生物傳感器--設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)北京聯(lián)合大學實驗報告課程（項目）名稱： 生物醫(yī)用傳感器 學 院： 信息學院 專 業(yè)： 電子信息科學與技術 班 級： 2 學 號： 04 05 姓 名： 馮毅 吳夢迪 成 績： 2013年6月7日第一章 應變式傳感器實驗第一節(jié) 實驗目的1.1 使學生了解應變計原理1.2 使學生了解Load Cell 結構1.3 使學生了解Load Cell 特性1.4 使學生了解Load Cell 轉換電路的原理1.5 使學生了解Load Cell 的應用第二節(jié) 實驗電路原理說明Load

2、 Cell 利用應變計和橋式電路組合成，當其受到了拉力或壓力時，將產(chǎn)生與作用力成正比的電壓輸出。圖1-6 是Load Cell 轉換電路，其輸出的轉換率為10mV/g。本實驗所采用的Load Cell 規(guī)格為500g，輸出率為2mV10%，即在5V 的激勵電壓下，在荷重500g 下有2mV10%的電壓輸出，所以Load Cell本身的輸出轉換率為(4mV10%)/Kg。圖1-6 中U1，U2 和U3 組成了一般常用的儀器放大器，其電壓增益為2R2/(R1+VR1)【當R2=R3 時】。要使得整個轉換電路的輸出為10mV/g，則儀器放大器必須有2500 倍的增益(4mV/kg x 2500 =1

3、0mV/g)。因Load Cell 在無荷重下輸出電壓并不為零，且輸出轉換率為4mV/kg并不準確，前者可在儀器放大器加上抵補電壓使其歸零。而后者可調(diào)整到VR1，改變儀器放大器的增益，使得轉換電路的輸出保持在10mV/g。調(diào)整VR2 可使得R14 的電壓從+1.2V-1.2V，使得整個轉換電路在無荷重下輸出為零。圖1-6 應變計轉換電路第三節(jié) 實驗儀器設備4.1 數(shù)位式電表(DMM)4.2 KH-700 主實驗器4.3 KH-73001 實驗模板4.4 砝碼一組(1kg)(選購)第四節(jié) 實驗步驟與記錄5.1 Load cell 特性與轉換電路實驗1.將KH-73001實驗模板放在實驗臺上，取出

4、KH78001負載單元備用。2.使用盒式排針線連接KH71001供電模塊與模組供電接口。使用標準USB-B jack連接線連接KH78001負載單元中應變式壓力傳感器輸出接口與KH73001對應傳感器接口。3使用KH71003中工控表 1連接模組輸出（工控表1中COM-接模組輸出GND；V/A+接入被測信號），測量J1測試點（零點補償電壓）并并調(diào)整VR1，使傳感器輸出在無負重下，Vout 的電壓為0.24V（補償托盤自重導致的測量數(shù)值偏移）4.測量Vout 的輸出電壓，并調(diào)整VR2，使傳感器輸出在無負重下，Vout 的電壓為0 V。5.以100g的砝碼放在盛物盤上，并調(diào)整VR1 使Vout 的

5、電壓為1V，此時，轉換電路的輸出轉換率為1V/100g。6.依照表1-2 所列的重量，將砝碼組合后，放在Load Cell 上，利用工控表 測量Vout 的電壓 , 并記錄到表中。砝碼重（g）1020304050100150200Vout電壓（V）0.290.340.390.440.490.74 0.991.24第二章 氣壓傳感器實驗第一節(jié) 實驗目的本實驗在于了解氣體傳感器的特性及利用氣體傳感器來檢知出所要測氣壓的壓力，且與設定值比較來控制警報器的動作。第二節(jié) 實驗電路原理說明壓電電阻效應壓力感測能提供一個隨著外在壓力的大小產(chǎn)生電壓的輸出。此裝置乃是利用離子，注入電阻方式到積體的硅振動板上，把

