压力传感器

实验五压力传感器测量脉搏

实验目的

了解压力晶体的基本性能；

了解计算机采样及处理过程；

了解频谱分析的基本方法。

仪器用具

压电晶体传感器，计算机及模拟/数字（A/D）转换卡，直流电源，直流信号放大器。

实验原理

物理学力学参量——压力的测量是各种测量技术中最常见的一种测量。常见的微小压力测量可使用张丝式压力计、应变式压力计或利用压电晶体的压电效应。本实验采用压电晶体式压力传感器测量脉搏波的波形及脉搏频率。

一、压电效应及压电晶体

某些晶体在受到外力作用而发生形变时，会在晶体的某个晶面上产生极化而带电，这种现象称为压电效应。根据产生压电效应的晶面不同，压电效应可分为横向压电效应和纵向压电效应。压电效应是可逆的，在能够产生压电效应的晶体极化面上加上适当电压可在对应的晶面上产生相应的形变。由形变产生极化的现象称为正压电效应，由给定电压产生形变的现象称为逆压电效应，也称为电致伸缩。一般所称的压电效应指正压电效应。

利用正压电效应可将压力、振动、加速度等非电参量转换为电参量。而利用逆压电效应可将低频电磁振荡转换为声波（超声波、次声波）。在实际测量过程中，压电效应会因为测量回路中电荷的运动而呈现出极化电压随测量过程减小的现象，所以用压电效应测量静态压力会受到很大限制，一般只用于动态信号测量。

压电效应有许多实际应用，本实验是利用正压电效应将人体脉搏的压力信号转换为电信号。压电晶体一面被固定在支撑架上，与其相对应的另一面覆盖一层可活动的隔离膜接收外部的压力信号，在产生压电效应的一对晶面上引出导线作为信号输出端。当隔离膜上有机械压力出现时，我们将在信号输出端得到随所加机械压力的变化而改变的电压信号。

二、A/D转换

压电晶体输出的电信号经电压放大器放大后是随时间连续变化的，幅度一般控制在0～5V。这种在时间和幅度连续变化的信号称为模拟信号。计算机不能直接识别模拟信号，在用

实验五 压力传感器测量脉搏 − 53 −

计算机处理模拟信号时需要先将模拟信号转换成为计算机可以识别的数字信号，这个过程称为A/D （模拟/数字）转换。计算机用于A/D 转换的专用器件称为A/D 转换器和A/D 转换卡。A/D 转换器常用参数有：转换精度，转换时间。一般来说，转换精度越高、转换时间越短，得到的信号越精确，但相应转换器的价格也越高。本实验用计算机配有A/D 转换卡，其转换精度为12位（12 bit ），转换时间8 μs ,属于中等精度的A/D 转换器。软件采样间隔为2 ms 。

测量系统原理如图5-1所示，传感器输出端接入直流放大器输入端口，放大器的输出端连接至插入计算机主板的A/D 采集卡，放大器由直流电源供电。

三、 频谱及频谱分析

工程上将幅度大小不随时间变化的电压信号称为直流信号，将幅度大小随时间变化的电压信号称为交流信号。如果以频率为横坐标、以该频率成分的幅度值为纵坐标画出一个信号的幅度-频率关系图，则该曲线称为该信号的频谱曲线，简称频谱。

数学上可以证明：一个复杂的周期性交流信号可以看作是多个简单正弦（或余弦）信号叠加结果。如果用x (t )表示这个周期信号，则这个叠加过程可以表示为

∑∞=++=10)(cos )(n n n t n A

A t x ϕω （5-1）

等号右端称为x (t )的傅里叶级数。其中A 0为信号中不随时间改变的物理参量，即信号的直流分量。A n 、ϕ n （n = 1，2，3， ，∞ ）是一组常数，A n 表示周期信号中频率为n ω 的正弦（或余弦）成分的幅度大小。（5-1）式中的ω为该信号的基频，一般是该信号的主要成分，而信号中的其它频率成分是这个基频的整数倍，依次分别称为二次谐频、三次谐频、 。各频率成分的系数（幅度）均可等于零，如果某个频率系数为零则表明信号中不存在该频率成分。信号不同，其频率成分及系数大小也不同，所以通过比较各系数值的大小可以判断不同信号的差异。例如下式表示的周期为T 的方波 ⎩

⎨⎧<<-<<=)02()20()(t T U T t U t u （5-2） 可以展开为傅里叶级数，即一系列正弦函数的叠加 ⎪⎭

⎫ ⎝⎛+++π= t t t U t u ωωω5sin 513sin 31sin 4)(（5-3） 其中ω = 2π / T 。

由物理学中的振动合成、分解理论可以知道：复杂信号通过傅里叶变换可以分解成为若干正弦（或余弦）函数的叠加。反过来，如果将上述过程得到的各个频率的正弦（或余弦）函数重新叠加在一起，我们就可以重新得到原来的信号。叠加所用的频率成分越多，叠加信

图5-1 测量原理示意图

−54−物理实验

号的结果也越接近原来的信号，即用若干个不同频率的正弦波可以组成一个波形复杂的周期信号。

工程上将实现上述分解或变换的过程称为频谱分析，即频谱分析是将复杂信号中的各种基本的正弦（或余弦）成分分离出来。得到组合成复杂信号的这些基本成分有助于研究人员进一步了解复杂信号的性质，是现代科学一种常见的技术手段。在医学上各种人体信号的频谱分析可以用来进行不同层次的辅助性诊断。超声诊断、X射线断层扫描等现代诊断技术在不同层次上都使用了频谱分析技术。本实验是用压电晶体传感器采集人体的脉搏信号、通过电子技术和计算机技术对脉搏信号进行频谱分析，使同学在感性上了解传感器的作用和频谱分析的功能。

实验内容

脉搏波的测量及傅里叶分析

检查并接通放大器电源，打开计算机，双击桌面上“压力测量”数据采集图标。

程序正常运行时界面如图5-2所示。点击“开始采集”按扭，左上部图形区描绘出采集到的信号时域图形。轻轻按压压力传感器，曲线将随按压过程上下波动。

图5-2 实验操作界面

将传感器用适当压力按压在桡骨远端动脉处（像听诊器一样轻按即可），如果位置及压力合适，在计算机上可以观察到实验者的脉搏波。当信号稳定时，点击“停止采样”按钮停止采集。

按钮“基线调整”作用是将基线调整到适合观察的范围内，如果压力变化曲线不在显示区域内可点击该按钮。

当压力显示区出现完整脉搏图时可点击“图谱分析”按钮，然后用鼠标箭头选取分析的区域（由于脉搏不是完全周期性变化，所以选取分析对象时应选取有代表性的一个脉搏周期）。当第二条选取线确定之后，左下部图形区得到数据的傅里叶分析结果。

实验者做剧烈运动后，重复上述测量观察脉搏波及频谱成分的变化。