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生物传感器设计

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生物传感器--设计（总16页）

北京联合大学

实验报告

课程（项目）名称：

生物医用传感器

学院：

信息学院专业：

电子信息科学与技术

班级：

201008030202学号：

20100803022042010080302205

姓名：

冯毅吴梦迪成绩：

2013年　6月　7　日

第一章应变式传感器实验

第一节实验目的

1.1使学生了解应变计原理

1.2使学生了解LoadCell结构

1.3使学生了解LoadCell特性

1.4使学生了解LoadCell转换电路的原理

1.5使学生了解LoadCell的应用

第二节实验电路原理说明

LoadCell利用应变计和桥式电路组合成，当其受到了拉力或压力时，将产生与作用力成正比的电压输出。

图1-6是LoadCell转换电路，其输出的转换率为10mV/g。

本实验所采用的LoadCell规格为500g，输出率为2mV±10%，即在±5V的激励电压下，在荷重500g下有2mV±10%的电压输出，所以LoadCell本身的输出转换率为（4mV±10%）/Kg。

图1-6中U1，U2和U3组成了一般常用的仪器放大器，其电压增益为2R2/（R1+VR1）【当R2=R3时】。

要使得整个转换电路的输出为10mV/g，则仪器放大器必须有2500倍的增益（4mV/kgx2500=10mV/g）。

因LoadCell在无荷重下输出电压并不为零，且输出转换率为4mV/kg并不准确，前者可在仪器放大器加上抵补电压使其归零。

而后者可调整到VR1，改变仪器放大器的增益，使得转换电路的输出保持在10mV/g。

调整VR2可使得R14的电压从+1.2V~-1.2V，使得整个转换电路在无荷重下输出为零。

图1-6应变计转换电路

第三节实验仪器设备

4.1数位式电表（DMM）

4.2KH-700主实验器

4.3KH-73001实验模板

4.4砝码一组（1kg）（选购）

第四节实验步骤与记录

5.1Loadcell特性与转换电路实验

1.将KH-73001实验模板放在实验台上，取出KH78001负载单元备用。

2.使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。

使用标准USB-Bjack连接线连接KH78001负载单元中应变式压力传感器输出接口与KH73001对应传感器接口。

3使用KH71003中工控表1连接模组输出（工控表1中COM-接模组输出GND；V/A+接入被测信号），测量J1测试点（零点补偿电压）并并调整VR1，使传感器输出在无负重下，Vout的电压为0.24V（补偿托盘自重导致的测量数值偏移）

