压力传感器特性及应用设计实验

压力传感器特性及应用设计实验

一、实验目的

1. 了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数。

2. 了解非电量的转换及测量方法——电桥法。

3. 掌握非平衡电桥的测量技术。

4. 掌握应变压力传感器灵敏度及物体重量的测量。

5. 了解多个应变压力传感器的线性组成、调整与定标。

二、实验原理

压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。弹性体在压力(重量)作用下产生形变(应变)，导致(按电桥方式联接)粘贴于弹性体中的应变片，产生电阻变化的过程。

压力传感器的主要指标是它的最大载重(压力)、灵敏度、输出输入电阻值、工作电压(激励电压)(VIN)、输出电压(VOUT)范围。

压力传感器是由特殊工艺材料制成的弹性体、电阻应变片、温度补偿电路组成；并采用非平衡电桥方式联接，最后密封在弹性体中。

弹性体：

一般由合金材料冶炼制成，加工成S 型、长条形、圆柱型等。为了产生一定弹性，挖空或部分挖空其内部。

电阻应变片：

金属导体的电阻R 与其电阻率ρ、长度L 、截面A 的大小有关。

（1）

导体在承受机械形变过程中，电阻率、长度、截面都要发生变化，从而导致其电阻变化。

（2）

这样就把所承爱的应力转变成应变，进而转换成电阻的变化。因此电阻应变片能将弹性体上应力的变化转换为电阻的变化。

电阻应变片的结构：电阻应变片一般由基底片、敏感栅、引线及履盖片用粘合剂粘合而成。

电阻应变片的结构如图1所示：

1－敏感栅(金属电阻丝) 2－基底片 3－覆盖层 4－引出线

图1 电阻丝应变片结构示意图

敏感栅：是感应弹性应变的敏感部分。敏感栅由直径约0.01～0.05毫米高电阻系数的细丝弯曲成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分．敏感栅用粘合剂固定在基底片上。b ×l 称为应变片的使用面积（应变片工作宽度，应变片标距（工作基长）l ），应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，如3×10平方毫米，350欧姆。

基底片：基底将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去．因此基底必须做得很薄，一般为0.03～0.06毫米，使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起，另外它还具有良好的绝缘性、抗潮性和耐热性．基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。

A L

R ρ=A A L L R R ?-?+?=?ρ

ρ

引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1-0.2毫米低阻镀锡钢丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接，覆盖片起保护作用．

粘合剂：将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力形变应变片的敏感栅也获得同样的形变，从而使其电阻随之发生变化，通过测量电阻值的变化可反映出外力作用的大小．

图2 压力传感器

压力传感器：是将四片电阻片分别粘贴在弹性平行粱A的上下两表面适当的位置，如图2所示．R1、R2、R3、R4是四片电阻片，粱的一端固定，另一端自由用于加载荷（如外力F）。

弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1、R3亦受拉伸作用电阻增大，梁的下表面受压，R2、R4电阻减小。这样外力的作用通过梁的形变而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器。

应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转换为电压或电流的变化。最常用的测量电路为电桥电路。

三、实验仪器

四、预习要求

1. 了解压力传感器的组成、结构及工作参数

2. 了解电桥的相关知识

3. 作图解释全等臂电桥、半等臂电桥的含义？

4. 本实验中，测定单臂电桥平衡时或近似平衡时，两电阻箱的阻值R。取多少？

5. 什么是电阻箱的额定功率？金属电阻参数为100欧姆（正负5%，1/8瓦），说明什么？

五、实验内容

实验（1）

1．测定单臂输入时电桥的电压输出特性

（1）（1）按实验电路接好测量电路。其中R 1和R 2在实验板上为固定电阻，R x 1和R x 2用电阻箱，调节供电电源电压E 0=6.00伏。

（2）R 1=R 2=1M Ω，即K=1；再调节R x 1= R x 2=10K Ω，即使U AB =0。但由于电阻箱存在一定误差，以及接触电阻等因素的影响，此时电桥未必能平衡，即U AB ≠0；为此需要微调电压表，使U AB =0。

图6 实验板 图7 实验电路

（3）使R x 1每次增大200Ω，用电压表测出电桥相应的输出电压U AB ，直到R x 1增大1.200K Ω。

2．测定双臂输入时电桥的电压输出特性

（1）调节，使电桥平衡。

（2）使R x 1每次增大200Ω，而R x 2相应每次减少200Ω，测出电桥的相应输出电压。直到R x 1、R x 2的最大改变量为1.2000K Ω。

实验（2）

1．仪器连接

仪器的连接如图8所示，电源电压接压力传感特性测试仪的电源输出端，为传感器提供工作电源，传感器输出端接压力传感器特性测试仪的信号输入端，从而对不平衡电桥（即压力传感器）的输出电压进行放大、测量和显示。

