压电晶体传感器基本特性静态标定实验
实验一 压电晶体传感器基本特性静态标定实验
一、实验目的与要求
1.1 1.2 1.3 1.4
观察压电晶体传感器的结构，获得有关的感性认识； 掌握YU-6活塞式压力计的工作原理及使用方法； 学会压力计(压电晶体传感器)的校验标定方法； 了解本实验中测量误差的主要来源。
二、实验系统原理图
图 1
三、实验主要设备及仪器仪表
本实验共有6套测试装置，每套装置各配：CY-YD 203压电式传感器一只；YU-6活塞式压力计一台；YE5850电荷放大器一台；PZ114型直流数字电压表一台。 3.1 CY-YD 203压电式传感器
该传感器为压电晶体传感器。其作用力方向垂直于受压面，因此受压面本身(传感器的外壳)便是一个电极，位于传感器内部的另一个电极与传感器尾部的内孔相连。将专用接头旋于传感器尾部，便可输出压电晶体两电极间的电位差。
图 2
CY-YD 203压电式传感器主要技术指标 灵敏度 测量范围 绝缘电阻 自振频率 工作温度 线性度 过载能力 (pC/bar) (bar) (Ω) (kHz) (℃) 13~10 0-300 <1% ≥10 >200 ~40-150 150% 3.2 YU-6活塞式压力计 活塞式压力计是利用连通器原理工作的，其结构如图3所示： 活塞式压力计主要适用于校验低于0.25级精度的精密压力表，亦可用来校验低一级的活塞式压力计、各种工业用压力表或其它各类压力测量仪器。
通常用专用砝码对压力表等进行校验，本次实验为方便起见则是利用0. 25级的标准压力表对压电传感器进行静态标定，但这种方法的测量误差会更大些。
压力计适合应在环境温度为20±5℃，相对湿度不大于80%的条件下工作。当温度超过20±5℃时，应用式Δp=p(a1+a2)(20-t)进行温度修正。其中a1,a2为活塞和活塞缸材料的线性膨胀系数。本压力计的活塞杆材料为GCr15滚珠轴承钢，a1?11.7?10?6(1/℃)，活塞缸材料为铝铁锰青铜，a2?17.6?10?6(1/℃)；t为环境温度(℃)。
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图 3
该压力计的基本参数为：
型号：YU-600 测量范围：1～60 MPa 活塞公称面积：1(cm)2 承重托盘及活塞公称质量：1.020kg，产生压力：1 MPa
专用砝码公称质量：1.02kg4块；5.10kg11块 工作液体及传压介质：蓖麻油(酸值<1.6mgKOH/g)
压力计重量(连砝码)：80kg 联接螺帽的螺纹：M20×1.5
精度等级：2等。在测量上限的10%~100%范围内，极限误差为±0.05% 3.3 YE5850电荷放大器
YE5850电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的宽带电荷放大器，可配接压电式传感器测量振动、冲击、压力等机械量，广泛用于水利、动力、采矿、交通、建筑、地震、航空、航天、兵器、化爆等部门。由于下限频率极低，因而特别适合对压电式压力/力传感器进行准静态标定。
3.3.1 前面板说明(如图4)
3.3.1.1 传感器灵敏度调节“pC/Unit”及“?10”开关
图 4
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压电晶体传感器基本特性静态标定实验
调节与之配接的传感器灵敏度用，由于本次实验配接的传感器灵敏度在1~10.99pC/Unit，为计算方便，实验时将该值设定为10.00pC/Unit，且“?10”开关置于下方，面板上左边小数点亮；当配接的传感器灵敏度在10~109.9pC/Unit时，“?10”开关置于上方，面板上右边小数点亮。
3.3.1.2 输出mV/Unit切换开关
本实验将mV/Unit切换开关置于1(×1)档。 3.3.1.3 工作/复位开关
仪器在预热、非测量及调零时，应置工作/复位开关于复位档；在测量时将其置于工作档。测试结束后，仍应置于复位档，以确保MOSFET管的安全。 3.3.1.4 上/下限频率开关
