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压电式压力传感器的静态标定

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:

1、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:

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:1013Ω;压电陶瓷:1010Ω),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。

 

1. 电荷泄漏对传感器输出的影响(示意图)

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:

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

四、 实验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(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:

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/cm20.98 bar)

 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)

0.7

 

 

 

0.8

 

 

 

1

 

 

 

1.5

 

 

 

2

 

 

 

2.5

 

 

 

3

 

 

 

3.5

 

 

 

4

 

 

 

4.5

 

 

 

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:

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

 

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