【正文】 59四、醫(yī)用傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1 應(yīng)變片傳感器實(shí)驗(yàn)(單臂電橋)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私饨饘俨綉?yīng)變片，單臂單橋的工作原理和工作情況。實(shí)驗(yàn)原理：本實(shí)驗(yàn)說明箔式應(yīng)變片傳感器以及單臂直流電橋電源的原理和工作情況。 應(yīng)變片是最常用的測力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測試時(shí)，應(yīng)變片要牢固地粘貼在測試體表面，當(dāng)測試件受力發(fā)生變形，應(yīng)變片的敏感柵隨同變形，其電阻也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，通過測量電路，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。 電橋電路是最常用的非電量電測電路中的一種，當(dāng)電橋平衡時(shí)，橋路對(duì)臂電阻的乘積相等，電橋輸出為零，在橋臂四個(gè)電阻R1，R2，R3，R4中，電阻的相對(duì)變化率分別為ΔR1/RΔR2/RΔR3/RΔR4/R4，當(dāng)使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí)，ΣR=ΔR/R ，當(dāng)兩個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作，則有ΣR=2ΔR/R，當(dāng)用四個(gè)應(yīng)變片組成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)工作，則有R1=R2=R3=R4=R ，Σ4ΔR/R，由此可知，單臂、半橋、全橋電路的靈敏度依次增大。所需單元及部件：直流穩(wěn)壓電源、電橋、差動(dòng)放大器、雙平行梁、測微頭、一片應(yīng)變片、F/V表、主、副電源。旋鈕初始位置：直流穩(wěn)壓電源打倒177。2V檔，F(xiàn)/V表打到2V檔，差動(dòng)放大增益旋鈕調(diào)到最大。實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 了解所需單元、部件在實(shí)驗(yàn)儀上的所在位置，觀察雙平行梁上的應(yīng)變片，應(yīng)變片為棕色襯底箔式結(jié)構(gòu)小方薄片。上下二片梁的外表面各貼二片受力應(yīng)變片和一片補(bǔ)償應(yīng)變片，測微頭在雙平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右調(diào)節(jié)。(2) 將差動(dòng)放大器調(diào)零：用連線將差動(dòng)放大器的正（＋）、負(fù)（－）、地端短接（互連）。將差動(dòng)放大器的輸出端與F／V表的輸入插口Vi 相連；開啟主、副電源；調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器的增益到最大位置，然后調(diào)整差動(dòng)放大器的調(diào)零旋鈕使F／V表顯示為零，關(guān)閉主、副電源。(3) 根據(jù)圖１接線，其中RRR3為電橋單元的固定電阻，RX=R4為應(yīng)變片 （空白虛線電阻為空，既無元件）。將穩(wěn)壓電源的切換開關(guān)置177。4V檔，F(xiàn)／V表置20V檔。調(diào)節(jié)測微頭脫離雙平行梁（往上旋轉(zhuǎn)到離開）。開啟主、副電源，調(diào)節(jié)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)中的W1，使F／V表顯示為零，然后將F／V表置2V檔，再調(diào)節(jié)電橋W1旋鈕（慢慢地調(diào)），使F／V表顯示為零。 （4）將測微頭轉(zhuǎn)動(dòng)到約10mm刻度附近，安裝到雙平行梁的自由端（與自由端磁鋼剛吸合），旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)測微頭支柱的高度（梁的自由端即右端跟隨變化）使F／V表電位差示數(shù)最小，再旋動(dòng)測微頭，使F／V表顯示為零（細(xì)調(diào)零，F(xiàn)／V表要置2V檔），這時(shí)的測微頭刻度起點(diǎn)應(yīng)為零位的相應(yīng)刻度。（5）——往下或往上旋動(dòng)測微頭，使梁的自由端產(chǎn)生位移，記下F／V表顯示的電位差數(shù)值。建議每旋動(dòng)測微頭一周即ΔX＝（旋轉(zhuǎn)1周），記錄一個(gè)數(shù)值填入下表：（測微尺的讀數(shù)：垂直刻度，每小格1mm,水平旋轉(zhuǎn)刻度，,旋轉(zhuǎn)1周=50小格=,旋轉(zhuǎn)2周=1mm）位移（mm）電壓（mv）（6） 據(jù)所得結(jié)果計(jì)算靈敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX為梁的自由端位移變化，ΔV為相應(yīng)F／V表顯示的電位差的相應(yīng)變化值）。