4.测量Vout的输出电压，并调整VR2，使传感器输出在无负重下，Vout的电压为0V。

5.以100g的砝码放在盛物盘上，并调整VR1使Vout的电压为1V，此时，转换电路的输出转换率为1V/100g。

6.依照表1-2所列的重量，将砝码组合后，放在LoadCell上，利用工控表测量Vout的电压,并记录到表中。

砝码重（g）

10

20

30

40

50

100

150

200

Vout电压（V）

0.29

0.34

0.39

0.44

0.49

0.74

0.99

1.24

第二章气压传感器实验

第一节实验目的

本实验在于了解气体传感器的特性及利用气体传感器来检知出所要测气压的压力，且与设定值比较来控制警报器的动作。

第二节实验电路原理说明

压电电阻效应压力感测能提供一个随着外在压力的大小产生电压的输出。

此装置乃是利用离子，注入电阻方式到积体的硅振动板上，把压力转成电压的输出。

图2-15为本实验所用感测等效电路及外观。

图2-15等效电路及外观

为了更进一步的了解压力传感器，我们有必要详细的解释一些专用名词：

绝对压力（absolutepressure）：

在真空中所量测的压力（磅／每平方英吋绝（psia）通常我们所看到的气压计就是）。

差压（Differentialpressure）：

两个压力源所量得的差值称为差压。

磅／每平方英吋差（psid）。

当压力源是完全真空，差压称之为绝对压力。

Kpa：

1.0Kpa（Kilopascal）等于0.145psi（poundpersquareinch）。

真空（Vacuum）：

完全真空是气态的气体。

3.1SPX电气特性及装置考虑

传感器组件（SPX50D）设计成容易固定在底壳及房子上，也可焊在O-环（O-Ring）衬垫，或RTV。

在绝对压力和计量压力的应用上,压力源需加在本装置的上端。

图2-16（b）在差压应用传感器P1端常加高压端口（highpressureport），P2端接低压端口（lowpressureport）。

在很多的应用中，这颗SPX组件有很快的反应速度，典型的P1值为0.06cm3，P2值为0.001cm3。

图2-16SPX切面（a）及结构（b）

本包装方式有两个可用的压力连接管。

绝对压力的装置P1端口动作，应用压力经由另一端口，将导致压力死端（dead-ending）进入硅传感器后端，如果发生此情形，本装置将没有输出信号。

在量计压力设置，压力通常加入P1端口。

差压的应用P1端口（P1port）接高压端口（Highpressureport），P2端口（P2port）接低压端口（Lowpressureport）。

SPX系列可提供一个随压力而改变的电压输出。

当压力源P1加入时，输出电压随着外来的压力而产生成正比的变化。

但当压力在量计模式（GageMode）时，增加压力，输出反而减少。

1.SPX压力传感器乃利用惠斯登电桥的原理

图2-17SPX的压力感测器

当有压力输入时，电桥各路有变化量△。

这结果导致差动输出：

Vo=Vbx△

因为电阻的改变比例在于压力，所以，输出可改写成：

Vo=SxPxVbVos……………………………………（2-5）

这里Vo：

输出电压，单位mV

S：

灵敏度，单位m／Vperpsi

P：

压力，单位psi

Vb：

电桥电压，单位伏特

Vos：

是漂移误差（当压力等于零时的差动输出电压）。

2.接着介绍温度效应的影响：

从（2-5）式中，忽略Vos项，当压力源是恒压时，输出电压为温度的变化，为Vo=S•P•Vb……………………………………………（2-6）

为了输出电压不随着温度而变化，Vb跨接于电桥必须与温度的变化呈相反方向。

从典型的温度曲线span=S•P•Vb，能够看出温度变化灵敏度是很小，其方程式可修正为：

S=So•〔（1-βＴｄ）+ρＴｄ2〕………………………（2-7）

这里Td：

温度差，25℃及有相关的温度

So：

25℃的灵敏度

β，ρ：

固定常数

温度在0-70℃之间，灵敏度呈线性的变化。

本传感器应用温度范围也在此之间，所以我们忽略平方项，

S=So•（1-βＴｄ）…………………………………………（2-8）

（2-8）式代入（2-5）式，忽略Vos项

Vbo：

在25℃时电桥电压式中为非线性的，然而β值很小（0.235%／℃），所以上式可为

Vb=Vbo•（1+βＴｄ）

大约小于1%的误差，因此为了补偿负温度灵敏度2350ppm／℃，电桥电压增加+2350ppm／℃的比例。

（Vb/Vb）=+2350ppm／℃

电桥电阻也随着温度而改变，其改变为

（Rb/Rb）=+1350ppm／℃

3.2实际的电桥补偿电路

1.二极管补偿电路

电源电压Vs使用5V或6V时，利用最低成本的电路来解决温度漂移问题。

二极管就是最好的方法，二极管可用小信号的硅质组件，诸如像1N914，1N4148等。

0.7V的顺向电压（φ），6mA电流。

图2-18为二极管补偿电路。

图2-18二极管补偿电路

（a）Vb=α•〔Vs-3φ〕

（b）

（c）α=Rb/（R1+Rb）

（d）硅质二极管

例题：

Vs=5.0V

φ=0.7V

Rb=500Ω

己知R1=332Ω，代入（c）式求出α值，再代入（a）式求出Vb=1.74V，25℃。

