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实验指导书
生物医学传感器与测量
实验指导书
张麒
上海大学通信与信息工程学院
2012年9月
《生物医学传感器与测量实验指导书》编写说明
《生物医学传感器与测量实验指导书》根据上海大学通信与信息工程学院开设的《生物医学传感器与测量》课程新的教学大纲编写，对该课程开设辅助实验课的目的如下：
激发学生学习本课程的兴趣，作为对教科书内容的补充，帮助学生加深对课本知识的理解，提高理论联系实际和解决实际问题的能力。
本实验指导书中的实验分为6个实验，包括应变片的电桥测量电路、电容式传感器性能测试、压电式传感器性能测试、热电偶测温、光纤传感器性能测试、光纤传感器测量电机转速。
6个实验针对典型的生物医学传感器展开，涵盖本课程关键知识点。
其中前2个实验可分别以4学时完成，第3至第6个实验分别以2学时完成。
上课时，可根据实际情况，将6个实验穿插进“生物医学传感器与测量”课程的授课过程。
建议的实验时间安排：
应变片的电桥测量电路（一个半天，计4学时），电容式传感器性能测试（一个半天），压电式传感器性能测试、热电偶测温（两个实验合计一个半天），光纤传感器性能测试、光纤传感器测量电机转速（两个实验合计一个半天）。
张麒
2012年9月
目录
实验1．应变片的电桥测量电路3
实验2．电容式传感器性能测试6
实验3．压电式传感器性能测试8
实验4．热电偶测温10
实验5．光纤传感器性能测试12
实验6．光纤传感器测量电机转速14
实验1．应变片的电桥测量电路
一、实验目的
1.观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。
2.测试应变量变形的应变输出。
3.比较各桥路间的输出关系。
二、实验原理
本实验说明箔式应变片及单臂直流电桥的原理和工作情况。
应变片是最常用的测力传感原件。
当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体的表面，当测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。
通过测量电路，转换成电信号输出显示。
电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R1、R2、R3、R4中，电阻的相对变化率分别为∆R1/R1、∆R2/R2、∆R3/R3、∆R4/R4，当使用一个应变片时，∑R=∆/R；当二个应变片组成差动状态工作，则有∑R=2∆R/R；用四个应变片组成二个差动对工作，且R1=R2=R3=R4=R，∑R=4∆R/R。
由此可知，单臂、半桥、全桥电路的灵敏度依次增大。
说明实际使用的应变电桥的性能和原理。
已知单臂、半桥和全桥电路的∑R分别为∆R/R、2∆R/R、4∆R/R。
根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4×E×∑R，电桥灵敏度Ku=V/∆R/R，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度分别为1/4E、1/2E和E。
由此可知，当E和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无关。
三、实验所需部件
直流稳压电源（±4V档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、测微头、电压表。
四、实验步骤
一：
箔式应变片性能——单臂电桥（金属和半导体材料的应变片各一次）：
1.调零：
开启仪器电源，差动放大器增益置100倍（顺时针方向旋到底），“+、-”输入端用实验线对地短路。
输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。
调零后电位器位置不要变化。
如果使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居‘零“位。
拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常情况。
调零后关闭仪器电源；
2.按图1将实验部件用实验线连接成测试桥路。
桥路中R1、R2、R3、和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。
直流激励电源为±4V，因-4V电源已坏，故实验中只用了+4V，-4V电源用接地来替代。
测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态；
图1.单臂测试桥路
3.确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。
调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零；
4.旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以水平状态下输出电压为零，向上和向下移动各5mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，并列表，计算灵敏度和非线性度。
灵敏度：
S=V/X，其中V为电压的变化量，X为位移的变化量。
非线性度（非线性误差）：
γ=Δmax/Ym*100%，其中Δmax为最大非线性绝对误差，Ym为输出满度值。
二：
差动式半桥（金属或半导体材料的应变片，视仪器而定）
半桥实验使用了金属或半导体材料的应变片。
在完成“箔式应变片性能——单臂电桥”的基础上，不变动差动放大器增益和调零电位器，将图
