大学物理实验I

压力传感器实验一、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。

A LR ρ= （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。

A A L L R R ∆-∆+∆=∆ρρ （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。

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R1和R2在实验板上为固定电阻，R x1和R x2用电阻箱，调节供电电源电压E0=6.00伏。

（2）R1=R2=1MΩ，即K=1；再调节R x1= R x2=10KΩ，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 x1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 x1增大1.200KΩ。

2．测定双臂输入时电桥的电压输出特性（1）调节Ω==kRRxx1021，使电桥平衡。

（2）使R x1每次增大200Ω，而R x2相应每次减少200Ω，测出电桥的相应输出电压ABU。

直到R x1、R x2的最大改变量为1.2000KΩ。

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U0。

（2）再按相反次序将砝码逐一取下，记录输出电压值U0。

（3）用逐差法求出传感器的灵敏度S。

F U S ∆∆=0（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0U '，同一物体测量三次求出平均值0U '。

（2）物体的重量S U W 10⨯'= （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。

霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量一、实验原理静止的载流导体位于磁场中(三个条件，静止、通电导体、磁场)，当电流I 的方向与磁场的方向有一定夹角时，在垂直于电流和磁场方向的载流导体的两侧面之间会产生电动势，电流方向与磁场方向垂直时，产生的电动势最大，这一现象称为霍尔效应。

霍尔效应的本质是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起偏转，当带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直于电流和磁场的方向产生正、负电荷的聚集，从而在材料中形成附加的横向电场。

霍尔效应一般极为微弱，但在高纯度的半导体中比较明显，因为半导体材料的载流子迁移率很高，电阻率也比较大。

实用中为提高霍尔元件的灵敏度，将元件制成很薄、很小的矩形。

过去霍尔元件的尺寸都在毫米数量级，新的制作工艺(真空镀膜)已使霍尔元件的尺寸更小，仅为微米数量级。

所以实验中要严格按要求施加工作电流，注意安全，保护仪器。

霍尔效应已在科学实验和工程技术中得到广泛应用。

霍尔传感器主要用在以下几个方面：测量磁场强度；测量交直流电路电流强度和电功率；转换信号，如将直流电流转换成交流电流；对各种非电量的物理量进行测量并输出电信号供自动检测、控制和信息处理，实现生产过程的自动化。

无论工科或理科学生，了解这一极富实用性的实验，对将来的工作和学习都有帮助。

二、实验仪器实验仪器由两部分组成，实验仪和测试仪。

实验仪包括一个用来产生匀强磁场的电磁铁，一个置于电磁铁缝隙中的霍尔传感器，其位置可调节，左右两个开关分别控制霍尔传感器工作电流I S和电磁铁线圈激励电流I M的方向，中间开关向上闭合用以测量霍尔传感器输出的霍尔电压V H，向下闭合用以测量霍尔传感器上的电压降V0。

仪器上标有该霍尔传感器的灵敏度KH，注意要将单位mV/(mA*KGS)换算成国际单位制。

测试仪是实验电源和测量仪表，两个恒流源分别输出霍尔传感器工作电流I S和电磁铁线圈激励电流I M，调节I S和I M，可实现实验条件的控制和改变，两者共用一个电流表读数，注意测量霍尔传感器工作电流时读数最大值是1.999毫安，测量电磁铁线圈激励电流时读数最大值是1.999安培，左边电压表用来测量霍尔电压V H和V0，读数单位是毫伏。

三、实验内容、方法、实验报告要求由于产生霍尔效应的同时还伴随着多种副效应，使得测量过程包含着系统误差，为减小或消除系统误差，采用对称测量法，然后求各次测量的平均值，要正确应用公式(V a-V b+V c-V d)/4≈V H，需正确定义I S、I M的方向。

1、测绘电磁铁气隙中磁感应强度B沿X方向的分布曲线，作B—X图。

用表4.7.5记录数据，用公式(20)计算各点磁感应强度B的值，调节I M为0.8A，IS为1.0mA，电磁铁气隙边长(X方向)为50mm；2、测绘V H—I M关系曲线，用表4.7.3记录数据，调节IS为1.0mA，霍尔元件置于电磁铁气隙中心；3、测绘V H—I S关系曲线，用表4.7.1记录数据，，调节IM为1.0A，调节I S从0.1~1.0mA(间隔0.1mA)，霍尔元件置于电磁铁气隙中心，根据中心点的磁感应强度B应用公式(9)计算霍尔元件材料的霍尔系数RH；4、测量霍尔元件的电导率、载流子迁移率，用表4.7.2记录数据，调节I S从0.2~1.0mA(间隔0.1mA)，绘制I S—V0曲线；5、实验报告要求分析四个坐标图的物理意义，并给出文字说明和实验结论。

以上实验内容适用06年版《大学物理实验》示波器的调整和使用示波器利用电场对电子运动轨迹的影响来反映电压的瞬变过程。

由于电子惯性小，荷质比大，因此示波器具有较宽的频率响应，可用以观察变化极快的电压瞬变过程。

用它可以直接测定电信号的电压、相位、周期和频率等参数。

实验目的(1) 了解示波器的工作原理(2) 掌握示波器的基本调整方法和工作模式。

(3) 掌握用示波器观测信号的方法。