Vs若为6V时R1不接，改用四个二极管，Vb=3.2V，温度系数大约2200ppm/℃。

2.晶体管补偿电路

图2-19为利用晶体管来仿真二极管的补偿电路。

Vs=5V，R1=402Ω，R2=150Ω或Vs=6V，R1=429Ω，R2=133Ω，可在0-100℃之间有很好的温度补偿作用，本实验项目乃利用此补偿电路。

图2-19电晶体补偿电路

3.恒流源补偿电路

所谓的补偿电路是决定多少电压降在电桥上。

图2-20所示，电桥电压可独立选择。

LM334是恒流源IC，有良好的温度系数为3300ppm/℃。

因电桥电阻的温度系数（TC）太高，导致补偿温度系数太灵敏，因此加了R2的电阻以减少总电路的温度系数。

图2-20恒流源补偿电路

（a）Vb=α（Vs+IxR2）

（b）

（c）α=Rb/（R2+Rb）

（d）

（e）Io=67.7mV/R1

3.3设计程序

1.已知Vs值，求解电压降Vb，解（b）式α值

2.解（c）式R2，令Rb=500Ω

3.解（a）式Io

4.从（e）式中求出R1值,不同的Vs值，R1，R2适当值请参考如下：

表2-1

3.4放大器电路设计

由于价格便宜和线路简单的原因，所以选择运算放大器作为本实验的放大器。

如果温度范围限制于25℃15℃，这颗LM324IC就可提供很好的服务，比较精确的IC，如LT1014，LT1002的温度范围能在0-100℃之间变化。

本实验用的IC为OP07，图2-21为放大器电路。

图2-21放大器电路

第三节实验仪器设备

4.1数位式电表

4.2KH-700主实验器

4.3KH-73002实验模板

第四节实验步骤与记录

取KH-73002模板，放在感测实验器上，接上电源。

如图2-22所示。

图2-22KH-73002压力感测实验电路

一、实验步骤

3.将KH-73002实验模板放在实验台上，取出KH78001负载单元备用。

4.使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模组供电接口。

使用标准USB-Bjack连接线连接KH78001负载单元中气压传感器输出接口与KH73002对应传感器接口。

5.使用KH71003中工控表1连接模组输出（工控表1中COM-接模组输出GND；V/A+接入被测信号）

6.作零压力输入校正。

将实验主机的电源PowerON，使负载单元上的气压传感器处于空置状态，利用工控表1量测J3测试点，调整VR1，使J3测试点的电压值为0V。

7.利用工控表1量测KH-73002模板上的J6测试点，调整VR3，使J6的电压值为0V。

8.连接负载单元气压传感器与气压针筒，并将KH-73002模板上的VR2左转到底。

9.利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值为0.2V。

10.将KH-78001模板上的气压针筒给予推力，依实验需求推动至针筒上标示刻度。

11.将压力针筒调至2.5ml标示处，利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值，依次调整针筒容量至表中容量，并记录电压。

针筒标示

2.5ml

5.0ml

7.5ml

10.0ml

Vout电压（V）

2.70.26

3.160.35

3.340.39

3.45

0.41

33.将压力针筒调至10.0ml标示处，利用电压表量测KH-73002模板上的J6，并纪录J6的电压值，依次调整针筒容量至表中容量，并记录电压。

针筒标示

10.0ml

7.5ml

5.0ml

2.5ml

Vout电压（V）

3.64

0.41

3.540.39

3.370.35

2.900.26

13.并将KH-73002模板上的VR2右转底。

14.重复步骤6～12。

15.利用电压表量测KH-73002模板上的J5，调整VR4，所设定的电压值对应的压力值，即为上临界值。

当J6的电压小于J5的电压时，量测Vout1的电压值为0V；调整VR4，当J6的电压大于J5的电压时，量测Vout1的电压值为13.80V。

可将KH-73002模板上的Vout1端接至主控台上71004上的alarmin端观察调节VR4时的变化，结合电路原理分析原因。

18.利用电压表量测KH-73002模板上的J7，调整VR5，所设定的电压值对应的压力值，即为下临界值。

当J6的电压大于J7的电压时，量测Vout2的电压值为0V；调整VR5，当J6的电压小于7的电压时，量测Vout2的电压值为为13.81V。

可将KH-73002模板上的Vout1端接至主控台上71004上的alarmin端观察调节VR5时的变化，结合电路原理分析原因。

第三章LVDT实验/霍尔IC位移实验

第一节实验目的

1.1使学生了解LVDT的结构

1.2使学生了解LVDT的特性

1.3使学生了解LVDT转换电路的原理

1.4使学生了解LVDT的应用

1.5使学生了解磁感测组件的特性。

第二节实验电路原理说明

图3-5为LVDT的转换电路，能将LVDT的位移量以直流电压输出，其转换率为1V/mm。

本实验所使用的LVDT为225B-125，其最大位移量距离为距中点0.125in（3mm），初级线圈所加的交流激励电源为5Vrms（14.14Vp-p），最佳频率为350Hz。

