实验十六压力传感器特性研究及其应用

实验十六 压力传感器特性研究及其应用
在物理实验、科学研究和生产过程中，需要测量各种物理量，其中不少是非电量。

由于电学量在测量、传送、记录等方面有很多的优点，所以现代测量技术中对非电量测量亦广泛使用电测法。

将非电量信号转换成电量信号的装置叫做传感器。

传感器是现代检测和控制系统的重要组成部分。

传感器的作用就是把被测量的非电量信号（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流），然后再经过适当的测量电路处理后，送至指示器指示或记录。

这种非电量至电量的转换是应用不同物体的某些电学性质与被测量之间的特定关系来实现的，例如利用电阻效应、热电效应、磁电效应、光电效应和压电效应等关系。

应用不同物体的独特的物理变化，设计和制造出适用于各种不同用途的传感器。

压力传感器是最基本的传感器之一。

【实验目的】
1．了解非电量电测的一般原理和测量方法。

2．掌握压力传感器的构造、原理、测量方法和特性。

3．了解非平衡电桥的原理，用逐差法处理数据的方法。

【实验原理】
非电量电测系统一般由传感器、测量电路和显示记录三部分组成，它们的关系如图16-1所示。

现在以应变电阻片做成的压力传感器为例进一步讨论如何实现将“力”的测量转变为“电压”测量的电测系统。

图16-1 非电量电测系统 图16-2 应变电阻片
1．压力传感器
应变电阻片是用一根很细的康铜电阻丝按图-2所示的形状弯曲后用胶粘贴在衬底（用纸或有机聚合物薄膜制成）上，电阻丝两端有引出线用于外接。

康铜丝的直径在0.012～0.050m m 之间。

电阻丝受外力作用拉长时电阻要增加，压缩时电阻要减小，这种现象称为“应变效应”，这种电阻片取名为“应变电阻片”。

将应变电阻片粘贴在弹性材料上，当材料受外力作用产生形变时，电阻片跟着形变，这时电阻值发生变化，通过测量电阻值的变化就可反映出外力作用的大小。

实验证明，在一定范围内电阻的变化和电阻丝轴向长度的变化成正比。

即 L L R R ∆∝∆ (16-1) 压力传感器是将四片电阻片分别粘贴在弹性平行梁A 的上下表面适当的位置，见图16-3。

R 1、R 2、R 3、R 4是四片电阻片，梁的一端固定，另一端自由，用于加载荷外力F 。

弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R 1、R 2亦受拉伸作用电阻增大，梁的下
表面受压，R 3、R 4电阻减小。

这样，外力F 的作用通过梁的形变而使四个电阻片电阻值发生变化，这就是压力传感器。

图16-3 压力传感器 图16-4 直流电桥
2．测量电路
由于电阻的变化是很微小的，因此要求测量电路能精确地测量出这些电阻微小的变化。

通常采用我们熟悉的电桥电路并用不平衡电桥进行测量。

传感器上的电阻R 1、R 2、 R 3、R 4接成图16-4所示的直流桥路，cd 两端接稳压电源E ，ab 两端为电桥电压输出端，输出电压为U 0，从图16-4可以有 )(4342110R R R R R R E U +-+= (16-2) 当电桥平衡时，即U 0=0，有 R 1·R 3=R 2·R 4 (16-3)
(16-3)式就是我们熟悉的电桥平衡条件。

在传感器上贴的电阻片是相同的四片电阻片，其电阻值相同，即有
R 1=R 2=R 3=R 4=R (16-4)
所以传感器不受外力作用时，电桥满足平衡条件，a 、b 两端输出的电压U 0=0。

当梁受到载荷F 的作用，如前面讨论可知电阻值发生了变化，即两个应变片受拉，两个 受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，如图16-5所示。

电桥不平衡，则有
)(
4
433442211110R R R R R R R R R R R R E U ∆-+∆+∆--∆-+∆+∆+= (16-5) 假设 ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4=ΔR (16-6)
将(16-4)、(16-6)式代入(16-5)式后得
R
R E U ∆⋅=0 (16-7) 从(16-7)式可知电桥输出的不平衡电压U 0是和电阻的变化ΔR 成正比的，这就是不平衡电桥的工作原理。

