传感器实验讲义 实验室适用文档格式.docx
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学生通过学习本课程后或学习期间进行实验有助于学生加深对专业方面的基本理论、基本知识的认识,有助于学生基本技能的提高,有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力,有助于加深对各种传感器元器件的认识、设计和应用,拓宽学生的专业知识面,为深入学习与工作打下扎实的基础。
2.实验目的
掌握传感器的基本理论,掌握几何量、机械量及有关量在测量中常用的各种传感器的工作原理、主要性能及其特点;
1)针对不同的被测信号,能合理地选择和使用传感器;
2)掌握常用传感器的调节电路、工程设计方法和实验研究方法;
3)了解和掌握常用医用传感器是如何感知生物体内各种生理的信息,以及信息的电传输方式,以直观的方式让学生学习医用传感器的工作原理、工作过程及其特性,为学生从事医疗仪器设备的研究和开发打下基础。
3.实验项目
序号
实验名称
学时
实验性质
实验级别
1
电阻式传感器性能测试
3
验证性
必做
2
电容式、差动式传感器性能测试
电涡流、压电式传感器性能测试
4
霍尔传感器性能测试
5
热电式、光学传感器性能测试
6
人体心音、脉搏、血压、呼吸测量
综合性
人体心电测量
开放
选做
虚拟生理信号监护仪
综合设计性
4.教材
自编实验指导书:
①余学飞等.医学传感器实验讲义.医学工程系自编.2006年8月.②郭淑艳.医学传感器实验讲义.医学工程系自编.2009年12月.
5.参考资料:
姜远海.医用传感器.科学出版社.1997年6月第一版.
前言
在检测人体信号过程中,医用传感器是必不可少的,它可以将获取到的人体信息转换成易于测量和处理的信号。
目前,医用传感器包括很多种,测量物理量的物理传感器(可用于测量血压、血流、体温、心音、脉搏、呼吸等)、直接耦合电信号的电极(可以检测脑电、心电、眼电、肌电和神经电等生物电信号)、以非生物物质作为分子识别系统测量化学量的化学传感器(可检测血、尿等体液中的离子浓度)、以生物物质作为分子识别系统测量化学量的生物传感器(用于检测酶、抗原、抗体、神经递质、激素、DNA等生物活性物质)等。
除此之外,利用电(原子核)磁场理论检测生物磁信号的研究正在受到重视,核磁共振成像是其典型的研究成果代表。
生物医学信号检测技术已广泛应用于医学研究、临床检查、病人监护、疾病治疗,以及人工器官和运动医学等领域,是重要的基础性技术。
生物医学信号检测与医用传感器的发展趋势是:
研制微型化、多参量医学传感器,发展无创检测技术、微型植入式动态检测技术、遥测技术、细胞和分子水平的检测技术。
医用传感器实验旨在促进同学们掌握传感器的基本理论,掌握几何量、机械量等在测量中常用传感器的工作原理、性能特点;
针对不同的被测信号能合理地选择和使用传感器;
掌握常用传感器的调节电路、工程设计方法和实验研究方法;
了解和掌握常用医用传感器是如何感知生物体内各种生理的信息,以及信息的电传输方式,以直观的方式让学生学习医用传感器的工作原理、工作过程及其特性,为学生从事医疗仪器设备的研究和开发打下基础。
本实验指导书共分两部分,首先对于所使用的实验仪器传感器实验系统进行必要的介绍,然后详述各个实验单元。
实验项目的设置考虑了多方面因素,尽量求得内容丰富,形式多样,包括了演示性实验、操作性实验、验证性实验、综合性实验、设计性实验、研究创新性实验。
各个试验包括了实验目的、原理、需用器件与单元、实验步骤和思考题五个部分。
实验通过各个部分的配合使得同学们能够在完成实验的同时,调动同学们积极的思维。
编者已尽力避免缺点和错误,但由于书中设计工程、物理、数学和医学等多方面知识,编者水平尚有限,诚恳希望同学们在使用过程中及时给于指正。
编者2011年2月
实验系统简介
《医用传感器》课程的实验教学是基于CSY-2000D型传感器检测技术实验台和CSY2001D传感器实验仪进行的。
CSY-2000D型传感器检测技术实验台采用的大部分传感器虽然是教学传感器(透明结构便于教学),但其结构与线路是工业应用的基础。
1、CSY-2000D型传感器检测技术实验台包括以下几个部分。
1)主机箱:
提供直流稳压电源:
±
15V、±
5V、+5V、±
2V~±
10V步进可调、0V~+24V连续可调;
恒流源0-20mA连续可调;
音频振荡器1KHz~10KHz连续可调;
低频振荡器1Hz~30Hz连续可调;
智能调节器可调节温度和转速;
数据采集通讯接口实现与计算机的数据传输;
电压表200mV、2V、20V三档;
电流表20uA、200uA、20mA、200mA四档;
照度表;
频率/转速表;
气压表;
气压源0~20Kpa连续可调;
过载保护功能,故障灯点亮提示,排除接线错误之后按复位按钮或者重新开机可以恢复正常工作;
主机箱右侧面装有供电电源插板及漏电保护开关。
2)振动源:
谐振频率9Hz~12Hz左右。
3)转动源:
手动控制0~2400转/分、自动控制300~2200转/分。
4)温度源:
常温~200℃。
5)实验模板:
应变模板(电桥及可调平衡网络、差动放大器、电压放大器)、电容模板(电荷放大器、电容变换器);
差动电感模板(差动放大器、电压放大器);
电涡流变换器;
光电变换器;
温度模板(温度变换器、差动放大器、电压放大器);
移相模板(移相器、相敏检波器、低通滤波器)等,实验电路原理图已印刷在实验模板上。
6)传感器:
箔式应变片传感器(350Ω)、扩散硅压力传感器(20Kpa)、差动变压器(±
4mm)、电容式位移传感器(±
2.5mm)、霍尔式位移传感器(±
1mm)、霍尔式转速传感器(2400转/分)、磁电转速传感器(250转/分~2400转/分)、压电式传感器、电涡流传感器(1mm)、光纤位移传感器(1mm)、光电转速传感器(2400转/分)、集成温度(AD590)传感器(室温~150℃)、K热电偶(室温~180℃)、E热电偶(室温~180℃)、Pt100铂电阻(室温~180℃)、Cu50铜电阻(室温~100℃)。
7)其它器件:
螺旋测微器;
托盘;
砝码。
2、使用方法
1)开机前将电压表显示选择旋钮打到2V档;
电流表显示选择旋钮打到200mA档;
步进可调直流稳压电源旋钮打到±
2V档;
其余旋钮都打到中间位置。
2)将AC220V电源线插头插入市电插座中,合上电源开关,数显表显示0000,表示实验台已接通电源。
3)做每个实验前应先阅读实验指南,每个实验均应在断开电源的状态下连接线,接入直流电源时,应首先调到实验值,之后再接到线路中去,检查无误后方可打开电源开关。
4)若需使用智能调节器,则打开调节器电源开关,在参数及状态设置好的情况下,调节仪的PV显示测量值;
SV显示给定值。
5)若需使用气源,则合上气源开关,气泵有声响,说明气泵工作正常。
3、仪器维护及故障排除
1)维护:
防止硬物撞击、划伤实验台面;
防止传感器及实验模板跌落地面损坏;
实验完毕要将传感器、配件、实验模板及连线全部整理好。
2)故障排除:
开机后各数显表都无显示,应查AC220V电源有否接通;
主控箱侧面AC220V插座中的保险丝是否烧断。
如都正常,则更换主控箱中主机电源。
转动源不工作,则接入电压源12V(0—24V可调),如仍不工作,则更换转动源;
如工作正常,应查调节仪设置是否准确;
控制输出Vo有无电压(将可调24V电源调节到电机相应的工作电压情况下),如无电压,更换主控箱中的转速控制板。
否则更换智能调节仪。
振动源不工作,检查主控箱面板上的低频振荡器有无输出(调节较大幅度后调节频率),如无输出,更换信号板;
如有输出,更换振动源的振荡线圈。
温度源不工作,检查温度源电源开关有否打开;
温度源的保险丝是否烧断;
调节仪设置是否准确。
如都正常,则更换温度源。
4、注意事项
1)在实验前务必详细阅读实验指南。
2)严禁用酒精、有机溶剂或其它具有腐蚀性溶液擦洗主控箱的面板和实验模板面板。
3)严禁将主控箱的电源、信号源输出端与地(⊥)短接,因短接时间长易造成电路故障。
4)严禁将主控箱的±
电源引入实验模板时接错。
5)在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
6)实验完毕后,请将传感器及实验模板放回原处。
7)如果实验台长期未通电使用,在实验前先通电十分钟预热,再检查按一次漏电保护按钮是否有效。
CSY2001D传感器实验仪是基于浙江大学研制的CSY2001D传感器实验仪开展的,其从原理上模拟人体监护仪器的工作过程,是各种常规病人生理信号监护仪的原理性近似体现,体现了生理信号的电特性。
CSY2001D系统由主实验箱、Labjack采集装置、夹式心电电极、指套式脉搏传感器、呼吸流量传感器、心音传感、血压测量套件、温度传感器组成。
【实验1】电阻应变片传感器性能实验
1、实验目的:
1、了解金属箔式应变片的应变效应;
2、比较单臂、半桥、全桥的不同性能,了解其灵敏度和非线性度的特点。
2、基本原理:
在众多的传感器中,有一大类是通过电阻参数的变化来实现非电量测量目的的,它们统称为电阻式传感器。
由于各种电阻材料受被测量(如位移、应变、压力、温度、加速度等)作用转换成电阻参数变化的机理各不相同,因而电阻式传感器种类多,应用范围广,其中最常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器,它是一种力敏传感器。
1、应变片的结构。
利用导电丝材料的电阻应变效应,可制成测量试件表面应变的敏感元件。
为在尺寸范围内敏感元件有较大的应变输出,通常把应变丝做成栅状的应变敏感元件,简称为应变片。
应变片结构形式很多,但主要组成部分基本相同,见图11。
图11电阻丝式应变片的结构
1-敏感栅;
2-覆盖层;
3-引出线;
4-基底
(1)敏感元件。
它的作用是感受试件的变形,并将机械应变转换成电阻变化。
用金属电阻丝(或箔)制成的敏感元件称敏感栅。
它通常是用金属丝绕成栅状,或金属箔腐蚀成栅状。
敏感元件的电阻值一般在100Ω以上。
(2)基底和覆盖层。
作用是固定和保护敏感元件;
当应变片粘贴在试件上后,与粘贴剂一起把试件的变形传给敏感元件;
使敏感元件与试件绝缘。
基底很薄,一般为0.02~0.04mm。
(3)引出线。
它起着敏感元件与测量电路之间的过渡和引导作用。
通常取直径约0.10~0.15mm的低阻镀锡铜线或银线。
(4)粘结剂。
用它分别把盖层和敏感元件固结于基底;
在使用时,用它把应变片基底粘贴在试件表面的被测部位。
图12,图13是金属箔式和半导体式两种典型敏感元件结构型式及其组成。
图12箔式应变片
图13半导体应变片
1-基底;
2-单晶硅条;
3-内引线;
4-焊接电极;
5-外引线
2、应变电桥的非线性。
当
时,电桥的输出电压与应变片的电阻变化率
成线性关系。
但对半导体应变片,由于K值很大,
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