为了提供5Vrms，350Hz的交流电源，图3-5使用运算放大器维恩电桥振荡方式，其中R1（10K），C1（0.047μf），R2（10K），C2（（0.047μf）决定了振荡频率Fo=1/2π√R1R2C1C2≌338.6Hz。

R3，R4，R5，R6构成了负反馈网路，决定了振荡条件与输出振幅。

调整R5可以改变负反馈量，进而改变输出电压的振幅，而CR1，CR2反接且并联于R3两端，可增加振幅的稳定度。

Q1，Q2组成放大电路，增加推动的能力。

CR3，C4，R10与CR4，C5，R11为两组整流滤波电路，分别将两组次级线圈的交流电压Vr，Vf转换为直流电压。

U2，U3为电压增益为1的电压随耦器，作为缓冲器使用。

图3-6LVDT转换电路

第三节实验仪器设备

4.1位式电表（DMM）

4.2KH-73003实验模板

4.3KH-700主实验器

4.4示波器

第四节实验步骤与记录

5.1位置侦测器

功能：

利用LVDT特性，由LED显示位移量低于或高于设定值。

1.将KH-73003实验模板放实验台上，取出KH78001负载单元备用。

2．使用盒式排针线连接KH71001供电模块与模板供电接口。

使用标准USB-Bjack连接线连接KH78001负载单元中线形差动传感器输出接口与KH73003对应传感器接口。

由主控台71002中工控表2右端24V电源和com端向KH-73003实验模板中的传感器供电。

3．调整LVDT右移1mm时，差动放大输出（在KH-73003上）为何值。

反复设定不同数值，观察与理论是否一致。

调整LVDT传感器的位移如下表，并记录相应的输出电压Vout值。

位移量（mm）

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

显示数值

12.78

12.06

11.30

10.43

9.36

8.42

7.43

6.40

5.37

4.35

3.33

表3-1

第四章生物传感与测量综合实验

实验要求

•要求用PTC或NTC热敏电阻完成一个小型温度报警电路的设计，检测环境温度高于40摄氏度时红色LED每0.5S开关闪烁，当环境温度大于70度时蜂鸣器鸣响报警。

实验仿真电路：

器件清单：

LMS324及其底座

555振荡器及其底座

电阻：

1k若干，10k若干，100欧1个，10K滑变1个

电容：

1μ，10μ各一个

LED灯两个

导线若干

实验硬件：

测试结果：

当40度的时候，和555振荡器相连的LED灯亮。

当70度的时候，和LMS324相连的LED灯亮。

实验感想：

对于生物医学的认识已经不是初次接触了，在大二的时候就学习了它的理论知识，以及实践性的操作。

今年我们学习的是更进一步的传感器。

而且传感器的设计实验与我们生活密切相关，这虽然只是一门专业考查课，但是我个人还是蛮喜欢这门课程的，觉得他很针对实际，他的原理几乎都是模拟和数字电子技术理论，这学期的学习让我更加夯实了模电与数电的基础。

而且焊接板子也是越来越快。

在这次的设计实验中，遇到了重重困难。

首先仿真的时候有了大概的设计框架，之后就是摆电阻，试了半天，又通过老师和同学的帮助终于仿真成功，之后又有了重大打击，本身已经按照仿真成功的电路焊接好了实验电路板，但是其中的一个灯一通电源就亮，之后我们找到了两处错误更改之后灯插电之后不亮了，但是用吹风机之后哪个灯都不亮，我们非常灰心，之后重新焊了板子，功夫不负有心人，我们的板子终于成功了。