（1）中电桥固定电阻R1换成箔式应变片，接成半桥测试系统。
重复实验“箔式应变片性能——单臂电桥”中的3—4步骤，测出半桥输出电压并列表，计算灵敏度和非线性度。
五、实验报告要求
1.单臂电桥时，记录位移和差动放大器输出电压值，列出表格。
金属和半导体材料的应变片均需记录。
位移（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压（v）
位移（mm）
0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
电压（v）
2.计算单臂电桥（金属和半导体材料）的灵敏度和非线性度。
3.差动式半桥时，记录位移和差动放大器输出电压值，列出表格。
4.计算差动式半桥的灵敏度和非线性度。
5.比较不同材料应变片、不同桥路的性能。
6.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
实验2．电容式传感器性能测试
一、实验目的
1.掌握电容式传感器的工作原理和测量方法。
二、实验原理
电容式传感器有多种型式，本仪器中是差动变面积式。
传感器由两组定片和一组动片组成。
当安装于振动台上的动片上、下改变位置，与两组静片之间的重叠面积发生变化，极电间电容也发生相应变化，成为差动电容。
如图2所示，将上层定片与动片形成的电容记为Cx1，下层定片与动片形成的电容记为Cx2，当将Cx1和Cx2接入桥路作为相邻两臂时，桥路的输出电压与电容的变化有关，即与振动台的位移有关。
图2.电容传感器实验图
三、实验所需部件
电容传感器，电容变换器，差动放大器，低通滤波器，低频振荡器，测微头。
四、实验步骤
1.按图2接线，电容变换器和差动放大器的增益适中。
2.装上测微头，带动振动台位移，使电容动片位于两静片中，此时差动放大器输出应为零。
3.以此为起点，向上和向下位移动片，每次0.5mm，直至动片与一组静片全部重合为止。
记录数据，并画出V-X曲线，求出灵敏度S。
4.低频振荡器输出接“激振I”端，移开测微头，适当调节频率和振幅，目测振幅最大时的频率为共振频率。
a）测量此时低频振荡器输出信号的频率；
b）测量此时差动放大器的输出信号的频率；
c）比较上述两个信号的频率是否相同。
五、实验报告要求
1.记录实验数据，并画出V-X曲线，求出灵敏度与非线性度。
位移（mm）
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
电压（v）
位移（mm）
0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
-3.0
-3.5
-4.0
-4.5
-5.0
电压（v）
2.记录共振频率。
3.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
实验3．压电式传感器性能测试
一、实验目的
1.了解压电加速度计的结构、原理和应用。
二、实验原理
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
压电传感元件是力敏感元件，在压力、应力、加速度等外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量的电测量。
图3给出了压电传感器及其测量电路的系统图。
图3.压电传感器实验图
三、实验所需部件
压电式传感器、电荷放大器（电压放大器）、低频振荡器、激振器、电压/频率表、差动放大器。
四、实验步骤
1.观察了解压电式加速度传感器的结构：
由双压电陶瓷晶片、惯性质量块、压簧、引出电极组装于塑料外壳中。
2.按图3接线，并将低频振荡器输出接“激振II”端，开启电源，调节振动频率与振幅，观察输出状态。
3.当悬臂梁处于谐振状态时振幅最大。
由于实验室暂缺示波器，请直接肉眼观察振幅，用频率表2KHz档测出悬臂梁谐振状态的频率。
a）测量此时低频振荡器输出信号的频率；
b）测量此时差动放大器的输出信号的频率；
c）比较上述两个信号的频率是否相同。
五、实验报告要求
1.记录压电式传感器谐振频率。
2.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
实验4．热电偶测温
一、实验目的
1.观察了解热电偶的结构，熟悉热电偶的工作特性。
2.学会查阅热电偶分度表。
二、实验原理
热电偶的基本工作原理是热电效应，当其热端和冷端的温度不同时，即产生热电动势。
通过测量此电动势即可知道两端温差。
如固定某一端温度（一般固定冷端为室温或0℃），则另一端的温度就可知，从而实现温度的测量。
本仪器中热电偶为铜-康铜热电偶。
三、实验所需部件
电压/频率表、热电偶、加热器、差动放大器、温度计。
四、实验步骤
1.差动放大器的两端接入热电偶，打开电源，差放增益调节为100倍，调节调零电位器，使差动放大器输出为零。
2.打开加热器，差动放大器输出如有微小变化，马上调节调零电位器再度调零。
3.随温度上升，观察差动放大器的输出电压的变化。
每隔30s记录一个值，共记录6分钟数据。
画出温度随时间变化的曲线。
4.本仪器上热电偶是由两只铜-康铜热电偶串接而成，热电偶的冷端温度为室温，放大器的增益为100倍，计算热电势时均应考虑进去。
读出热电偶参考端所处的室温t1根据中间温度定律可知：
E（t，t0）=E（t，t1）+E（t1，t0）
式中E为热电偶的电动势，t为热电偶热端温度，本实验仪上的热电偶分度表的参考端t0温度为0℃，t1为热电偶参考端所处的温度（即室温），由此查阅铜-康铜热电偶分度表，求出热电偶的热端温度t。
表1为自由端温度为0℃时的铜-康铜热电偶分度表。
表1.铜-康铜热电偶分度表（自由端温度为0℃）。
（T：
单位为℃；V：
单位为mv）
工作端温度