6、壓力轉成電壓的輸出。圖2-15 為本實驗所用感測等效電路及外觀。圖2-15 等效電路及外觀為了更進一步的了解壓力傳感器，我們有必要詳細的解釋一些專用名詞：絕對壓力(absolute pressure)：在真空中所量測的壓力(磅每平方英吋絕(psia)通常我們所看到的氣壓計就是)。差壓(Differential pressure)：兩個壓力源所量得的差值稱為差壓。磅每平方英吋差(psid)。當壓力源是完全真空，差壓稱之為絕對壓力。Kpa：1.0Kpa(Kilopascal)等于0.145psi(pound per square inch)。真空(Vacuum)：完全真空是氣態(tài)的氣體。3.1 SP

7、X 電氣特性及裝置考慮傳感器組件(SPX 50D)設計成容易固定在底殼及房子上，也可焊在O-環(huán)(O-Ring)襯墊，或RTV。在絕對壓力和計量壓力的應用上,壓力源需加在本裝置的上端。圖2-16(b)在差壓應用傳感器P1 端常加高壓端口(high pressure port)，P2 端接低壓端口(low pressure port)。在很多的應用中，這顆SPX 組件有很快的反應速度，典型的P1 值為0.06cm3，P2值為0.001cm3。圖2-16 SPX切面(a)及結構（b）本包裝方式有兩個可用的壓力連接管。絕對壓力的裝置P1 端口動作，應用壓力經(jīng)由另一端口，將導致壓力死端(dead-end

8、ing)進入硅傳感器后端，如果發(fā)生此情形，本裝置將沒有輸出信號。在量計壓力設置，壓力通常加入P1 端口。差壓的應用P1 端口(P1 port)接高壓端口(High pressure port)，P2 端口(P2 port)接低壓端口(Low pressureport)。SPX 系列可提供一個隨壓力而改變的電壓輸出。當壓力源P1 加入時，輸出電壓隨著外來的壓力而產(chǎn)生成正比的變化。但當壓力在量計模式(Gage Mode)時，增加壓力，輸出反而減少。1.SPX 壓力傳感器乃利用惠斯登電橋的原理圖2-17 SPX的壓力感測器當有壓力輸入時，電橋各路有變化量。這結果導致差動輸出：Vo = Vb x 因為

9、電阻的改變比例在于壓力，所以，輸出可改寫成：Vo = S x P x Vb Vos( 2-5 )這里 Vo： 輸出電壓，單位mVS：靈敏度，單位mV per psiP：壓力，單位psiVb：電橋電壓，單位伏特Vos：是漂移誤差(當壓力等于零時的差動輸出電壓)。2. 接著介紹溫度效應的影響：從(2-5)式中，忽略Vos 項，當壓力源是恒壓時，輸出電壓為溫度的變化，為Vo = SPVb(2-6)為了輸出電壓不隨著溫度而變化，Vb 跨接于電橋必須與溫度的變化呈相反方向。從典型的溫度曲線span=SPVb，能夠看出溫度變化靈敏度是很小，其方程式可修正為：S = So(1-)+2(2-7)這里Td ：溫

10、度差，25及有相關的溫度So ：25的靈敏度，：固定常數(shù)溫度在0-70之間，靈敏度呈線性的變化。本傳感器應用溫度范圍也在此之間，所以我們忽略平方項，S = So(1 -)(2-8)(2-8)式代入(2-5)式，忽略Vos 項Vbo：在 25時電橋電壓式中為非線性的，然而值很小(0.235%)，所以上式可為Vb = Vbo(1 + ) 大約小于1%的誤差，因此為了補償負溫度靈敏度2350ppm，電橋電壓增加 +2350ppm的比例。(Vb / Vb) = +2350ppm電橋電阻也隨著溫度而改變，其改變?yōu)?Rb / Rb) = +1350ppm3.2 實際的電橋補償電路1.二極管補償電路電源電壓