图8 仪器连接

2．仪器调节

先将仪器电源打开，预热十五分钟以上，调节电源电压为10.0伏。再旋转调零旋钮，使压力电压显示值为0.000伏。

3．测量

（1）按顺序增加砝码的数量（每次增加1千克，共9次），记录每次加载时的输出电压值U 0。

（2）再按相反次序将砝码逐一取下，记录输出电压值U 0。

（3）用逐差法求出传感器的灵敏度S 。

Ω==k R R x x 1021AB

U

（伏/千克）（13）

4．用压力传感器测量任意物体的重量

（1）将一个未知重量的物体放置于加载平台上，测出电压

，同一物体测量三次求出平均值。

（2）物体的重量 （14）

（3）共测三个未知重量的物体，样品由实验室提供或学生自己提供被测物体。

5．测量传感器电源电压E 与电桥输出电压U 0的关系，保持加载砝码的质量为1千克。

（1）改变HC-IPF 压力传感特性测试仪的电源电压，使其由2.0伏变至10.0伏，每隔1.0伏记录一个输出电压值U 0。

（2）作E -U 0关系曲线，分析是否为线性关系。

6．测出本实验系统的最小分辨重量。

用实验室提供的砝码1克至9克，由1克加载，每加1克记录传感器输出电压值U 0。 分析测量结果，给出实验系统所能测出的最小重量以及能分辨的最小重量。

六、实验操作中的重点、难点、注意事项

操作中的重点、难点：非平衡电桥

注意事项：

1．仔细检查电路有否接错，否则会烧坏电阻箱、压力传感特性测试仪。检查后方可通电。

2．根据电源电压的大小、电阻大小，估算流经电阻箱的电流，是否超过其额定电流。

3．实验完毕，关闭电源。才能离开。清理导线、整理清洁实验桌面、桌凳。

4. 本次实验做完后，申报仪器状态，经老师检查签字后方可离开。

七、思考题

1．分析给出本系统的最小分辨重量。

2．分析此种压力传感器是否线性传感元件？

3．设计由四个压力传感器组成的汽车称原理连接图，如何调整称平面各处称重的一致性。

4．写出此种压力传感器的主要参数及其含义是什么。

一、实验介绍

图1 实验电路

F U S ??=0

0U '0U '

S U W 10?'

=

图1是惠斯登电桥的基本电路。电桥是将电阻、电容、电感等电参数变化量变换成电压或电流值的一种电路。电桥电路在检测技术中应用非常广泛，根据激励电源的性质不同，可把电桥分为直流电桥和交流电桥两种。根据桥臂阻抗性质的不同，可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥3种。根据电桥工作时是否平衡来区分，可分为平衡电桥和非平衡电桥两种，平衡电桥用于测量电阻、电容和电感，而非平衡电桥在传感技术和非电量测量技术中广泛用作测量信号的转换。根据桥臂阻抗大小的不同，可分为全对称等臂电桥（四桥臂阻抗相同）、半对称等臂电桥（相邻桥臂阻抗相同）、不等臂电桥等。

二、参考资料

《大学物理实验教程》（2007,西南交大出版社,姜向东主审）4.3节、3.5节。

《大学物理实验教程----个性化专题实验参考》讲义。

三、实验目的

压力传感器内部应变片的电路采用了非平衡电桥方式连接，这种技术在传感和非电量测量中用作测量信号的转换，可用电阻电桥来演示这种技术。

通过实验掌握非平衡电桥的测量及信号转换技术，理解差动调节的作用。了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数。掌握应变压力传感器灵敏度及物体重量的测量。了解多个应变压力传感器的线性组成、调整与定标。

四、实验仪器

交直流电组箱2个、压力传感特性测试仪1台、压力传感器1个、三个固定电阻实验板1块、砝码1套、导线4根。

五、实验专题

1. 测定单臂输入时电桥的电压输出特性。

1) 测定单臂电桥平衡时或近似平衡时，电阻箱的阻值R 。记录电阻箱的参数。实验测量电路见图1。检查无误后，调节电源电压到10伏。调节使输出电压为零。注意电阻箱的参数。

2) 估测仪表饱和时的电压及刚饱和时的电组箱的电阻值。

3) 测定单臂输入时电桥的电压输出特性（电源电压10伏）逐差法求关系曲线函数，灵敏度。

4) 测定单臂输入（升、降）时电桥的电压输出特性（电源电压6伏）最小二乘法求关系曲线函数。求出传感器的灵敏度。作输出电压～电阻箱值曲线。（10伏、6伏作在一张图中）。

