实验报告：压电晶体传感器的标定.doc

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1、实验实验指指导书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、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、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

2、器的绝缘电阻并非无穷大（石英晶体：1013；压电陶瓷：1010） ，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

3、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。tU(t)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）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

4、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

5、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。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

6、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，调节下方的档置于10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，触油杯砝码 传感器砝码压力表活塞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

7、“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

8、”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：）实际输出（）灵敏度（）实际电压（）电荷量（unitmvunitpcmvpc/10/10（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

9、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/cm20.98 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)0.70.811.522.533.544.552、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。