11、Vs 使用5V 或6V 時，利用最低成本的電路來解決溫度漂移問題。二極管就是最好的方法，二極管可用小信號的硅質(zhì)組件，諸如像1N914，1N4148 等。0.7V 的順向電壓( )，6mA 電流。圖2-18 為二極管補償電路。圖2-18 二極管補償電路(a)Vb =Vs-3 (b)(c)=Rb/(R1+Rb)(d) 硅質(zhì)二極管例題：Vs = 5.0V = 0.7VRb = 500己知R1=332，代入(c)式求出值，再代入(a)式求出Vb=1.74V，25。Vs 若為6V 時R1 不接，改用四個二極管，Vb=3.2V，溫度系數(shù)大約2200ppm/。2.晶體管補償電路圖2-19 為利用晶體管來仿真

12、二極管的補償電路。Vs=5V，R1=402，R2=150或Vs=6V，R1=429，R2=133，可在0-100之間有很好的溫度補償作用，本實驗項目乃利用此補償電路。圖2-19 電晶體補償電路3. 恒流源補償電路所謂的補償電路是決定多少電壓降在電橋上。圖2-20 所示，電橋電壓可獨立選擇。LM334 是恒流源IC，有良好的溫度系數(shù)為3300ppm/。因電橋電阻的溫度系數(shù)(TC)太高，導致補償溫度系數(shù)太靈敏，因此加了R2的電阻以減少總電路的溫度系數(shù)。圖2-20 恒流源補償電路(a) Vb =( Vs + I x R2 )(b)(c) = Rb / ( R2 + Rb )(d) (e) Io =

13、67.7mV / R13.3 設計程序1.已知Vs 值，求解電壓降Vb，解(b)式值2.解(c)式R2，令Rb=5003.解(a)式Io4.從(e)式中求出R1 值,不同的Vs 值，R1，R2 適當值請參考如下：表2-13.4 放大器電路設計由于價格便宜和線路簡單的原因，所以選擇運算放大器作為本實驗的放大器。如果溫度范圍限制于25 15，這顆LM324 IC 就可提供很好的服務，比較精確的IC，如LT1014，LT1002 的溫度范圍能在0-100之間變化。本實驗用的IC 為OP07，圖2-21 為放大器電路。圖2-21 放大器電路第三節(jié) 實驗儀器設備4.1 數(shù)位式電表4.2 KH-700 主

14、實驗器4.3 KH-73002 實驗模板第四節(jié) 實驗步驟與記錄取KH-73002 模板，放在感測實驗器上，接上電源。如圖2-22 所示。圖2-22 KH-73002 壓力感測實驗電路一、實驗步驟將KH-73002 實驗模板放在實驗臺上，取出KH78001負載單元備用。使用盒式排針線連接KH71001供電模塊與模組供電接口。使用標準USB-B jack連接線連接KH78001負載單元中氣壓傳感器輸出接口與KH73002對應傳感器接口。使用KH71003中工控表 1連接模組輸出（工控表1中COM-接模組輸出GND；V/A+接入被測信號）作零壓力輸入校正。將實驗主機的電源Power ON，使負載單元

15、上的氣壓傳感器處于空置狀態(tài)，利用工控表1量測J3測試點，調(diào)整VR1，使J3測試點的電壓值為0V。利用工控表1量測KH-73002模板上的J6測試點，調(diào)整VR3，使J6的電壓值為0V。連接負載單元氣壓傳感器與氣壓針筒，并將KH-73002模板上的VR2左轉到底。利用電壓表量測KH-73002模板上的J6，并紀錄J6的電壓值為 0.2 V。將KH-78001模板上的氣壓針筒給予推力，依實驗需求推動至針筒上標示刻度。將壓力針筒調(diào)至2.5ml標示處，利用電壓表量測KH-73002模板上的J6，并紀錄J6的電壓值，依次調(diào)整針筒容量至表中容量，并記錄電壓。針筒標示2.5ml5.0ml7.5ml10.0ml