2. 测定双臂差动输入时电桥的电压输出特性。

1) 实验测量电路（见图2）。其中、和在实验板上为固定电阻（

不接入），

2) 测定全等臂双臂电桥差动输入时电压输出特性（电源电压10伏）

3) 测定半等臂双臂电桥差动输入时电压输出特性（电源电压10伏）

图2 实验电路

3. 测量压力传感器参数。

Rx Rx 1R 2R 3R 3

R

1) 测定压力传感器重量与电压输出特性。

2) 用逐差法求出传感器的灵敏度S

（V/kg ）

3) 用压力传感器测量任意物体的重量。

4) 测出本实验系统的最小分辨重量。

4.测量传感器电源电压与电桥输出电压V 0的关系，保持加载砝码的质量为1 kg 。

5. 设计实验：测定四臂差动输入时电桥的电压输出特性。

6.设计实验：四个压力传感器组成称重系统，测量定标曲线。

要求：进行原理分析，实验电路设计。

六、实验原理

1. 电桥信号转换技术

1) 单臂输入时电桥电压输出特性

图3 单臂原理

若电桥供电电源的电压为V0，根据串联电阻分压原理，图3若以电路中C 点为零电势参考点，当电桥平衡时，，则电桥的输出电压为：

令电桥比率K=，根据电桥平衡条件，，且当?R<

V AB=

当K=1时，电桥输出电压灵敏度最大；且为Smax=

。

2) 双臂差动输入电桥的电压输出特性。

图4 双臂原理

若在相邻臂内接入两个变化量的大小相等、符号相反的可变电阻，这种电桥电路称为F V S ??=

4321::R R R R =21R R 4021R R R R =0R R ?)/()1(020

R R K V K ??+?004R

V

半桥差动电路，如图4所示。

则半桥差动电路输出电压为

V AB =

电桥的输出电压灵敏度为

S =

可见，半桥差动电路的输出电压灵敏度比单臂输入时的最大电桥电压灵敏度提高了一倍。

3) 四臂输入时电桥的电压输出特性

若电桥的四个臂均采用可变电阻，即将两个变化量符号相反的可变电阻接入相邻桥臂内，而将两个变化量符号相同的可变电阻接入相对桥臂内，这样构成的电桥电路称为全桥差动电路，如图5所示。

图5 全桥差动电路

V0 = E V0 =

可见电桥输出电压V0与电阻的变化?R 成正比，电源电压不稳定将给测量结果带来误差。另外若要获得较大的输出电压V0，可以采用较高的电源电压，但电源电压的提高受两方面的限制，一是应变片的允许温度，二是应变电桥电阻的温度误差。

2. 压力传感器

图6 压力传感器

压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。其组成由特殊工艺材料制成的弹性体、电阻应变片、温度补偿电路，并采用非平衡电桥方式连接，最后密封在弹性体中。

弹性体在压力（重量）作用下产生形变（应变），导致（按电桥方式连接）粘贴于弹性体中的应变片产生电阻变化。它主要指标是它的最大载重（压力）、灵敏度、输出输入电阻值、工作电压（激励电压）（VIN ）范围、输出电压（VOUT ）范围。如图6所示。

弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1、R3亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R2、R4电阻减小。这样外力的作用通过梁的形变而使4个电阻值发生变002R R

V ??00

2R

V ???? ??+-+43421

1R R R R R R R R E ?

?

化。应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转换为电压或电流的变化。

七、实验预习思考

在实验前应预热仪器15 min以上，实验中所加重量不能超过10 kg，加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏应变片。

（1）非平衡电桥的电压灵敏度与各臂电阻变化的关系。

（2）复习用遂差法和最小二法处理数据的方法，求曲线、灵敏度S。

（3）写出此种压力传感器的主要参数及其含义是什么。

八、实验操作中的重点、难点、注意事项

重点：非平衡电桥信号转换、压力传感器及应用。

难点：地磅称实验摸拟、定标。

注意事项

1．仔细检查电路有否接错，否则会烧坏电阻箱、压力传感特性测试仪。检查后方可通电。

2．根据电源电压的大小、电阻大小，估算流经电阻箱的电流，是否超过其额定电流，烧坏仪器。

九、思考题

灵敏度相同的四个压力传感器组成称重系统，其系统灵敏度？

对于此称重系统的读数（数字仪表），如何确定读数值处的误差。