生物医学传感器实验报告综述.docx
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生物医学传感器实验报告综述
综合实验报告
学院医学工程学院
实验名称生物医学测量与传感器综合实验
专业班级
学生姓名
学号
指导教师
成绩
实验一应变片单臂特性实验
一、实验目的：
了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。
二、基本原理：
电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：
ΔR/R=Kε；式中ΔR/R为电阻丝的电阻相对变化值，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。
金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化，对单臂电桥而言，电桥输出电压，U01=EKε/4。
（E为供桥电压）。
三、实验步骤：
1、在应变梁自然状态（不受力）的情况下，用4
位数显万用表2kΩ电阻档测量所有
应变片阻值；在应变梁受力状态（用手压、提振动台）的情况下，测应变片阻值，观察一下应变片阻值变化情况（标有上下箭头的4片应变片纵向受力阻值有变化；标有左右箭头的2片应变片横向不受力阻值无变化，是温度补偿片）。
如下图1—6所示。
2、差动放大器调零点：
按图1—7示意接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，
合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图1—7差放调零接线图
3、应变片单臂电桥特性实验：
⑴将主板上传感器输出单元中的箔式应变片（标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片）与电桥单元中R1、R2、R3组成电桥电路，电桥的一对角接±4V直流电源，另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端，将W1电位器、r电阻直流调节平衡网络接入电桥中（W1电位器二固定端接电桥的±4V电源端、W1的活动端r电阻接电桥的输出端），如图1—8示意接线（粗细曲线为连接线）。
图1—8应变片单臂电桥特性实验接线示意图
⑵检查接线无误后合上主电源开关，在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流
调节平衡网络W1电位器，使电压表显示为0或接近0（有小的起始电压也无所谓，不影响应
变片特性与实验）。
⑶在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码（20g／只），读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，记下实验数据填入表1。
表1应变片单臂电桥特性实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mV）
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11
（4）
S＝ΔV/ΔW=0.05mv/g,拟合直线为：
y=0.056x-0.86,Δm=7-0.056*120+0.86=1.14
δ=Δm/yFS×100％=1.14/200*100%=0.57%
四、思考题：
1、ΔR转换成ΔV输出用什么方法?
答：
利用桥式电路。
3、根据图4机头中应变梁结构，在振动台放置砝码后分析上、下梁片中应变片的应变方向（是拉?
还是压?
）。
答:
上梁片中应变片方向是拉，下梁片的是压。
实验二应变片半桥特性实验
一、实验目的：
了解应变片半桥（双臂）工作特点及性能。
二、基本原理:
应变片基本原理:
电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。
一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。
应变片半桥特性实验原理如图2—1所示。
不同受力方向的两片应变片（上、下二片梁的应变片应力方向不同）接入电桥作为邻边，输出灵敏度提高，非线性得到改善。
其桥路输出电压Uo≈（1／2）（△R／R）E＝（1／2）KεE。
图2—1应变片半桥特性实验原理图
三﹑实验步骤：
除实验接线按图2—2接线即电桥单元中R1、R2与相邻的二片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。
实验完毕，关闭电源。
图2—2应变式传感器半桥接线示意图
应变片半桥特性实验实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mV）
3
5
8
10
13
15
18
20
23
25
S＝ΔV/ΔW=0.12,拟合曲线为：
y=0.13x-0.3,△m=200*0.13-0.3-25=0.7,δ=Δm/yFS×100％=0.7/200*100%=0.35%
四、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，应接在：
（1）对边?
（2）邻边?
为什么?
答：
不同受力方向的两只应变片应接入电桥作为邻边,中点的电位变化的才能和另外的参考点进行比较，如果不在临边，也就会出现当两个应变片都发生变化时，与他们对应电阻的电位差可能会出现0的情况。
电桥输出灵敏度提高,非线性得到改善.