显然测量出U 0的大小即可反映外力F 的大小。

此外由(16-7)式还可知，若要获得较大的输出电压U 0，只要采用较高的电源电压E 即可，同时亦说明电源电压不稳定将给测量结果带来误差，因此电源电压一定要稳定。

3．显示记录
电压U 0的测量的显示用数字电压表。

【实验仪器】
PF-1型传感器特性仪，PF-2型传感器特性数显仪，PF-3型传感器特性平衡器。

【实验内容】
1．传感器的灵敏度S 的测量。

图16-6为实验接线图，图中：
R 0—PF-3型传感器特性平衡器；
R 1、R 2、R 3、R 4—PF-1型传感器特性仪；
U SC 、U SL —分别为PF-2传感器特性数显仪的工作电压和输出电压。

R 0的作用：当传感器不受外力作用时，电桥应处于初始平衡状态。

但实际上电桥各臂电阻R 1、R 2、R 3、R 4不可能完全相同，另外还有接触电阻和导线电阻等因素使得电桥总是稍微的不平衡，为此接入R 0，微调此电阻使桥满足初始平衡状态。

首先测量载荷力F 与电桥输出电压U 0=U SL 的关系。

保持电源工作在一定的电压U SC =E 下。

按顺序增加砝码的数量（如每次增加500g ，共10次），同时，记录每次加载时的输出电压值U 0i 。

再按相反次序将砝码逐次取下，记录输出电压U 0i 。

用逐差法求出传感器的灵敏度S 。

S =ΔU 0/ΔF (mV/N)
其中：ΔU 0为用逐差法而得的0U ∆值。

ΔF =F i +5-F i =2.500×9.8N
2．用压力传感器测量任一物体的重力W 。

将一未知重力的物体W 放置在PF-1型传感器
特性仪的加载平台上，测出输出电压0
U '，同一物体测量若干次，求出平均值0U '。

计算出物体的重力 W =0U '×S
1 3．测量传感器电源电压E (工作电压U SL )与电桥输出电压U 0的关系。

保持加载一定砝码质量（如m =1.000g ）。

改变电源工作电压E 值，分别记录输出电压U 0i 值。

作E —U 0曲线图，分析是否为线性关系。

【实验步骤】
1．按图16-6所示电路将仪器连接好。

图16-5 非平衡电桥 图16-6 测试线路
2．测量传感器的灵敏度S 。

保持电源工作电压U SC =E =10.0伏，调PF-3型传感器特性平衡器的电位器，使PF-2型传感器数显仪输出电压显示0.00mV 。

按顺序增加砝码的数量（每次增加500g ，共10次），同时，记录每次加载时的输出电压值U 0i 。

再按相反次序将砝码逐次取下，记录输出电压U 0i 。

3．测量任一物体的重力W 。

保持电源工作电压U SC =E =10.0伏，将一未知重力的物体
W 放置在PF-1型传感器特性仪的加载平台上，测出输出电压0
U '，同一物体测量三次。

4．测量传感器电源电压E (工作电压U SL )与电桥输出电压U 0的关系。

保持加载砝码质量m =1.000g 。

改变电源工作电压E 值：从1.0V 到10.0V(每次改变1.0V)，分别记录输出电压U 0i 值。

注意： 实验时不能超载，加减砝码要轻拿轻放，以免损坏传感器。

调节平衡器的电位器时动作要慢些。

【数据处理】
1．测量传感器灵敏度S 的数据列入表格（见表16-1）。

2．测量物体重力、电源输出工作电压E 和电桥输出电压U 0关系的数据表格由同学自己列出。

3．由实验步骤二中的测量数据U 0i ，用逐差法求得0U ∆值，从而求出传感器的灵敏度S 。

S =ΔU 0/ΔF (mV/N)
其中ΔF =F i +5-F i =2.500×9.8N
4．由实验步骤三中的测量数据算出平均值0U '，并由W =0U '×S
1，计算出该物体的重力 。

5．由实验步骤四中的测量数据，以E 为横坐标U 0为纵坐标画E —U 0曲线图，分析是否为线性关系。

【思考题】
1．当传感器不受外力作用时，电桥应处于初始平衡状态，传感器数显仪输出电压显示应为多少伏？
2．当传感器不受外力作用时，若传感器数显仪输出电压显示不为0.00mV ，表明电桥处于什么状态？应做如何调节使感器数显仪输出电压显示为0.00mV ？
3．简答压力传感器是利用电阻元件的什么电特性来实现对压力的测量？。