本原理当铁芯位于线圈中心位置时当铁芯向上移动时当铁芯向下移动时UU,U1200U0UU,12UU,12U0图1差动变压器原理图U2U1UiPM1M2S2S1bUo图2差动变压器输出特性当铁芯偏离中心位置时，则输出电压随铁芯偏离中心位置程度，逐渐增大，但相位相差180度，但实际上，铁芯位于中心位置，输出电压并不是零电位而是存在零点残余电压，如图所示。位移UoUx0在本实验中当传感器随着被测体移动时，由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化，一只次级感应电势增加，另一只感应电势则减少，将两只次级反向串接，即同名端接在一起，就引出差动输出，其输出电势则反映出被测体的位移量。本差动变压器式电感传感器，原理如图3所示，差动输出使灵敏度提高，线性度也改善。图3差动变压器原理接线图四、实验步骤1.安装传感器2.连线⑴输入音频4-5kHz,用频率计监测引出激励信号；⑵差动输出信号(音频输出2V)，差动输出信号至示波器，用于对比观察。3.旋动测微头，观察位移特性(1)旋动测微头，观察示波器的第一通道，使差动输出VPP最小。(2)假定其中一个方向为正位移，从最小开始旋动测微头，每隔0.2mm从示波器上读出输出电压VPP值，并记录填入下表。V(mV)X(mm)表1差动变压器位移X值与输出电压数据表(3)再从最小处反相移动做试验，记录数据。注意左右位移时，初次级波形的相位关系。五、注意事项1.在做实验前，应先用示波器监测差动变压器激励信号的幅度，使之为Vpp值为2V，不能太大，否则差动变压器发热严重，影响其性能，甚至烧毁线圈。2.模块上L2、L3线圈旁边的“*”表示两线圈的同名端。差动变压器测量频率的上限受什么影响？六、思考题七、实验报告要求：1.记录实验数据，并绘制出差动变压器传感器左移和右移的特性曲线。2.根据实验数据计算系统灵敏度S及非线性误差.2f实验五霍尔传感器的位移特性生物医学传感器教研组刘艳Email:[e-mail]一、实验目的了解霍尔式传感器原理与应用。二、实验器材霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、测微头、±15V直流电源、数显单元。三、基本原理1.霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件。在极性相反，磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件，如图1。HH1UKBIKBH12UKKxKx2BKx图1结构图当控制电流恒定时，当磁场与位移成正比时,K—位移传感器的灵敏度2.霍尔位移传感器工作原理磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。霍尔电势与位移量成线性关系，其输出电势的极性反映了元件位移方向。H12UKKxKx图2磁场强度与位移量的关系xOB当时，元件置于磁场中心，x0HU0H12UKKxKx利用这一原理可以测量与位移有关的非电量，如力，压力，加速度，液位和压差。这种传感器一般可测量1-2mm的微小位移，特点是惯性小，响应速度快，无触点测量。四、实验步骤1.霍尔传感器安装将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线，如图3。图3直流