壓電傳感器實驗指導書

實驗一壓電晶體傳感器基本特性靜態(tài)標定實驗一、實驗目的與要求1.1觀察壓電晶體傳感器的結(jié)構(gòu)，獲得有關的感性認識;1.2掌握YU-6活塞式壓力計的工作原理及使用方法；1.3學會壓力計(壓電晶體傳感器)的校驗標定方法；1.4了解本實驗中測量誤差的主要來源。二、實驗系統(tǒng)原理圖圖1三、實驗主要設備及儀器儀表本實驗共有6套測試裝置，每套裝置各配：CY-YD203壓電式傳感器一只；YU-6活塞式壓力計一臺；YE5850電荷放大器一臺；PZ114型直流數(shù)字電壓表一臺。3.1CY-YD203壓電式傳感器 宓封墊圈該傳感器為壓電晶體傳感器。其作用力方 山22OUT§jj10向垂直于受壓面，因此受壓面本身(傳感器的外殼22OUT§jj10CY-YD203壓電式傳感器主要技術(shù)指標靈敏度(pC/bar)測量范圍(bar)線性度絕緣電阻(Q)自振頻率(kHz)工作溫度(C)過載能力~100-300<1%N1013>200~40-150150%3.2YU-6活塞式壓力計活塞式壓力計是利用連通器原理工作的，其結(jié)構(gòu)如圖3所示:活塞式壓力計主要適用于校驗低于0.25級精度的精密壓力表，亦可用來校驗低一級的活塞式壓力計、各種工業(yè)用壓力表或其它各類壓力測量儀器。通常用專用砝碼對壓力表等進行校驗，本次實驗為方便起見則是利用0.25級的標準壓力表對壓電傳感器進行靜態(tài)標定，但這種方法的測量誤差會更大些。壓力計適合應在環(huán)境溫度為20±5°C，相對濕度不大于80%的條件下工作。當溫度超過20±5°C時，應用式kp=p(a、+%)(20-)進行溫度修正。其中a,a為活塞和活塞缸材料的線性1 21 2膨脹系數(shù)。本壓力計的活塞桿材料為GCr15滾珠軸承鋼，a=11.7X10-6(1/C)，活塞缸材料為鋁鐵錳青銅，a2=17.6x10-6(1/C)；f為環(huán)境溫度(C)。1

.油杯.針形閥.進油閥.活塞缸.活塞.礫碼.承重托盤.聯(lián)接螺帽.導管.壓力泵手輪11.水平調(diào)節(jié)螺絲.平水泡.手搖壓力泵.底板.針形閥YU型結(jié)構(gòu)外形尺寸圖（單位mm）該壓力計的基本參數(shù)為:YU型結(jié)構(gòu)外形尺寸圖（單位mm）型號：YU-600 測量范圍：1?60MPa承重托盤及活塞公稱質(zhì)量：1.020kg，產(chǎn)生壓力：1MPa專用砝碼公稱質(zhì)量：1.02kg4塊；5.10kg11塊工作液體及傳壓介質(zhì)：蓖麻油（酸值<1.6mgKOH/g）壓力計重量（連砝碼）：80kg聯(lián)接螺帽的螺紋：M20X1.5精度等級：2等。在測量上限的10%?100%范圍內(nèi)，極限誤差為±0.05%3.3YE5850電荷放大器YE5850電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的寬帶電荷放大器，可配接壓電式傳感器測量振動、沖擊、壓力等機械量，廣泛用于水利、動力、采礦、交通、建筑、地震、航空、航天、兵器、化爆等部門。由于下限頻率極低，因而特別適合對壓電式壓力/力傳感器進行準靜態(tài)標定。3.3.1前面板說明（如圖4）活塞公稱面積：1（cm）2感YE5850電荷放大器|—傳感器靈敏度pC/Unit—1過載 輸出活塞公稱面積：1（cm）2感YE5850電荷放大器|—傳感器靈敏度pC/Unit—1過載 輸出mV/Unit調(diào)零L 100輸入OqovO輸入調(diào)節(jié)與之配接的傳感器靈敏度用，由于本次實驗配接的傳感器靈敏度在1?10.99pC/Unit,為計算方便，實驗時將該值設定為10.00pC/Unit，且“x10”開關置于下方，面板上左邊小數(shù)點亮；當配接的傳感器靈敏度在10?109.9pC/Unit時，“x10”開關置于上方，面板上右邊小數(shù)點亮。