（7） 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉主、副電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)到初始位置。注意事項(xiàng)：(1) 電橋上端虛線所示的四個(gè)電阻實(shí)際上并不存在，僅作為一標(biāo)記，讓接線時(shí)組橋容易。(2) 做此實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)將低頻振蕩器的幅度關(guān)至最小，以減小其對(duì)直流電橋的影響。思考題：(1) 本實(shí)驗(yàn)電路對(duì)直流穩(wěn)壓電源和對(duì)放大器有何要求？ 應(yīng)變片的單臂、半橋、全橋比較實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證單臂、半橋、全橋的性能及相互之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)原理：說明實(shí)際使用的應(yīng)變電橋的性能和原理。已知單臂、半橋和全橋電路的ΣR分別為：ΣR=ΔR/R 、ΣR=2ΔR/R、Σ=4ΔR/R，根據(jù)戴維南定理可以得出測試電橋的輸出電壓近似等于1/4EΣR，電橋靈敏度KU=V/ΔR/R，于是，對(duì)應(yīng)單臂、半橋和全橋電路的電壓靈敏度分別為1/4E、1/2E和E。由此可知，當(dāng)E和電阻相對(duì)變化一定時(shí)，電橋及電壓靈敏度與各橋臂阻值的大小無關(guān)。所需單元和部件：直流穩(wěn)壓電源、差動(dòng)放大器、電橋、F／V表、測微頭、雙平行梁、應(yīng)變片、主、副電源。有關(guān)旋鈕的初始位置：直流穩(wěn)壓電源打到177。2V檔，F(xiàn)／V表打到2V檔，差動(dòng)放大器增益打到最大。實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 。位移（mm）電壓（mv）(2) 保持差動(dòng)放大器增益不變， ，即取二片受力方向不同的應(yīng)變片形成半橋，調(diào)節(jié)測微頭使梁處于水平位置（目測），調(diào)節(jié)電橋W1使F／V表顯示初始測量電位差為零，（3）往下或往上旋動(dòng)測微頭，使梁的自由端產(chǎn)生位移，記下F／V表顯示的電位差數(shù)值。建議每旋動(dòng)測微頭一周即ΔX＝（旋轉(zhuǎn)1周），記錄一次位移以及電位差數(shù)值填入下表，填入下表：位移（mm）電壓（mv） (3) 保持差動(dòng)放大器增益不變，R2兩個(gè)固定電阻換成另兩片受力應(yīng)變片，（即R1換成 ，R2換成 ，組橋時(shí)只要掌握對(duì)臂應(yīng)變片的受力方向相同，即R1,R3或R2,R4箭頭符號(hào)同向上或同向下，鄰臂應(yīng)變片的受力方向相反，即R1,R2或R3,R4箭頭符號(hào)反向即可，否則輸出相互抵消沒有電位差），接成一個(gè)直流全電橋，調(diào)節(jié)測微頭使梁到水平位置，調(diào)節(jié)電橋W1同樣使F／V表顯示零。重復(fù)（3）過程將讀出數(shù)據(jù)填入下表：位移（mm）電壓（mv）(7) 在上頁空白處以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告中用同一坐標(biāo)上描出XV曲線，比較三種接法的靈敏度。注意事項(xiàng)：(1) 在更換應(yīng)變片時(shí)應(yīng)將電源關(guān)閉。(2) 在實(shí)驗(yàn)過程中如有發(fā)現(xiàn)電壓表發(fā)生過載，應(yīng)將電壓量程擴(kuò)大。(3) 在本實(shí)驗(yàn)中只能將放大器接成差動(dòng)形式，否則系統(tǒng)不能正常工作。(4) 直流穩(wěn)壓電源177。4V不能打得過大，以免損壞應(yīng)變片或造成嚴(yán)重自熱效應(yīng)。(1) 接全橋時(shí)請(qǐng)注意區(qū)別各片子的工作狀態(tài)方向。 應(yīng)變片傳感器的溫度效應(yīng)及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉁囟葘?duì)應(yīng)變測試系統(tǒng)的影響。實(shí)驗(yàn)原理：溫度變化引起的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化的原因是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)及電阻絲在測試中膨脹系數(shù)不同，由此引起測試系統(tǒng)輸出電壓發(fā)生變化。用補(bǔ)償片法是應(yīng)變電橋溫度補(bǔ)償方法中的一種，（）。