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
0.000
0.039
0.078
0.116
0.155
0.194
0.234
0.273
0.312
0.352
10
0.391
0.431
0.471
0.510
0.550
0.590
0.630
0.671
0.711
0.751
20
0.792
0.832
0.873
0.914
0.954
0.995
1.036
1.077
1.118
1.159
30
1.201
1.242
1.284
1.325
1.367
1.408
1.450
1.492
1.534
1.576
40
1.618
1.661
1.703
1.745
1.788
1.830
1.873
1.916
1.958
2.001
50
2.044
2.087
2.130
2.174
2.217
2.260
2.304
2.347
2.391
2.435
60
2.478
2.522
2.566
2.610
2.654
2.698
2.743
2.787
2.831
2.876
70
3.920
2.965
3.010
3.054
3.099
3.144
3.189
3.234
3.279
3.325
80
3.370
3.415
3.491
3.506
3.552
3.597
3.643
3.689
3.735
3.781
90
3.827
3.873
3.919
3.965
4.012
4.058
4.105
4.151
4.198
4.244
100
4.291
4.338
4.385
4.432
4.479
4.529
4.573
4.621
4.668
4.715
五、实验报告要求
1.记录随时间变化的电压，并计算对应的温度。
时间min
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
测得电压mv
修正后电压mv
温度℃
2.画出温度随时间变化的曲线。
3.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
实验5．光纤传感器性能测试
一、实验目的
1.了解光电式传感器的结构、工作原理。
2.了解光电式传感器的实际应用。
二、实验原理
反射式光纤位移传感器的工作原理如图4所示，光纤采用Y型结构，两束多模光纤一端合并组成光纤探头，另一端分为两束，分别作为接收光纤和光源光纤，光纤只起传输信号的作用，因此是属于非功能性的光纤传感器。
当光发射器产生的红外光，经光源光纤照射至反射体，被反射的光经接收光纤至光电转换元件将接收到的光信号转换为电信号。
其输出的光强决定于反射体距光纤探头的距离，通过对光强的检测而得到位移量。
图4.反射式光纤位移传感器原理图及输出特性曲线。
三、实验所需部件
光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、电压/频率表、支架、测微头、反射片。
四、实验步骤
1．观察光纤结构：
本仪器中光纤探头为半圆型结构，由数百根光导纤维组成，一半为光源光纤，一半为接收光纤。
2．将原装电涡流线圈支架上的电涡流线圈取下，装上光纤探头，探头对准镀铬反射片（即电涡流片）。
3．振动台上装上测微头，开启电源，光电变换器Vo端接电压表。
旋动测微头，带动振动平台，使光纤探头与反射面的距离发生变化，观察电压表的读数，调到电压表的读数为最大为止，然后调节光电变换器的增益旋钮，使输出电压在2V左右。
4．调节测微头，使光纤探头端面紧贴反射镜面，此时Vo输出最小。
然后旋动测微头，使反射镜面离开探头，每隔0.25mm记录一Vo电压值，数据记录成表格，并作出Vo-X曲线。
5．通过实验可得出输出电压特性曲线。
分前坡和后坡，通常测量是采用线性较好的前坡。
6．振动实验。
将测微头移开，振动台处于自由状态，根据V-X曲线选取前坡中点位置装好光纤探头。
将低频振荡器输出接“激振I”，调节激振频率和幅度，使振动台保持适当幅度的振动（以不碰到光纤探头为宜），用电压/频率表读出振动频率。
五、实验报告要求
1.通过实验记录输出电压与反射体距光纤探头的距离的关系列表。
X（mm）
0
0.25
0.5
0.75
1.0
1.25
1.5
1.75
2.0
Vo（V）
X（mm）
2.25
2.5
2.75
3.0
3.25
3.5
3.75
4.0
Vo（V）
2.绘制输出电压特性曲线。
3.用电压/频率表记录振动频率。
4.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
实验6．光纤传感器测量电机转速
一、实验目的
1.了解光电转速的工作原理和实际应用。
二、实验原理
反射式光纤位移传感器的工作原理请参见实验5图4。
当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化，光电传感器输出电量也发生相应变化，经V/F电路变换，成方波频率信号输出。
三、实验所需部件
光纤、光电转换器、光电变换器、低频振荡器、电压/频率表、支架、测微头、反射片、测速电机及转盘。
四、实验步骤
1.将光纤探头转一角度置于测速电机上方，并调整探头高度使其距转盘面1mm左右，光纤探头以对准转盘边缘内3mm为宜。
2.光电变换器F0端分别接电压/频率表2kHz档，开启电机开关，调节转盘转速，读出输出的频率。
电机转速=F0端方波频率/2（每周期两个方波信号）
五、实验报告要求
1.记录电压/频率表能测量到的最小、最大值，计算对应的电机的最小与最大转速。
2.实验心得，比如实验中碰到的问题是如何解决的，实验有哪些注意事项，实验对课本知识的理解有什么帮助，通过实验取得了哪些收获，等等。
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