實阡 、\輸出傳感器靈敏度范0.111010010000.1-1.0990.010.11101001-10.990.1110100100010-109.9110100100010000100-1099101001000100001000003.3.1.2輸出mV/Unit切換開關本實驗將mV/Unit切換開關置于1（X1）檔。3.3.1.3工作/復位開關儀器在預熱、非測量及調(diào)零時，應置工作/復位開關于復位檔；在測量時將其置于工作檔。測試結(jié)束后，仍應置于復位檔，以確保MOSFET管的安全。3.3.1.4上/下限頻率開關上/下限頻率開關用于選定被測量的頻率變化范圍。通常，下限頻率應置于被測信號中最低頻率的0.1倍以下。對于本次的靜態(tài)標定實驗，下限開關可置于'L”檔，上限開關置于0.3kHz檔。3.3.1.5輸入信號接口電荷輸入接“Q”位（本次實驗選用此位置）；電壓輸入接"^，位（YE5850檢修標定時，可將信號發(fā)生器輸出電壓由此接入）。電壓輸入靈敏度為1±0.5%pC/mV。3.3.1.6調(diào)零旋鈕調(diào)節(jié)電位器旋鈕使輸出為零。順時針調(diào)節(jié)為正，反之為負。3.3.1.7過載指示燈過載指示燈指示儀器工作狀態(tài)3.3.2使用注意事項3.3.2.1YE5850電荷放大器使用時必須良好接地；3.3.2.2使用前應打開電源開關預熱30分鐘，電源開關位于后面板上。3.4PZ114型直流數(shù)字電壓表1PZ114型直流數(shù)字電壓表是一種4號位CMOS大規(guī)模集成電路的儀表，其測量結(jié)果用六位LED顯示。它的低漂移輸入放大器采用單片CMOS斬波穩(wěn)零式集成運算放大器，其零位漂移小于0.1|iV/°C，因此整機無需設置零位調(diào)節(jié)器即可得到穩(wěn)定的測量結(jié)果?？勺杂蛇x用自動量程轉(zhuǎn)換或手動量程轉(zhuǎn)換。自動量程從200mV?200V共分四檔，輸入端為L/H1，面板量程按鈕置于■（釋放位）。當儀表數(shù)超過19999時，儀表的量程自動上升一檔；當儀表的讀數(shù)低于1800時，儀表的量程自動降低一檔量程（本次實驗選用自動量程轉(zhuǎn)換）。手動量程為1000V一檔，輸入端為L、H2,面板量程按鈕置于■(按下位)。3.4.1技術(shù)數(shù)據(jù)量程測量范圍靈敏度基本誤差200mV0?199.99mV10uV±（0.04%讀數(shù)+0.015%滿度）2V0?1.9999V10uV±（0.03%讀數(shù)+0.01%滿度）20V0?19.999V1mV±（0.04%讀數(shù)+0.015%滿度）200V0?199.99V10mV±（0.04%讀數(shù)+0.01%滿度）1000V0?1000.0V100mV±（0.04%讀數(shù)+0.01%滿度）3.4.2使用說明3.4.2.1測量前須接通電源預熱1h。若儀表經(jīng)過劇烈的環(huán)境條件變化或長期未使用，則須在測量前通電預熱3?4h。3.4.2.2在測量過程中，應注意量程控制按鈕位置及輸入端不要搞錯。輸入電壓不要超過儀表所允許的過載值。四、 實驗前的準備工作4.1按照實驗系統(tǒng)及各儀器的要求連接系統(tǒng)；4.2對PZ114型直流數(shù)字電壓表進行1h預熱；4.3將YE5850電荷放大器的工作/復位開關置復位，打開電源開關預熱30分鐘；4.4校準活塞式壓力計的水平，即利用水平調(diào)節(jié)螺絲(11)使水平泡(12)的氣泡位于中心；4.5用干燥箱干燥CY-YD203壓電式傳感器，然后用ZC36型高阻儀測得其絕緣阻抗值。五、 實驗步驟與記錄5.1檢查活塞式壓力計的油路是否通暢并排盡內(nèi)部空氣。