16、Vout電壓（V）2.7 0.263.16 0.353.34 0.39 3.450.41將壓力針筒調(diào)至10.0ml標示處，利用電壓表量測KH-73002模板上的J6，并紀錄J6的電壓值，依次調(diào)整針筒容量至表中容量，并記錄電壓。針筒標示10.0ml7.5ml5.0ml2.5mlVout電壓（V）3.640.413.54 0.393.37 0.352.90 0.2613.并將KH-73002模板上的VR2右轉底。14.重復步驟612。15.利用電壓表量測KH-73002模板上的J5，調(diào)整VR4，所設定的電壓值對應的壓力值，即為上臨界值。當J6的電壓小于J5的電壓時，量測Vout1的電壓值為 0 V

17、；調(diào)整VR4，當J6的電壓大于J5的電壓時，量測Vout1的電壓值為 13.80 V?？蓪H-73002模板上的Vout1端接至主控臺上71004上的alarm in 端觀察調(diào)節(jié)VR4時的變化，結合電路原理分析原因。18.利用電壓表量測KH-73002模板上的J7，調(diào)整VR5，所設定的電壓值對應的壓力值，即為下臨界值。當J6的電壓大于J7的電壓時，量測Vout2的電壓值為 0 V；調(diào)整VR5，當J6的電壓小于7的電壓時，量測Vout2的電壓值為為 13.81 V?？蓪H-73002模板上的Vout1端接至主控臺上71004上的alarm in 端觀察調(diào)節(jié)VR5時的變化，結合電路原理分析原因

18、。第三章 LVDT實驗/霍爾IC位移實驗第一節(jié) 實驗目的1.1使學生了解LVDT的結構1.2使學生了解LVDT的特性1.3使學生了解LVDT轉換電路的原理1.4使學生了解LVDT的應用1.5使學生了解磁感測組件的特性。第二節(jié) 實驗電路原理說明圖3-5為LVDT的轉換電路，能將LVDT的位移量以直流電壓輸出，其轉換率為1V/mm。本實驗所使用的LVDT為225B-125，其最大位移量距離為距中點0.125in(3mm)，初級線圈所加的交流激勵電源為5Vrms(14.14Vp-p)，最佳頻率為350Hz。為了提供5Vrms，350Hz的交流電源，圖3-5使用運算放大器維恩電橋振蕩方式，其中R1(1

19、0K)，C1(0.047f)，R2(10K)，C2(0.047f)決定了振蕩頻率Fo=1/2R1R2C1C2338.6Hz。R3，R4，R5，R6構成了負反饋網(wǎng)路，決定了振蕩條件與輸出振幅。調(diào)整R5可以改變負反饋量，進而改變輸出電壓的振幅，而CR1，CR2反接且并聯(lián)于R3兩端，可增加振幅的穩(wěn)定度。Q1，Q2組成放大電路，增加推動的能力。CR3，C4，R10與CR4，C5，R11為兩組整流濾波電路，分別將兩組次級線圈的交流電壓Vr，Vf轉換為直流電壓。U2，U3為電壓增益為1的電壓隨耦器，作為緩沖器使用。圖3-6 LVDT轉換電路第三節(jié) 實驗儀器設備4.1 位式電表（DMM）4.2 KH-730

20、03實驗模板4.3 KH-700主實驗器 示波器第四節(jié) 實驗步驟與記錄5.1位置偵測器功能：利用LVDT特性，由LED顯示位移量低于或高于設定值。1. 將KH-73003 實驗模板放實驗臺上，取出KH78001負載單元備用。2 使用盒式排針線連接KH71001供電模塊與模板供電接口。使用標準USB-B jack連接線連接KH78001負載單元中線形差動傳感器輸出接口與KH73003對應傳感器接口。由主控臺71002中工控表2右端24V電源和com端向KH-73003 實驗模板中的傳感器供電。3調(diào)整LVDT右移1mm時，差動放大輸出（在KH-73003上）為何值。反復設定不同數(shù)值，觀察與理論是否一致。調(diào)整LVDT傳感器的位移如下表，并記錄相應的輸出電壓Vout值。位移量（mm） 0 1 2 3 4 5