1、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：0373-3831929,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: ,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
2、电阻值会发生变化，这就是金属的电阻应变效应。,金属的电阻表达式为：,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。,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。,若 R1=R2，R3=R4，,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
3、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。,表1 半桥测量时，输出电压与加负载重量值,五、注意事项1
4、. 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。,生物医学传感器课题组 高凤梅 Email:mei_,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
5、是金属的电阻应变效应。,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 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。,电桥平衡时，则电桥平衡条件为： R1R4=R2R3,当R 时，电桥的输出电压,图1 测量桥路,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：,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。,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
6、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 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。 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 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20
7、0g砝码加完。记下实验结果填入下表。,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。,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:mei_,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
8、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：,A极板相对覆盖面积；d极板间距离； 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,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()型,在d、A和三个参数中，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
9、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；,外圆筒内半径和内圆柱外半径。,线位移单组式的电容量为：,图2 差动电容器原理图,当两圆筒相对移动l 时,电容变化量C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,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
10、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。,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。,2. 根据实验数据计算系统灵敏度,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:mei_,一、实验目的1. 了解差动变压
11、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,图1 差动变压器原理图,P,M1,M2,S2,S1,b,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
12、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,Uo,Ux,0,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, 输入音频4-5kHz,用频率计监测引出激励信号； 差动输出信号(音频输出2V)，差
13、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。,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
14、。,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 .,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:,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
15、钢的 气隙间放置一个霍尔元件，如图1。,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。,图2 磁场强度与 位移量的关系,当 时，元件置于磁场中心，,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
16、中，实验板的连接线，如图3。,图3 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图,图4 传感器实验仪及霍尔传感器实验模块实物图,数显表调零开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中 间位置，再调节RW1使数显表指示为零。 3. 实验记录测微头往轴向方向推进，每转动0.2mm记下一 个读数，直到读数近似不变，将读数填入下表。,表1 霍尔传感器输出电动势与位移,五、实验注意事项1. 对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。2. 不要将霍尔传感器的激励电压错接成15V， 否则将可能烧毁霍尔元件。,六、思考题本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的是什么量的变化？,七、实验报告要求1整理实验数据，根据所得实验数据做出
17、传 感器的特性曲线。2归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各 自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。,实验六 热敏电阻的特性,生物医学传感器教研组 刘 艳 Email:,一、实验目的了解热敏电阻的特性与应用。,二、实验器材加热源、温度控制单元、温度传感器实验 模板、万用表。,三、基本原理热敏电阻是一种对热敏感的电阻元件，一般用半导体材料做成。,1. 热敏电阻的分类：负温度系数热敏电阻 NTC；正温度系数热敏电阻 PTC；临界温度系数热敏电阻 CTR。,热敏电阻的温度特性（RTT）,图1 热敏电阻的电阻-温度特性曲线,1 NTC 负温度系数热敏电阻 2 CTR 临界温度系数热敏电阻 3 PTC 正
18、温度系数热敏电阻,RT、R0温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值； B NTC热敏电阻的材料常数。,(1) NTC的电阻温度特性,电阻温度系数：温度变化1C时，其阻值变化率与其值之比。,（经验公式）,电阻温度系数决定热敏电阻在全部工作范围内的温度灵敏度。一般来说，电阻率越大，电阻温度系数也越大。,电阻温度系数随温度降低而迅速增大。,图2 PTC热敏电阻器的电阻温度曲线,(2) PTC的电阻温度特性,PTC热敏电阻的工作温度范围较窄。,四、实验步骤1. 将温度模块上的恒流输入和主控箱上的加热恒流输出连接好。2. 将温度控制器的SV窗口设置在50，然后每隔5 设置一次。3. 将温度模块上的温控pt100和主控箱上的pt100输 入相连。4. 用万用表测量温度模块上的NTC和PTC的输出。,图3 传感器实验仪及温度传感器实验模块实物图,记下每次设置温度下的阻值，将结果填入下表：,表1 NTC,表2 PTC,五、注意事项加热器温度不能加热到120以上，否则将可能损坏加热器。,六、思考题若要用NTC测量温度，怎样将其线性化？画出它的线性化电路。,七、实验报告要求1. 根据实验所得的数据绘制出NTC、PTC的特性 曲线。2. 归纳总结NTC用作温度测量时应注意哪些问 题，主要应用在什么场合，有哪些优缺点。,