若電橋中R4為工作片 或 ，R3為補(bǔ)償片 或 ，當(dāng)R4=R3時(shí)（工作片與補(bǔ)償片材料性質(zhì)一樣，但貼放在橫梁位置相差90度角）。溫度升降變化時(shí)，兩應(yīng)變片的電阻變化量（因材料相同，R4與ΔR3變化量）相等，橋路如原來是平衡的，則溫度變化后，R1R4=R2R3（即等式兩端的R4與R3等量變化，電橋仍滿足平衡條件，無漂移電壓輸出，由于補(bǔ)償片所貼位置與工作片成90度角，與橫梁垂直，所以補(bǔ)償片只感受溫度變化，而不感受懸臂梁的應(yīng)力變化。 所需單元和部件：可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、－15V不可調(diào)直流穩(wěn)電源、電橋、差動(dòng)放大器、F／V表、測微頭、加熱器、雙平行梁、溫度計(jì)、主、副電源。 有關(guān)旋鈕的初始位置：主、副電源關(guān)閉、直流穩(wěn)壓電源置177。4V檔，F(xiàn)／V表置20V檔，差動(dòng)放大器增益旋鈕置最大。實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 了解加熱器在實(shí)驗(yàn)儀所在的位置及加熱符號(hào)，加熱器封裝在雙平行的上片梁與下片梁之間，結(jié)構(gòu)為電阻絲。（2） 將差動(dòng)放大器的（＋）、（－）輸入端與地短接，輸出端插口與F／V表的輸入插口Vi相連。（3） 開啟主、副電源，調(diào)節(jié)差放零點(diǎn)旋鈕，使F／V表顯示零。再把F／V表的切換開關(guān)置2V檔，細(xì)調(diào)差放零點(diǎn)，使F／V表顯示零。關(guān)閉主、副電源，F(xiàn)／V表的切換開關(guān)置20V檔，拆去差動(dòng)放大器輸入端的連線。（4） ，開啟主副電源，調(diào)電橋平衡網(wǎng)絡(luò)的W1電位器，使F／V表顯示值為零，然后將F／V表的切換開關(guān)置2V檔,調(diào)W1電位器，使F／V表顯示值為零。（5） 在雙平行梁的自由端（可動(dòng)端）裝上測微頭，并調(diào)節(jié)測微頭，使F／V表顯示值為零。（6） 將－15V電源連到加熱器（面板上找相應(yīng)的文字與符號(hào)）的一端插口，加熱器另一端插口接地，觀察無溫度補(bǔ)償片工作時(shí)溫升對(duì)單臂應(yīng)變片的影響。可看到F／V表的顯示在隨著溫度上升而變化，溫度穩(wěn)定后，即F／V表顯示電位差值穩(wěn)定后，記下顯示數(shù)值，并用溫度計(jì)測出溫度，記下溫度值。（注意：溫度計(jì)探頭不要觸在應(yīng)變片上，只要觸及應(yīng)變片附近的梁體即可）。關(guān)閉主、副電源，等待數(shù)分鐘使梁體冷卻到室溫。（7） 將F／V表的切換開關(guān)置20V檔，把圖中的R3換成 應(yīng)變片補(bǔ)償片，重復(fù)（4）到（6）的過程。（8） 比較二種情況的F／V表數(shù)值：可以看出，在相同溫度下，補(bǔ)償后的數(shù)值小很多。（9） 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉主、副電源，所有旋鈕轉(zhuǎn)至初始位置， 思考題：為什么不能完全補(bǔ)償。 提示：從補(bǔ)償應(yīng)變片和受力應(yīng)變片所貼的位置點(diǎn)，梁的溫度梯度考慮。實(shí)驗(yàn)2 差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn) 2 .1 差動(dòng)變面積式電容傳感器的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私獠顒?dòng)變面積式電容傳感器的原理及其特性。實(shí)驗(yàn)原理：電容式傳感器有多種形式，本儀器為差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝在振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片，上下改變位置時(shí)，與兩組靜片之間的重疊面積發(fā)生變化，極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化，成為差動(dòng)電容。如果將上層定片與動(dòng)片形成的電容定位CX1，下層定片與動(dòng)片形成的電容定位CX2，當(dāng)CX1與CX2接入橋路作為相鄰兩臂時(shí)，橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān)，即與振動(dòng)平臺(tái)的位移有關(guān)。所需單元及部件：電容傳感器、電壓放大器、低通濾波器、Ｆ／V表、激振器、示波器。有關(guān)旋鈕的初始位置：放大器幅度旋鈕置于中間，直流穩(wěn)壓電源置于２Ｖ檔，實(shí)驗(yàn)步驟：（１） ?！　　　　　　　　　　　　　　　　　。