电子设计毕业设计-压电式压力传感器的静态标定试验指导书-

实验指导书实验指导书 压电式压力传感器的压电式压力传感器的静态 静态标定 标定 一、实验目的一、实验目的 1、熟悉记忆示波器和电荷放大器使用方法； 2、用活塞式压力计标定传感器的电荷灵敏度系数； 二、实验所涉及的一些基本原理二、实验所涉及的一些基本原理 1 1、理想数学模型、理想数学模型 准静态载荷（输入信号特征频率远低于传感器固有频率） 输入（压力）和 输出（电荷）近似成线性关系石英压力传感器的线性度较好； 动态载荷（输入信号特征频率接近甚至高于传感器固有频率） 二阶线性系 统模型。 2 2、真实情况和数学模型之间的偏差、真实情况和数学模型之间的偏差 电荷泄漏理想模型认为传感器绝缘电阻为无穷大，而真实传感器的绝缘电 阻并非无穷大（石英晶体1013ΩΩ；压电陶瓷1010ΩΩ） ，必将导致一定程度的电 荷泄漏；另一方面，电荷放大器为了对传感器的微弱信号进行放大，必然要从传 感器中取一定电流，从而增加了传感器电荷的泄漏。所以通常的电荷放大器的输 入级都具有极高的输入阻抗， 并要求设备防潮， 以避免由于受潮带来的阻抗下降。 但是， 由于外加压力而产生的电荷量很少，即使少量的电荷泄漏也会对输出信号 造成明显的影响，该影响不可忽略。 电荷放大器的频率响应对于静标试验，输入载荷的特征频率很低，故对二 次仪表 （电荷放大器） 的低频响应有较高的要求， 否则经过二次仪表的高通滤波， 信号将会失真,因此，电荷放大器做定标时，要将下限频率调到较低的数值。 噪声由于本实验采用的传感器量程很大（100 bar ～ 300 bar） ，而实际载 荷只有数个大气压，必然导致得到的信号信噪比较低。但实验表明，以如此小的 压力加载，输出信号的噪声幅值依然较小，可以接受。 Ut 忽略电荷泄漏的理想输出信号 （考虑阀门开启时间） 受到电荷泄漏影响的输出信号 （考虑阀门开启时间） t 图 1. 电荷泄漏对传感器输出的影响（示意图） 三、测试仪器设备三、测试仪器设备 1 记忆示波器 1 台（TDS210） ； 2 电荷放大器 YE5850 一台； 3 活塞式压力计 1 台； 4 石英压力传感器 CY-YD-205 1只。 三、实验要求三、实验要求 1. 熟悉记忆示波器，看清各个调节旋钮的位置,对照说明书了解 （1）调节电压量程、时间量程方法； （2）触发方式、触发电平，触发位置等的设置方法； 3 用光标读取电压、时间值的方法； （4）用 TDS-210 数据处理程序采集数据的方法。 以上方法的要点将在下面的实验步骤中说明. 2 熟悉电荷放大器，看清面板上各种按钮的位置 （1）灵敏度设置、输出设置方法； （2）下限、上限频率设置方法。 以上方法的要点将在下面的试验步骤中说明。 3 熟悉活塞式压力计 （1）打开油杯阀门，向外旋转活塞把油吸入活塞，关闭油杯阀门，向右旋 转活塞手轮，压力表显示已加载压力。 （2）用砝码可以更精确表示压力。关闭压力表处的阀门，打开连接砝码盘 的阀门，在砝码盘上加砝码，关闭油杯阀门。向右旋转活塞手轮，砝 码盘抬起（注意不要与上方金属环接触） 。改变砝码重量，即可改变 加载压力。 （3）突然打开油杯阀门，接通大气。此时传感器上卸载。 活塞 油杯 砝码 砝 压力表传感器 四、四、 实验步骤实验步骤 （1） 打开示波器电源开关开关在示波器上表面，将电荷放大器YE5850 的 开关档置于“复位” ，将放大器地线良好接地，然后打开放大器的电源 开关开关在背面面板上。 （2） 将传感器电缆接到放大器电荷输入端，放大器输出电缆接到示波器2 通道输入端。 3 放大器灵敏度档置于 10.0 pc/unit即将灵敏度左边档置于 10，中间和右 边档置于 0，输出置于 10 mv/unit， 下限频率置于 L 档此时下限频率 小于 0.0001HZ，上限频率置于 0.3kHz，输入端选择电荷输入。 注意将放大器的灵敏度设置在 1-10.99pc/unit 时， 调节下方的10档置于下 方，面板上的左边小数点亮。 4 旋转示波器 2 通道的垂直电压调节旋钮，将垂直标尺定在 20mv/div，旋 转水平位置的秒/刻度旋钮，将水平标尺主时基定在 500ms/div.按 下”TRIGGER”钮，显示区右边会显示触发菜单，将触发类型选在边沿触发， 触发方式选在单次触发，信源选ch2，耦合方式选交流，斜率选下降沿，然后 按下“HORIZONTAL”钮，在菜单中选择电平，旋转“电平”旋钮,设置触发 电平。 注意触发电平一般选在所测电压峰-峰值的一半左右， 基本原则是保证噪 声不会引起触发，信号能够引起触发。这里给出一个参考值当加压至 3 千克力 / 平方厘米时，触发电平可设置在 20mv 左右。 5 在活塞式压力计上对传感器加载后，将放大器置到“工作” ，将示波器面 板右上端“执行/停止”按下，当显示区上方中间显示位“Ready” ，快速打开 油杯阀门，使示波器触发。 注意，试验者可能由于触发电平设置太低、而使噪声引起触发，或者设 置过高，使得信号不能触发。另外，在每次测量后，将放大器置于“复位” ，使 里面的残余电荷放掉。 （6）用光标读出电压值。按下菜单栏里的“ CURSOR”钮，显示区将显示 光标的菜单，类型选择“电压” ，信源选ch2，用垂直处的波形位移钮移动光标 1 和光标 2，菜单栏里的增量处，将显示两光标间的电压差值。由此读出触发前后 的电压差。 注意，如果发现显示区波形被截断，需要调大垂直标尺，重新测量。 用下列公式计算出电荷量 电荷量（pc）  实际电压（mv） 灵敏度（10pc/unit） 实际输出（10mv/unit） （7）改变砝码重量，从 0.7 千克力/平方厘米开始，每次增加 0.5 千克力/平 方厘米，直到砝码总压达到 5 千克力/平方厘米时，重复上述试验过程。 注意，活塞式压力计底盘重 0.4 千克力/平方厘米，不要漏掉。另外， 由于噪声的影响，使得最小压力值受到限制，试验者可以试着把可以测量的最 小压力值找出来，这里的 0.7 千克力/平方厘米，只是一个参考值。 用所得数据绘制电荷量 pc – 压力 bar 曲线，并用最小二乘法求出灵敏 度系数。1kgf/cm2＝0.98 bar。 五、数据处理五、数据处理 1、 计算传感器的电荷灵敏度。 将实验数据和计算后的数据整理如下。 砝码Kgf / cm2 ** 压力bar电压mv电荷量pc ** 1 ** 2 ** 3 ** 4 ** 5 2、用以上数据绘制电荷量-压力曲线； 3、用最小二乘法拟合后得直线方程 y mx n 式中 m 即为石英传感器的电荷灵敏度pc / bar。 六、讨论和实验结论六、讨论和实验结论 对实验中的各种问题进行讨论，欢迎对实验内容和方法提出改进意见。