其操作步驟為：關閉針形閥⑵、(15)，打開油杯上的進油閥⑶，逆時針旋轉(zhuǎn)壓力泵手輪⑽，使壓力計內(nèi)部充滿油液；來回緩慢搖動壓力泵手輪⑽，趕出油杯附近管道內(nèi)的空氣；關閉進油閥⑶，打開針形閥(15)，來回緩慢搖動壓力泵手輪⑽，趕出該段管道內(nèi)的空氣。排盡空氣后，應使節(jié)流孔上方有少量集油。5.2安裝標準壓力表及壓電傳感器，應注意不要漏裝密封銅墊。5.3旋接壓電傳感器輸出接頭。5.4檢查確認電荷放大器及直流數(shù)字電壓表的各旋鈕開關在正確位置：“10”開關置于下方；mV/Unit切換開關置于1(X1)檔；下限開關可置于“L”檔，上限開關置于0.3kHz檔；工作/復位開關置于復位檔；直流數(shù)字電壓表的面板量程按鈕置于■(釋放位)。5.5記錄大氣壓力、環(huán)境溫度及濕度。應在測量開始前及結(jié)束后各紀錄一次，取其平均值作為實驗環(huán)境參數(shù)。5.6對測試系統(tǒng)調(diào)零。5.7調(diào)零結(jié)束后，應立即開始測試及記錄工作：搖動活塞式壓力計的壓力泵手輪⑽，記錄不同壓力所對應的電壓值。實驗中應注意：對各選定壓力點，必須分別測量上行(升壓)及下行(降壓)兩個方向的輸出電壓值。在上行及下行中，當壓力接近選定壓力值時應平穩(wěn)緩慢進行，不可使指針超過該點，萬一超過，則應將壓力泵手輪稍微退回一些，然后繼續(xù)沿原方向進行；實驗至少應進行三個循環(huán)。兩個循環(huán)之間應將工作/復位開關置復位檔對系統(tǒng)重新調(diào)零，以消除零漂；為了減小各儀表因漂移所產(chǎn)生的誤差，讀取每個測量點電壓表讀數(shù)的加壓時間應盡可能相同。

實驗記錄表實驗臺號: 傳感器出廠序號: 電壓控力p讀數(shù)(y)、MPa)■^UmVrVxp項目0.5510152024.5均值X12.5上行1下行1上行2下行2上行3下行3各壓力點電壓值平均yy=理論值y偏差Ayyy六、實驗數(shù)據(jù)處理6.1實驗結(jié)束后，必須及時對實驗數(shù)據(jù)進行分析，舍去那些顯然由于不正確的測試而得到的結(jié)果，然后對記錄中每一個壓力的電壓表讀數(shù)取平均值。6.2用最小二乘法對實驗結(jié)果進行線性回歸分析，確定擬合直線片a0+a產(chǎn)的回歸系數(shù)。］和a0。進而求出相關系數(shù)p以及線性度(非線性誤差比.(")——-i=1 X)2i(")——-i=1 X)2i=1 i=1i i i/a=—i^1 i^1 i^1—0 n二2一也n￡(x.y)-(￡x)(￡y)—i=1 i= i=1 n￡x2—(￡x)2i=1 i=1p=「|￡(X-X)2■L'i=1￡(x.-p=「|￡(X-X)2■L'i=1i=1￡(廠y)2-i=1L=(Ay/y)x100%其中：Ayma—儀器輸出的平均值與擬合直線之間的最大偏差；y——儀器滿量程時的理論輸出值。6.3靈皿K廣棋V囂a)牛唱頃:=a(pC/bar)Q10(bar/MPa)x1(mV/Unit)1七、實驗報告要求實驗報告要求如下：7.1實驗目的及要求；7.2實驗中所用儀器與裝置的名稱、型號、規(guī)格與編號等；7.3實驗裝置原理圖；7.4實驗方法與操作步驟的簡要說明；7.5原始數(shù)據(jù)及環(huán)境條件記錄；7.6整理數(shù)據(jù)，用方格紙繪出測點及擬合直線坐標圖；7.7思考題7.7.1實驗為什么要按上行及下行反復進行幾次？7.7.2本實驗中遲滯誤差的主要來源有哪些？7.7.3本實驗壓力測點選取時為什么未選0MPa及滿刻度25MPa？7.7.4本實驗的標定結(jié)果為什么與出廠標定值有差異？附表：壓電傳感器出廠標定記錄\項目出廠、編號壓力范圍(bar)過載能力(%)靈敏度(pC/bar)線性度(%)絕緣阻