电子课件----压力传感器及非平衡电桥

5.3 压力传感器及非平衡电桥信号转换技术
【预习重点】：
1．什么是电阻应变效应？
2．本实验所用压力传感器的构造原理
3．了解实验中所用仪器及测量量
【教学要求】：
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．掌握测量压力传感器的灵敏度及物体的重量
4．掌握测量传感器电源电压与电桥关系
【教学重点】：
四臂输入时电桥的电压输出特性
【教学难点】：
电阻应变效应
压力传感器的结构
惠斯登全桥差动电路原理
【课程讲授】：
一、实验原理
1．什么是电阻应变效应？
电阻应变片
电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

（1856年W. Thomson 发现）
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
式中： ρ——电阻丝的电阻率；
l ——电阻丝的长度；
A ——电阻丝的截面积。

当收到沿轴向的力作用下，其长度、电阻率、界面都要发生变化，有如下关系式：
R L A R L A ρρ∆∆∆∆=+-
金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。

利用这种应力转变为应变，进而转换为电阻的变化。

电阻应变片结构 l R A
ρ
=
引线覆盖层基片
金属电阻应变片的结构
1）敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。

金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。

丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。

2）覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03～0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。

基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。

2．压力传感器结构
压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。

把力的作用，转换成电阻的变换，利用电桥电路使这种电阻的变换再次变为电压或者电流的变化。

其中A代表弹性体，
由金属材料冶炼而成，。

中间挖空是为了产
生弹性。

其中四个电
阻R1、R2、R3、R4是
四片电阻片，梁的一
端固定，另一端自由，用于加载负荷（如外力F）。

当弹性梁受力弯曲的时候，上表面受拉，电阻片R1、R3也受拉而导致电阻变大，梁下表面受压，R2、R4电阻减小。

这样外力的作用通过梁的形变使得四个电阻值发生变化，这就是压力传感器。

把电阻变换转换为电压的变换要借助电桥。

3．全桥差动电路
电桥：是将电阻、电容和电感等电参数变换量变换成电压或者电流值的一种电路。

我们所用的是直流非平衡电阻电桥来实现将上面非电量（力学量）装换成电阻变换，最后转换成电压或者电流的变化。

直流电桥电路
压力传感器没有外力作用时，电桥电路如上图，AB两端的电压
14
1234
()
R R
U E
R R R R
=-
++
当U0=0时，称电桥处于平衡状态。

此时有：
1324
R R R R
=
g g
由于在我们实验中所采用压力传感器贴的是四片相同的电阻，其阻值相同。

所以有
1234
R R R R
===
所以满足电桥平衡条件。

当传感器受到外力作用的时候，电路变为如下图所示：
此时电桥不平衡，并有
1144 0
11221324
()
R R R R
U E
R R R R R R R R
+∆-∆
=-
+∆+-∆+∆+-∆
当满足如下条件：
1234R R R R ∆=∆=∆=∆
可以得到
0R U E R
∆=g 由上面表达式可以看出：
1） 电桥不平衡输出的电压U 0与电阻的变化∆R 成正比，也即是严格的线
性关系。

所以如果测出U 0就可以知道外力的大小。

2） 如果按照灵敏度定义0u U S R
=∆,可以知道全桥差动电路的灵敏度
为： E S R =
可见当桥臂电阻一定时，适当增加直流电源电压可以提高电桥的输出灵敏度，但是过高的电源电压受到两方面限制：一是应变片的温度，二是应变电桥电阻的温度误差。

二、实验仪器（略）
1、压力传感器测试仪
2、压力传感器
3、砝码
4、待测物体
5、导线
三、实验步骤（略）
四、数据记录
所有数据表格由学生自己设计
五、数据处理
六、注意事项
在实验前预热十五分钟，实验中所加重量不超过10kg，本实验只要求大家加到5kg就好。

加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏应变片。

七、思考题
1．传感器不受外力时，理论上电桥处于平衡状态，但实测时电桥总是不平衡，为什么？
2．传感器的灵敏度与电源电压有何关系？电源电压能无限制加大吗？为什么？。