壓電傳感器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)一壓電晶體傳感器基本特性靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1.1觀察壓電晶體傳感器的結(jié)構(gòu)，獲得有關(guān)的感性認(rèn)識(shí);1.2掌握YU-6活塞式壓力計(jì)的工作原理及使用方法；1.3學(xué)會(huì)壓力計(jì)(壓電晶體傳感器)的校驗(yàn)標(biāo)定方法；1.4了解本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量誤差的主要來(lái)源。二、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖圖1三、實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備及儀器儀表本實(shí)驗(yàn)共有6套測(cè)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(jì)一臺(tái)；YE5850電荷放大器一臺(tái)；PZ114型直流數(shù)字電壓表一臺(tái)。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(biāo)靈敏度(pC/bar)測(cè)量范圍(bar)線性度絕緣電阻(Q)自振頻率(kHz)工作溫度(C)過(guò)載能力~100-300<1%N1013>200~40-150150%3.2YU-6活塞式壓力計(jì)活塞式壓力計(jì)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(jì)主要適用于校驗(yàn)低于0.25級(jí)精度的精密壓力表，亦可用來(lái)校驗(yàn)低一級(jí)的活塞式壓力計(jì)、各種工業(yè)用壓力表或其它各類壓力測(cè)量?jī)x器。通常用專用砝碼對(duì)壓力表等進(jìn)行校驗(yàn)，本次實(shí)驗(yàn)為方便起見(jiàn)則是利用0.25級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力表對(duì)壓電傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，但這種方法的測(cè)量誤差會(huì)更大些。壓力計(jì)適合應(yīng)在環(huán)境溫度為20±5°C，相對(duì)濕度不大于80%的條件下工作。當(dāng)溫度超過(guò)20±5°C時(shí)，應(yīng)用式kp=p(a、+%)(20-)進(jìn)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(jì)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(jìn)油閥.活塞缸.活塞.礫碼.承重托盤.聯(lián)接螺帽.導(dǎo)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(jì)的基本參數(shù)為:YU型結(jié)構(gòu)外形尺寸圖（單位mm）型號(hào)：YU-600 測(cè)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(jì)重量（連砝碼）：80kg聯(lián)接螺帽的螺紋：M20X1.5精度等級(jí)：2等。在測(cè)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(cè)量振動(dòng)、沖擊、壓力等機(jī)械量，廣泛用于水利、動(dòng)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(duì)壓電式壓力/力傳感器進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)標(biāo)定。3.3.1前面板說(shuō)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(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)配接的傳感器靈敏度在1?10.99pC/Unit,為計(jì)算方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)將該值設(shè)定為10.00pC/Unit，且“x10”開(kāi)關(guān)置于下方，面板上左邊小數(shù)點(diǎn)亮；當(dāng)配接的傳感器靈敏度在10?109.9pC/Unit時(shí)，“x10”開(kāi)關(guān)置于上方，面板上右邊小數(shù)點(diǎn)亮。實(shí)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(kāi)關(guān)本實(shí)驗(yàn)將mV/Unit切換開(kāi)關(guān)置于1（X1）檔。3.3.1.3工作/復(fù)位開(kāi)關(guān)儀器在預(yù)熱、非測(cè)量及調(diào)零時(shí)，應(yīng)置工作/復(fù)位開(kāi)關(guān)于復(fù)位檔；在測(cè)量時(shí)將其置于工作檔。測(cè)試結(jié)束后，仍應(yīng)置于復(fù)位檔，以確保MOSFET管的安全。3.3.1.4上/下限頻率開(kāi)關(guān)上/下限頻率開(kāi)關(guān)用于選定被測(cè)量的頻率變化范圍。通常，下限頻率應(yīng)置于被測(cè)信號(hào)中最低頻率的0.1倍以下。對(duì)于本次的靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，下限開(kāi)關(guān)可置于'L”檔，上限開(kāi)關(guān)置于0.3kHz檔。3.3.1.5輸入信號(hào)接口電荷輸入接“Q”位（本次實(shí)驗(yàn)選用此位置）；電壓輸入接"^，位（YE5850檢修標(biāo)定時(shí)，可將信號(hào)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(shí)針調(diào)節(jié)為正，反之為負(fù)。3.3.1.7過(guò)載指示燈過(guò)載指示燈指示儀器工作狀態(tài)3.3.2使用注意事項(xiàng)3.3.2.1YE5850電荷放大器使用時(shí)必須良好接地；3.3.2.2使用前應(yīng)打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)預(yù)熱30分鐘，電源開(kāi)關(guān)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(hào)位CMOS大規(guī)模集成電路的儀表，其測(cè)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(yùn)算放大器，其零位漂移小于0.1|iV/°C，因此整機(jī)無(wú)需設(shè)置零位調(diào)節(jié)器即可得到穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果?？勺杂蛇x用自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換或手動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。