离心机与振动台实验在传感器教学中的应用

郭 涛，宋丹，闫明明，鲍爱达

(中北大学1.电子测试技术国家重点实验室;

2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原 030051)

传感器技术作为21世纪现代信息技术的重要支柱之一，世界各国都将传感器技术列为重点发展的技术，已将其纳入高校电子信息、机电一体化、仪器科学与技术等相关专业的基础课之中［1，2］。

我校依托于电子测试技术国家重点实验室与仪器科学与动态测试教育部重点实验室，较早开设了“传感器原理及应用”这门课程。学生普遍对这门课程感兴趣，尤其是该课程的传感器实验，已成了学习该课程的学生们最感兴趣也最能获得传感器工程应用方面知识的一门实验。

本文主要介绍传感器性能测试设备中两个比较重要的标定仪器:精密离心机与振动台［3］。我们应用以上两台仪器，传感器的一些静态特性与动态特性指标均可以测试并计算出来。

1 传感器实验平台

“传感器原理及应用”课程实验依托于我校的两个国家级和省部级重点实验室。学生可在实验室了解传感器的工作原理、发展动向、应用领域以及实验室自主研发的传感器取得的荣誉与成就。同时，他们通过实验室的精密离心机、振动台及其它电子仪器构成的这个实验平台，可以更加深入地了解传感器的基本特性。

1.1 精密离心机

精密离心机是用来测试传感器静态特性指标的仪器［4］。该仪器可以提供3g-2000g加速度，可对大多数中低量程的加速度传感器进行测试，为传感器研发与研制提供数据支持，精密离心机如图1所示。

图1 精密离心机实物图

1.2 振动台

振动台又称传感器自动校准系统，其自带的B＆W 24100压电加速度标准传感器的输出量能对振动台进行精确控制，使得振动台输出精确的加速度值。该系统主要的功能是定频、扫频和随机振动试验，可以分别考察待测传感器的静态特性、动态特性和环境适应性。本振动台的最大加载为60g，振动频率范围为0～4kHz，设备如图2所示。

图2 传感器自动校准系统

1.3 其它电子仪器

我们在实验过程中向学生讲解实验室常用仪器的用法，如高精度数字电源，高精度万用表，信号源和示波器等，并指导学生如何分析加速度传感器的输出信号，对仪器控制软件进行最优参数设定等。学生在熟悉操作之后方可进行传感器实验。

2 实验教学

2.1 精密离心机实验

学生可对教科书中的线性度、迟滞、重复性和灵敏度等技术指标，利用离心机测试得到的实验数据计算以上指标。在做实验之前，教师介绍离心机原理，教会学生如何利用数字电源给传感器供电，如何检测传感器输出信号等实验操作，然后由学生操作控制器并记录数据。学生分组，自主完成实验。

因为测试参数均为学生自己设定，所以各组测试结果可能各不相同。这不仅可以避免教学实验中数据处理相互抄袭的现象，且他们将经过数据处理得到的静态指标与传感器出厂指标相比，比较一下各组之间参数设定的合理性，最后提供实验报告。由于学生在实验之前已经查阅大量相关资料，因此参数设定与数据处理所得的指标都很接近标准值。这种方法很适合实验课程，师生之间均有互动，改善了教学效果。

数据处理结果也证明了该方法的合理与正确性。其中某一组学生的数据处理如图3所示。

图3 线性拟合图

线性度与传感器的2.5%的出厂指标很接近，其他技术指标也很接近出厂值。这说明学生已经基本掌握了精密离心机的参数设定与操作方法，可以完成对振动传感器的静态标定工作。

2.2 振动台实验

学生顺利地完成了精密离心机实验，接着是进行振动台的实验，但是他们对两台仪器计算结果不同存有疑惑。这个问题主要有两个可能原因:

(1)精密离心机提供的加速度是离心加速度，方向相对于传感器的敏感轴是不变的，一直指向圆心位置，大小也是不变的，传感器输出表现为直流电压的变化;而振动台提供的是交流敏感信号，即输出表现为交流电压的变化，两者理论上一样，但两者计算结果会稍有不同;

(2)两者都有信号调理电路，电路的放大倍数和频响范围都会影响输出结果。

动态测试的扫频实验给学生介绍了传感器的另外一个特性:动态特性。扫频实验就是传感器的频率响应测试，包括频率响应范围和灵敏度。扫频实验只做演示与讲解，没有数据处理。

将传感器固定在振动台的台面上，使传感器的

由以上线性拟合，传感器的最小二乘直线为

经计算得到传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差值 Δmax=0.054V，则线性度为敏感方向与振动台的振动方向一致，启动试验设备，同时给传感器通电，设定振动台扫频频率范围并开始实验，用示波器观察输出波形，振动台试验系统显示传感器的幅频特性曲线。低频振动试验系统扫频试验结果如图4所示。

图4 幅频特性曲线图

这条幅频曲线是待测传感器与标准传感器的输出值的比，可以看出待测传感器的频率响应范围是2.8kHz，动态特性还是不错的。可见学生学会了如何设置正确合理的参数，数据处理方法也都掌握得不错，超过了预期效果。

3 结语

“传感器原理及应用”课程的内容与应用性密切相关。因此，教学实验课的开设可以使学生理解课程内容，提高自主思考与动手能力。精密离心机与振动台两项实验能使学生掌握传感器的静态测试方法与数据处理方法。学生在完成了这两项实验后，我们在课程中又加入了实验室自行研制的传感器的设计原理与工程应用实践部分，很受学生欢迎。这些实验提高了他们对传感器知识的兴趣，为以后从事传感器相关科研工作打下坚实的基础。

［1］ 吴建平.传感器原理及应用［M］.北京:机械工业出版社.2011.2.

［2］ 孙圣和.现代传感器发展方向［C］.湘潭:第二届仪器仪表与测控技术学术大会.2008.

［3］ 张子栋.智能传感器原理与应用［J］.洛阳:河南科技学院学报.2008，36(2):116-119.

［4］ 吴雄.汽车MEMS传感器的应用与发展［J］.北京:传感器世界.2002(3):7-10.

［5］ 李成，侯汝舜，樊尚春等.传感器设计性实验教学的探索［J］.上海:实验室研究与探索.2010(10)，122-124.

［6］ 徐香菊.复合量程微加速度计抗高过载技术研究［D］.太原:中北大学.2013.

［7］ 刘迎春，叶湘滨.传感器原理设计与应用(第四版)［M］.长沙:国防科技大学出版社.2002，7.

［8］ 周乐挺.传感器与检测技术［M］.北京:高等教育出版社.2005，12.