实验三应变片全桥特性实验
一、实验目的：
了解应变片全桥工作特点及性能。
二、基本原理：
应变片基本原理参阅实验一。
应变片全桥特性实验原理如图3—1所示。
应变片全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。
当应变片初始阻值：
R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压Uo≈（△R／R）E＝KεE。
其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性得到改善。
图3—1应变片全桥特性实验原理图
三、实验步骤：
除实验接线按图3—2示意接线，四片应变片组成电桥电路外。
实验步骤和实验数据处理方法与实验一完全相同。
实验完毕，关闭电源。
图3—2应变片全桥特性实验接线示意图
应变片全桥特性实验实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mV）
-3
-8
-13
-18
-22
-27
-32
-37
-42
-47
S=ΔV/ΔW=-0.25,拟合曲线为：
y=-0.25*x+2.6,
Δm=0.6,δ=Δm/yFS×100％=0.6/200*100%=0.3%
四、思考题：
应变片组桥时应注意什么问题?
答：
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。
3.接线方法是相邻应变片相反,相对相同
实验五应变直流全桥的应用—电子秤实验
一、实验目的：
了解应变直流全桥的应用及电路的标定。
二、基本原理：
常用的称重传感器就是应用了箔式应变片及其全桥测量电路。
数字电子秤实验原理如图5—1。
本实验只做放大器输出Vo实验，通过对电路的标定使电路输出的电压值为重量对应值，电压量纲（V）改为重量量纲（g）即成为一台原始电子秤。
图5—1数字电子称原理框图
三、实验步骤：
1、差动放大器调零点：
按图5—2示意接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，
合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使数显表显示0.000V。
差动放大器的零点调节完成，关闭主电源。
图5—2差放调零接线图
2、按图5—3接线，检查接线无误后合上主电源开关。
在振动台无砝码时，调节电桥中的W1电位器，使数显表显示为0.000V。
将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。
图5—3电子秤实验接线示意图
3、拿去振动台上的所有砝码，如数显电压表不显示0.000V则调节差动放大器的调零电位器，使数显表显示为0.000V。
再将10只砝码全部置于振动台上（尽量放在中心点），调节差动放大器的增益电位器，使数显表显示为0.200V（2V档测量）或－0.200V。
4、重复3步骤的标定过程，一直到精确为止，把电压量纲V改为重量纲g，就可以称重，成为一台原始的电子秤。
5、把砝码依次放在托盘上，并依次记录重量和电压数据填入下表5。
6、根据数据画出实验曲线，计算误差与线性度。
表5电子称实验数据
重量（g）
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
电压（mV）
-18
-37
-57
-77
-97
-116
-136
-157
-178
-200
S=ΔV/ΔW=-1,拟合曲线为：
y=-0.98x+0.5
Δm=4.5,δ=Δm/yFS×100％=4.5/200*100%=2.25%
7、在振动台上放上笔、钥匙之类的小东西称一下重量。
实验完毕，关闭电源。
实验八移相器、相敏检波器实验
一、实验目的：
了解移相器、相敏检波器的工作原理。
二、基本原理：
1、移相器工作原理：
图8—1为移相器电路原理图与实验箱主板上的面板图。
图中，IC-1、R1、R2、R3、C1
图8—1移相器原理图与面板图
构成一阶移相器（超前），在R2=R1的条件下，可证明其幅频特性和相频特性分别表示为：
KF1（jω）=Vi/V1=-（1-jωR3C1）/（1+jωR3C1）
KF1（ω）=1
ΦF1（ω）=-л-2tg-1ωR3C1
其中：