上/下限频率开关用于选定被测量的频率变化范围。通常，下限频率应置于被测信号中最低频率的0.1倍以下。对于本次的静态标定实验，下限开关可置于“L”档，上限开关置于0.3kHz档。
3.3.1.5 输入信号接口
电荷输入接“Q”位(本次实验选用此位置)；电压输入接“V”位(YE5850检修标定时，可将信号发生器输出电压由此接入)。电压输入灵敏度为1±0.5%pC/mV。 3.3.1.6 调零旋钮
调节电位器旋钮使输出为零。顺时针调节为正，反之为负。 3.3.1.7 过载指示灯
过载指示灯指示仪器工作状态 3.3.2 使用注意事项
3.3.2.1 YE5850电荷放大器使用时必须良好接地；
3.3.2.2 使用前应打开电源开关预热30分钟，电源开关位于后面板上。 3.4 PZ114型直流数字电压表 PZ114型直流数字电压表是一种412位CMOS大规模集成电路的仪表，其测量结果用六
位LED显示。它的低漂移输入放大器采用单片CMOS斩波稳零式集成运算放大器，其零位漂移小于0.1μV/℃，因此整机无需设置零位调节器即可得到稳定的测量结果。可自由选用自动量程转换或手动量程转换。
自动量程从200mV～200V共分四档，输入端为L/H1，面板量程按钮置于█(释放位)。当仪表数超过19999时，仪表的量程自动上升一档；当仪表的读数低于1800时，仪表的量程自动降低一档量程(本次实验选用自动量程转换)。
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手动量程为1000V一档，输入端为L、H2，面板量程按钮置于▄(按下位)。 3.4.1 技术数据 量 程 测量范围 灵敏度 基 本 误 差 200mV 0~199.99mV 10uV ±（0.04%读数+0.015%满度） 2V 0~1.9999V 10uV ±（0.03%读数+0.01%满度） 20V 0~19.999V 1mV ±（0.04%读数+0.015%满度） 200V 0~199.99V 10mV ±（0.04%读数+0.01%满度） 1000V 0~1000.0V 100mV ±（0.04%读数+0.01%满度） 3.4.2 使用说明 3.4.2.1 测量前须接通电源预热1h。若仪表经过剧烈的环境条件变化或长期未使用，则须在测量前通电预热3~4h。
3.4.2.2 在测量过程中，应注意量程控制按钮位置及输入端不要搞错。输入电压不要超过仪表所允许的过载值。
四、实验前的准备工作
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
按照实验系统及各仪器的要求连接系统； 对PZ114型直流数字电压表进行1h预热；
将YE5850电荷放大器的工作/复位开关置复位，打开电源开关预热30分钟；
校准活塞式压力计的水平，即利用水平调节螺丝⑾使水平泡⑿的气泡位于中心； 用干燥箱干燥CY-YD203压电式传感器，然后用ZC36型高阻仪测得其绝缘阻抗值。
五、实验步骤与记录
5.1 检查活塞式压力计的油路是否通畅并排尽内部空气。其操作步骤为：
(1) 关闭针形阀⑵、⒂，打开油杯上的进油阀⑶，逆时针旋转压力泵手轮⑽，使压力计内部充满油液；
(2) 来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出油杯附近管道内的空气；
(3) 关闭进油阀⑶，打开针形阀⒂，来回缓慢摇动压力泵手轮⑽，赶出该段管道内的空气。排尽空气后，应使节流孔上方有少量集油。
5.2 安装标准压力表及压电传感器，应注意不要漏装密封铜垫。 5.3 旋接压电传感器输出接头。
5.4 检查确认电荷放大器及直流数字电压表的各旋钮开关在正确位置：
“?10”开关置于下方；mV/Unit切换开关置于1(×1)档；下限开关可置于“L”档，上限开关置于0.3kHz档；工作/复位开关置于复位档；直流数字电压表的面板量程按钮置于█(释放位)。