自動(dòng)量程從200mV?200V共分四檔，輸入端為L(zhǎng)/H1，面板量程按鈕置于■（釋放位）。當(dāng)儀表數(shù)超過(guò)19999時(shí)，儀表的量程自動(dòng)上升一檔；當(dāng)儀表的讀數(shù)低于1800時(shí)，儀表的量程自動(dòng)降低一檔量程（本次實(shí)驗(yàn)選用自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換）。手動(dòng)量程為1000V一檔，輸入端為L(zhǎng)、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(cè)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(shuō)明3.4.2.1測(cè)量前須接通電源預(yù)熱1h。若儀表經(jīng)過(guò)劇烈的環(huán)境條件變化或長(zhǎng)期未使用，則須在測(cè)量前通電預(yù)熱3?4h。3.4.2.2在測(cè)量過(guò)程中，應(yīng)注意量程控制按鈕位置及輸入端不要搞錯(cuò)。輸入電壓不要超過(guò)儀表所允許的過(guò)載值。四、 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作4.1按照實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及各儀器的要求連接系統(tǒng)；4.2對(duì)PZ114型直流數(shù)字電壓表進(jìn)行1h預(yù)熱；4.3將YE5850電荷放大器的工作/復(fù)位開(kāi)關(guān)置復(fù)位，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)預(yù)熱30分鐘；4.4校準(zhǔn)活塞式壓力計(jì)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(cè)得其絕緣阻抗值。五、 實(shí)驗(yàn)步驟與記錄5.1檢查活塞式壓力計(jì)的油路是否通暢并排盡內(nèi)部空氣。其操作步驟為：關(guān)閉針形閥⑵、(15)，打開(kāi)油杯上的進(jìn)油閥⑶，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)壓力泵手輪⑽，使壓力計(jì)內(nèi)部充滿油液；來(lái)回緩慢搖動(dòng)壓力泵手輪⑽，趕出油杯附近管道內(nèi)的空氣；關(guān)閉進(jìn)油閥⑶，打開(kāi)針形閥(15)，來(lái)回緩慢搖動(dòng)壓力泵手輪⑽，趕出該段管道內(nèi)的空氣。排盡空氣后，應(yīng)使節(jié)流孔上方有少量集油。5.2安裝標(biāo)準(zhǔn)壓力表及壓電傳感器，應(yīng)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(rèn)電荷放大器及直流數(shù)字電壓表的各旋鈕開(kāi)關(guān)在正確位置：“10”開(kāi)關(guān)置于下方；mV/Unit切換開(kāi)關(guān)置于1(X1)檔；下限開(kāi)關(guān)可置于“L”檔，上限開(kāi)關(guān)置于0.3kHz檔；工作/復(fù)位開(kāi)關(guān)置于復(fù)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(yīng)在測(cè)量開(kāi)始前及結(jié)束后各紀(jì)錄一次，取其平均值作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)。5.6對(duì)測(cè)試系統(tǒng)調(diào)零。5.7調(diào)零結(jié)束后，應(yīng)立即開(kāi)始測(cè)試及記錄工作：搖動(dòng)活塞式壓力計(jì)的壓力泵手輪⑽，記錄不同壓力所對(duì)應(yīng)的電壓值。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意：對(duì)各選定壓力點(diǎn)，必須分別測(cè)量上行(升壓)及下行(降壓)兩個(gè)方向的輸出電壓值。在上行及下行中，當(dāng)壓力接近選定壓力值時(shí)應(yīng)平穩(wěn)緩慢進(jìn)行，不可使指針超過(guò)該點(diǎn)，萬(wàn)一超過(guò)，則應(yīng)將壓力泵手輪稍微退回一些，然后繼續(xù)沿原方向進(jìn)行；實(shí)驗(yàn)至少應(yīng)進(jìn)行三個(gè)循環(huán)。兩個(gè)循環(huán)之間應(yīng)將工作/復(fù)位開(kāi)關(guān)置復(fù)位檔對(duì)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(gè)測(cè)量點(diǎn)電壓表讀數(shù)的加壓時(shí)間應(yīng)盡可能相同。

實(shí)驗(yàn)記錄表實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào): 傳感器出廠序號(hào): 電壓控力p讀數(shù)(y)、MPa)■^UmVrVxp項(xiàng)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(diǎn)電壓值平均yy=理論值y偏差A(yù)yyy六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，必須及時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，舍去那些顯然由于不正確的測(cè)試而得到的結(jié)果，然后對(duì)記錄中每一個(gè)壓力的電壓表讀數(shù)取平均值。6.2用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jìn)而求出相關(guān)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(shí)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(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求如下：7.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙螅?.2實(shí)驗(yàn)中所用儀器與裝置的名稱、型號(hào)、規(guī)格與編號(hào)等；7.3實(shí)驗(yàn)裝置原理圖；7.4實(shí)驗(yàn)方法與操作步驟的簡(jiǎn)要說(shuō)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(cè)點(diǎn)及擬合直線坐標(biāo)圖；7.7思考題7.7.1實(shí)驗(yàn)為什么要按上行及下行反復(fù)進(jìn)行幾次？7.7.2本實(shí)驗(yàn)中遲滯誤差的主要來(lái)源有哪些？7.7.3本實(shí)驗(yàn)壓力測(cè)點(diǎn)選取時(shí)為什么未選0MPa及滿刻度25MPa？7.7.4本實(shí)驗(yàn)的標(biāo)定結(jié)果為什么與出廠標(biāo)定值有差異？附表：壓電傳感器出廠標(biāo)定記錄\項(xiàng)目出廠、編號(hào)壓力范圍(bar)過(guò)載能力(%)靈敏度(pC/bar)線性度(%)絕緣阻