ω=2лf,f为输入信号频率。
同理由IC-2,R4,R5,Rw,C3构成另一个一阶移相器（滞后），在R5=R4条件下的特性为：
KF2（jω）=Vo/V1=-（1-jωRwC3）/（1+jωRwC3）
KF2（ω）=1
ΦF2（ω）=-л-2tg-1ωRwC3
由此可见，根据幅频特性公式，移相前后的信号幅值相等。
根据相频特性公式，相移角度的大小和信号频率f及电路中阻容元件的数值有关。
显然，当移相电位器Rw=0，上式中ΦF2=0，因此ΦF1决定了图7—1所示的二阶移相器的初始移相角：
即ΦF=ΦF1=-л-2tg-12лfR3C1
若调整移相电位器Rw，则相应的移相范围为：
ΔΦF=ΦF1-ΦF2=-2tg-12лfR3C1+2tg-12лfΔRwC3
已知R3=10KΩ,C1=6800p,△Rw=10kΩ,C3=0.022μF,如果输入信号频率f一旦确定，即
可计算出图8—1所示二阶移相器的初始移相角和移相范围。
2、相敏检波器工作原理：
图8—2为相敏检波器（开关式）原理图与实验箱主板上的面板图。
图中，AC为交流参考电压输入端，DC为直流参考电压输入端，Vi端为检波信号输入端，Vo端为检波输出端。
图8—2相敏检波器原理图与面板图
原理图中各元器件的作用：
C5-1交流耦合电容并隔离直流；IC5-1反相过零比较器，将参考电压正弦波转换成矩形波（开关波+14V～-14V）；D5-1二极管箝位得到合适的开关波形V7≤0V（0～-14V）；Q5-1是结型场效应管，工作在开、关状态；IC5-2工作在倒相器、跟随器状态；R5-6限流电阻起保护集成块作用。
关键点：
Q5-1是由参考电压V7矩形波控制的开关电路。
当V7＝0V时，Q5-1导通，使IC5-2同相输入5端接地成为倒相器，即V3＝-V1；当V7＜0V时，Q5-1截止（相当于断开），IC5-2成为跟随器，即V3＝V1。
相敏检波器具有鉴相特性，输出波形V3的变化由检波信号V1与参考电压波形V2之间的相位决定。
下图8—3为相敏检波器的工作时序图。
图8—3相敏检波器工作时序图
三、实验步骤：
（一）移相器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—4示意接线，
检查接线无误后，将称相器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源开关，调节音频振荡器的频率为ｆ=1KHz，幅度适中（2V≤Vp-p≤8V）。
图8—4移相器实验接线图
2、正确选择双线（双踪）示波器的“触发”方式及其它（TIME/DIV：
在0.5mS～0.1mS范围内选择；VOLTS/DIV：
1V～5V范围内选择）设置，调节移相器的移相电位器以保证能看到波形的相角变化。
答：
输入波形无变化，输出波形变化范围是306~0。
3、调节移相器的移相电位器（逆时针到底0KΩ～顺时针到底10KΩ变化范围），用示波器可测定移相器的初始移相角（ΦＦ=ΦＦ1）和移相范围△ΦＦ。
4、改变输入信号频率为ｆ=9KHz，再次测试相应的ΦＦ和△ΦＦ。
测试完毕关闭主电源。
（二）相敏检波器实验
1、调节音频振荡器的幅度为最小（幅度旋钮逆时针轻轻转到底），按图8—5示意接线。
检查接线无误后将相敏检波器的拨动开关拨到“开”位置，合上主电源，调节音频振荡器频率f=5KHz，峰峰值Vp-p=5V；结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—5相敏检波器跟随、倒相实验接线示意图
2、将相敏检波器的DC参考电压改接到-4V，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
关闭主电源。
3、按图8—6示意图接线，合上主电源，分别调节移相电位器和音频信号幅度，结合相敏检波器的原理图和工作原理，分析观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
图8—6相敏检波器检波实验
4、将相敏检波器的AC参考电压改接到180°，分别调节移相电位器和音频信号幅度，观察相敏检波器的输入、输出波形关系。
关闭主电源。
四、思考题：
通过移相器、相敏检波器的实验是否对二者的工作原理有了更深入的理解。
作出相敏检波器的工作时序波形，能理解相敏检波器同时具有鉴幅、鉴相特性吗?