5.5 记录大气压力、环境温度及湿度。应在测量开始前及结束后各纪录一次，取其平均值作为实验环境参数。 5.6 对测试系统调零。
5.7 调零结束后，应立即开始测试及记录工作：摇动活塞式压力计的压力泵手轮⑽，记录不同压力所对应的电压值。实验中应注意：
(1) 对各选定压力点，必须分别测量上行(升压)及下行(降压)两个方向的输出电压值。在上行及下行中，当压力接近选定压力值时应平稳缓慢进行，不可使指针超过该点，万一超过，则应将压力泵手轮稍微退回一些，然后继续沿原方向进行；
(2) 实验至少应进行三个循环。两个循环之间应将工作/复位开关置复位档对系统重新调零，以消除零漂；
(3) 为了减小各仪表因漂移所产生的误差，读取每个测量点电压表读数的加压时间应尽可能相同。
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压电晶体传感器基本特性静态标定实验
实验记录表
实验台号: 传感器出厂序号: 电压 压力p 均值 读数( y) (MPa) (mV) (xi) 项目 0.5 5 10 15 20 24.5 12.5 y= x 各压力点电压值平均yi 理论值y 上行1 下行1 上行2 下行2 上行3 下行3 偏差Δy=yi-y
六、实验数据处理
6.1 实验结束后，必须及时对实验数据进行分析，舍去那些显然由于不正确的测试而得到的结果，然后对记录中每一个压力的电压表读数取平均值。
6.2 用最小二乘法对实验结果进行线性回归分析，确定拟合直线y= a0+a1x的回归系数a1和a0。进而求出相关系数ρ以及线性度(非线性误差)Ln.
nnn?n?2(?yi)(?xi)?(?xi)??(xiyi)?i?1i?1i?1?i?1? a0? nnn?xi?(?xi)i?1nn22i?1n a1?n?(xiyi)?(?xi)(?yi)i?1n2i?1ni?12
n?xi?(?xi)i?1ni?1 ???(xi?1ni?x)(yi?y)
n?2??2?(x?x)(y?y)??i???i??i?1??i?1?% Ln?(?ymax/yf?s)?100其中：?ymax——仪器输出的平均值与拟合直线之间的最大偏差; yf?s——仪器满量程时的理论输出值。 6.3 灵敏度：KQ?
a1(mV/MPa)?10(pC/Unit)10(bar/MPa)?1(mV/Unit)?a1(pC/bar)
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七、实验报告要求
实验报告要求如下： 7.1 实验目的及要求；
7.2 实验中所用仪器与装置的名称、型号、规格与编号等； 7.3 实验装置原理图；
7.4 实验方法与操作步骤的简要说明； 7.5 原始数据及环境条件记录；
7.6 整理数据，用方格纸绘出测点及拟合直线坐标图； 7.7 思考题
7.7.1 实验为什么要按上行及下行反复进行几次？ 7.7.2 本实验中迟滞误差的主要来源有哪些？
7.7.3 本实验压力测点选取时为什么未选0MPa及满刻度25MPa？ 7.7.4 本实验的标定结果为什么与出厂标定值有差异？
附表：压电传感器出厂标定记录 项目 现场实测 压力范围 过载能力 灵敏度 线性度 绝缘阻抗 固有电容 输出极性 绝缘阻抗 出厂 (bar) (%) (pC/bar) (%) (MΩ) (pf) (MΩ) 编号 1797 0~300 50 10.99 <1 1.0E7 ~6 + 1889 0~300 50 11.04 <1 1.0E7 ~6 + 1917 0~300 50 10.57 <1 1.0E7 ~6 + 1960 0~300 50 9.10 <1 1.0E7 ~6 + 2011 0~300 50 9.69 <1 1.0E7 ~6 + 2050 0~300 50 12.40 <1 1.0E7 ~6 + 2074 0~300 50 12.99 <1 1.0E7 ~6 + 2094 0~300 50 13.18 <1 1.0E7 ~6 + 6