ǎ玻?F／V表打到2V，調(diào)節(jié)高竿測微頭下端緊貼震動(dòng)平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)測微頭使輸出值為零。（３） 正向轉(zhuǎn)動(dòng)測微頭,（旋轉(zhuǎn)1周），記下此時(shí)測微頭的讀數(shù)及電壓表的正向讀數(shù)，直至電容動(dòng)片與靜片復(fù)蓋面積最大（既輸出電壓正向最大值）為止。X(mm)正向位移V(mv)正向輸出退回測微頭至初始位置。并開始以相反方向旋動(dòng)。同上法，記下反向X(mm)及 V(mv)值。X(mm)反向位移V(mv)反向輸出（４） 計(jì)算系統(tǒng)靈敏度Ｓ。Ｓ＝ΔＶ／ΔＸ（式中ΔＶ為電壓變化，ΔＸ為相應(yīng)的梁端位移變化），并在標(biāo)下面作出Ｖ－Ｘ關(guān)系曲線。 2 .2 差動(dòng)變面積式電容傳感器的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，手動(dòng)分離震動(dòng)平臺(tái)與高竿測微頭，斷開電壓表，關(guān)閉主電源。（１） 檢查電容傳感器動(dòng)片與靜片無碰片后，接通低頻激振器（頻率設(shè)置115Hz）， 幅度旋鈕置中，激振器VO接面板上1組激振線圈的上端，該組的激振線圈下端接地，使震動(dòng)平臺(tái)上的差動(dòng)變面積式電容傳感器的動(dòng)片組產(chǎn)生大幅度的震動(dòng)。（２） 打開主副電源，開啟示波器，記下低通濾波器的輸入（高頻200KHz+低頻（〈50Hz混頻）及輸出（低頻50Hz）波形和頻率。（３） 繪出示波器上的差動(dòng)變面積式電容傳感器動(dòng)態(tài)圖形（輸入/輸出）。實(shí)驗(yàn)3 熱電偶、熱敏電阻、熱釋電傳感器實(shí)驗(yàn) 3 .1 熱電偶傳感器原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模毫私鉄犭娕嫉脑砑艾F(xiàn)象實(shí)驗(yàn)原理：熱電偶的基本工作原理是熱電效應(yīng)，兩種不同的導(dǎo)體互相焊接成閉合回路時(shí)，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這一現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng)，產(chǎn)生電流的電動(dòng)勢叫做熱電勢。通常把兩種不同導(dǎo)體的這種組合稱為熱電偶。即熱端冷端的溫度不同時(shí)，通過測量此電動(dòng)勢即可知道兩端的溫差。如固定某一端溫度（一般固定冷端為室溫或零攝氏度），則另一端的溫度就可知，從而實(shí)現(xiàn)溫度的測量。本儀器中的熱電偶類型為銅康銅熱電偶。 所需單元及附件：－15V不可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、差動(dòng)放大器、F／V表、加熱器、熱電偶、水銀溫度計(jì)（自備）、主副電源旋鈕初始位置：F／V表切換開關(guān)置2V檔，差動(dòng)放大器增益最大。實(shí)驗(yàn)步驟：（1） 了解熱電偶原理：具體熱電偶原理可參考教課書。（2） 了解熱電偶在實(shí)驗(yàn)儀上的位置及符號(hào)，實(shí)驗(yàn)儀所配的熱電偶是由銅康銅組成的簡易熱電偶，分度號(hào)為T。實(shí)驗(yàn)儀有二個(gè)熱電偶，它封裝在雙平行梁的上片梁的上表面（在梁表面中間二根細(xì)金屬絲焊成的一點(diǎn)，就是熱電偶）和下片梁的下表面，二個(gè)熱電偶串聯(lián)在一起產(chǎn)生熱電勢為二者的總和。（3） 、開啟主、副電源，調(diào)節(jié)差動(dòng)放大器調(diào)零旋鈕，使F／V表顯示零值，記錄下自備溫度計(jì)的室溫。（4）將－15V直流電源接入加熱器的一端，加熱器的另一端接地，觀察F／V表顯示值的變化，待顯示值穩(wěn)定不變時(shí)記錄下F／V表顯示的讀數(shù)E。（5）用自備的溫度計(jì)測出上梁表面熱電偶處的溫度t并記錄下來。（注意：溫度計(jì)的測溫探頭不要觸到應(yīng)變片，只要觸及熱電偶處附近的梁體即可）。（6）根據(jù)熱電偶的熱電勢與溫度之間的關(guān)系式：Eab(t,to)=Eab(t,tn)+Eab(tn,to)其中：t 熱電偶的熱端（工作端或稱測溫端）溫度。 tn熱電偶的冷端（自由端即熱電勢輸出端）溫度也就是室溫。 to0℃(tn=t0)1． 熱端溫度為t,冷端溫度為室溫時(shí)熱電勢。Eab(t,tn)=(Ｆ/Ｖ顯示數(shù)值E)/100*2(100為差動(dòng)放大器的放大倍數(shù)，2為二個(gè)熱電偶串聯(lián))。2． 熱端溫度為室溫，冷端溫度為0℃，銅－康銅的熱電勢：Eab(tn,to):查以下所附的熱電偶自由端為0℃時(shí)的熱電勢和溫度的關(guān)系即銅－康銅熱電偶分度表，得到室溫（溫度計(jì)測得）時(shí)熱電勢。3． 計(jì)算：熱端溫度為t，冷端溫度為0℃時(shí)的熱電勢，Eab(t,to),根據(jù)計(jì)算結(jié)果，查分度表