实验十一电容式传感器的位移实验
一、实验目的：
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理：
原理简述：
电容传感器是以各种类型的电容器为传感元件，将被测物理量转换成电容量的变化来实现测量的。
电容传感器的输出是电容的变化量。
利用电容C＝εA／d关系式通过相应的结构和测量电路可以选择ε、A、d中三个参数中，保持二个参数不变，而只改变其中一个参数，则可以有测干燥度（ε变）、测位移（d变）和测液位（A变）等多种电容传感器。
电容传感器极板形状分成平板、圆板形和圆柱（圆筒）形，虽还有球面形和锯齿形等其它的形状，但一般很少用。
本实验采用的传感器为圆筒式变面积差动结构的电容式位移传感器，差动式一般优于单组（单边）式的传感器。
它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。
如图11—1所示：
它是有二个圆筒和一个圆柱组成的。
设圆筒的半径为R；圆柱的半径为r；圆柱的长为x，则电容量为C=ε2ｘ／ln（R／r）。
图中C1、C2是差动连接，当图中的圆柱产生∆X位移时，电容量的变化量为∆C=C1－C2=ε22∆X／ln（R／r），式中ε2、ln（R／r）为常数，说明∆C与∆X位移成正比，配上配套测量电路就能测量位移。
图11—1实验电容传感器结构
三、实验步骤：
1、差动放大器调零：
按图11—6所示接线。
将F／V表的量程切换开关切换到2V档，
合上实验箱主电源开关，将差动放大器的拨动开关拨到“开”位置，将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈，调节调零电位器，使电压表显示电压为零。
再关闭主电源。
图11—6差动放大器调零接线图
2、电容传感器的位移测量系统电路调整：
将电容传感器安装在机头的静态位移安装架上（传感器动极片连接杆的标记刻线朝上
方）并将引线插头插入传感器输入插座内，如图11—7的机头部分所示。
再按图11—7主板部分的接线示意图接线，将F／V表的量程切换开关切换到20V档，检查接线无误后合上主电源开关，将电容变换器的拨动开关拨到“开”位置并将电容变换器的增益顺针方向慢慢转到底再反方向回转半圈。
拉出（向右慢慢拉）传感器动极片连接杆，使连接杆上的第二根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的增益旋钮使电压表显示绝对值为1V左右；推进（向左慢慢推）传感器动极片连接杆，使连接杆上的第一根标记刻线与夹紧螺母处的端口并齐，调节差动放大器的调零旋钮（0电平迁移）使电压表反方向显示值为1V左右。
重复这一过程，最终使传感器的二条标记刻线（传感器的位移行程范围）对应于差动放大器的输出为±1V左右。
图11—7电容传感器位移测量系统电路调整安装、接线图
3、安装测微头：
首先调节测微头的微分筒，使微分筒的0刻度线对准轴套的20mm处，再将测微头的安
装套插入静态位移安装架的测微头安装孔内并使测微头测杆与传感器的动极片连接杆吸合；然后移动测微头的安装套使传感器连杆上的第二根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐后拧紧测微头安装孔上的紧固螺钉，如图11—8机头部分所示。
4、传感器位移特性实验：
安装好测微头后（测微头的微分筒0刻度线对准轴套的20mm处），读取电压表显示的电
压值为起始点，再仔细慢慢顺时针转动测微头的微分筒一圈△X=0.5mm（不能转动过量，否则回转会引起机械回程差）从F／V表上读出输出电压值，填入下表11，直到传感器连杆上的第一根标记刻线与传感器夹紧螺母端口并齐为止。
表11电容传感器测位移实验数据
X（mm）
20
19.5
19
18.5
18
17.5
17
16.5
16
15.5
V（V）
1.14
1.1
1.06
1.02
0.97
0.91
0.84
0.78
0.71
0.65
15
14.5
14
13.5
13
12.5
12
11.5
11
10.5
10
0.58
0.52
0.45
0.39
0.32
0.26
0.19
0.13
0.06
0
-0.05
9.5
9
8.5
8
7.5
7
6.5
6
5.5
5
4.5
-0.12
-0.18
-0.24
-0.30
-0.36
-0.42
-0.48
-0.54
-0.6
-0.66
-0.72
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
-0.78
-0.84
-0.9
-0.94
-0.98
-1.0
-1.01
-1.01
图11—8测微头的安装图（机头部分所示）
4、根据数据表作出△X—V实验曲线，在实验曲线上截取线性比较好的线段作为测量范围并计算灵敏度S=△V／△X与线性度。
实验完毕，关闭所有电源开关。
实验十二差动变压器的性能实验
一、实验目的：
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理：
差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。
差动变压器一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移改变而变化。
由于把二个二次绕组反向串接（同名端相接），以差动电势输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称差动变压器。
三、实验步骤：
1、将差动变压器和测微头安装在机头的静态位移安装架上，如下图12－5，Li为初级线圈（一次线圈）；Lo1、Lo2为次级线圈（二次线圈）；＊号为同名端。
差动变压器的原理图参阅图12—2。
2、按图12—5示意接线，差动变压器的原边Li的激励电压（绝对不能用直流电压激励）必须从主板中音频振荡器的Lv端子引入，检查接线无误后合上主电源开关，调节音频振荡器的频率为3～5KHz（可输入到频率表10K档来监测或示波器上读出）的任一值；调节输出幅度峰峰值为Vp-p＝2V（示波器第一通道监测）。
图12—5差动变压器性能实验安装、接线示意图
3、差动变压器的性能实验：
使用测微头时，当来回调节微分筒使测杆产生位移的过程中本身存在机械回程差，为消除这种机械回差可用如下方法实验:
调节测微头的微分筒（0.01mm/每小格），使微分筒的0刻度线对准轴套的10mm刻度线。
松开安装测微头的紧固螺钉，移动测微头的安装套使示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）为较小值（越小越好，变压器铁芯大约处在中间位置）时，拧紧紧固螺钉，再顺时针方向转动测微头的微分筒12圈，记录此时的测微头读数和示波器第二通道显示的波形Vp-p（峰峰值）值为实验起点值。
以后，反方向（逆时针方向）调节测微头的微分筒，每隔
△X=0.2mm（可取60～70点值）从示波器上读出输出电压Vp-p值，填入下表12（这样单行程位移方向做实验可以消除测微头的机械回差）。
4、根据表12数据画出X－Vp-p曲线并回答差动变压器的零点残余电压大小？
实验完毕，关闭电源。
差动变压器性能实验数据表
△X（mm）
0
0.6
1.2
1.8
2.4
3
3.6
4.2
4.8
5.4
Vp-p（mV）
0.35
0.3
0.25
0.2
0.2
0.15
0.1
0.1
0.05
0.05
6
6.6
7.2
7.8
8.4
9.2
9.8
10.4
11
11.6
12.2
0.05
0.05
0.05
0.1
0.1
0.15
0.15
0.2
0.2
0.2
0.2
12.8
13.4
14
14.6
15.2
0.25
0.25
0.3
0.3
0.35
由图可见零点残余电压为0.5v.
四、思考题：
1、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同？
答：
不同点:
这两者差距极大,不可互相代替.差动变压器一般用于作为检测元件,而一般变压器一般作为电源变换部件或者信号转换部件。
相同点:
都是由铁芯和线圈组成,都是转换电压的元件.
2、用直流电压激励会损坏传感器。
为什么？
答：
会,因为变压器初级直接接到了直流电压上,由于初级线圈的直流电阻很低,这样形成很大的直流电流,产生的热量如果足够大可能将初级线圈烧毁
3、如何理解差动变压器的零点残余电压？
用什么方法可以减小零点残余电压？
答：
差动变压器在零点位置理论上两个次级线圈电压抵消，输出为零。
实际上由于移动铁芯时的机械摩擦、间隙等原因要让铁芯完全处于零位，或检测出铁芯是否处于零位都有相当的难度，也没有必要。
通常是在人为给出一个范围，只要输出在这个范围内就认为输出为零。
这时实际输出并不一定是真正的零电压，这个电压就是零点残余电压。
采用补偿线路②并联电位器W用于电气调零，改变两次级线圈输出电压的相位
实验十三激励频率对差动变压器特性的影响
一、实验目的：
了解初级线圈激励频率对差动变压器输出性能的影响。
二、基本原理：
差动变压器的输出电压的有效值可以近似用关系式：
=
表示,式中Lp、Rp为初级线圈电感和损耗电阻，
、ω为激励电压和频率，M1、M2为初级与两次级间互感系数，由关系式可以看出，当初级线圈激励频率太低时，若RP2＞ω2LP2，则输出电压Uo受频率变动影响较大，且灵敏度较低，只有当ω2LP2＞＞RP2时输出Uo与ω无关，当然ω过高会使线圈寄生电容增大，对性能稳定不利。
三、实验步骤：
1、差动变压器及测微头的安装、接线同实验十二、图12—5。
2、检查接线无误后，合上主电源开关，调节音频振荡器LV输
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