压力传感器的基本特性测量及电子秤的设计

压力传感器的基本特性测量及电子秤的设计

一、实验目的

1．了解金属箔式应变片的应变效应和性能，单臂单桥的工作原理和工作情况。

2．测量应变式传感器的压力特性，计算其灵敏度。

3．测量应变式传感器的电压特性，作出输出电压与工作电压的关系特性图。

4．根据应变式传感器的压力特性设计一个电子秤。

三、实验仪器

YJ-WLT-I物理综合实验平台、压力传感器实验装置、电桥模块与差动放大器（含调零模块）一起提供线路板、万用表、标准砝码等。

四、实验原理

金属导体的电阻随其所受机械形变（伸长或缩短）的大小而发生变化，其原因是导体的电阻与材料的电阻率以及它的几何尺寸（长度和截面）有关。由于导体在承受机械形变过程中，其电阻率、长度和截面积都要发生变化，从而导致其电阻发生变化，因此电阻应变片能将机械构件上应力的变化转换为电阻的变化。电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：

△R／R=Kε（1）

式中△R／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△ L／L为电阻丝长度相

对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转

换被测部位受力状态变化，电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压

反映了相应的受力状态。

要由双孔平衡梁和粘贴在梁上的电阻应变片

R1—R4组成，电阻应变片一般由敏感栅、基底、

粘合剂、引线、盖片等组成。应变片的规格一

般以使用面积和电阻值来表示，如

“3×10mm2，350Ω”。

敏感栅由直径约0.01mm--0.05mm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。

敏感栅用粘合剂将其固定在基片上.基底应保证将构件上的应变准确地传送到敏感栅

上去，故基底必须做得很薄（一般为0.03mm--0.06mm），使它能与试件及敏感栅牢固

地粘结在一起；另外，它还应有良好的绝缘性、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0.1mm--0.2mm 低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两端输出端相焊接，盖片起保护作用。

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

压力传感器是将四片电阻分别粘贴在弹性平行梁的上下两表面适当的位置，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和R 3亦受拉伸作用电阻增大；梁的下表面受压，R 2和R 4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R 1= R 2= R 3= R 4。 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化为电压或电流的变化。最常用的测量电路是由应变片组成的电桥测量电路，如图2所示。当应变片受到压力作用时，引起弹性体的变形，

使得粘贴在弹性体上的电阻应受片R 1--R 4的阻值发生变化，

电桥将产生输出，其输出电压正比于所受到的压力。

0U SF ∆= 五、实验内容

压力传感器的基本特性的测量

1.压力传感器的压力特性的测量

(1) 将100g 传感器输出电缆线接入压力传感器实验模板

的电缆座中，用导线将压力传感器实验模板中的电桥输出端与YJ-WLT-I 物理综合实验平台的数字电压表的输入端相连,测量选择置于200mV, 然后用导线将压力传感器实验模板中的电桥的电源端与YJ-WLT-I 物理综合实验平台的电压输出端相连.接通电源，调节工作电压为2V, 按顺序增加砝码的数量（每次增加10g ）至100g ，分别测传感器的输出电压.

（2）按顺序减去砝码的数量（每次减去10g ）至0g ，分别测量传感器的输出电压. （3）用逐差法处理数据，求灵敏度S 。 2. 压力传感器的电压特性的测量 保持传感器的压力不变（如50g ），改变工作电压分别为3V 、4V 、5V 、6V 、7V 、8V ，9V 测量传感器电源电压E 与电桥输出电压ΔU 0的关系，作E －ΔU 0关系曲线, 求灵敏度Sv 。

3.应变式压力传感器实验模板如图5所示，R 1—R 4应变式压力传感器的四个应变电阻，由R 1—R 4等电阻组成的电压为U 01，R w1为零点调节。由R 7—R 13、IC 1等组成的差动放大器放大倍数由R w3调节，输出的电压为U 02。

使用、调试方法：

（1）用导线连接实验仪各电源插座和实验模板相对应的接线柱，并将100g 传感器电缆线接入实验模板，用导线短路放大器输入端，放大器的输出端与实验平台电压测量输入相连，测量选择置200mV 档，打开实验平台电源开关，调节放大器调零旋钮R w2使放大器输出电压为0.0mV ，去掉短路线用连接线将放大器的输入端与非平衡电

200mV 档.

（2）在压力传感器秤盘上没有任何重物时，测量放大器的输出电压，调节零点调节R w1旋钮使放大器的输出电压为0.0mV

（3）将100g 标准砝码置于压力传感器秤盘上，测量放大器的输出电压，调节放大倍数调节R w3旋钮使放大器的输出电压为100.0mV.（0.1mV 相当于0.1g.）

（4)改变压力传感器秤盘上的标准砝码，检验放大器的输出电压与标准砝码的标称值是否对应.

（5）重复2）、3）步操作，使误差最小. （6）评估你设计制作的电子秤。

电子称的设计

根据应变式传感器的压力特性，设计一个电子秤，参考电路见图 1、 设计要求 量程：0—100.0g ；

精度：在量程范围内，额定误差小于最大量程的0.5%； 灵敏度：0. 1 g ；

显示：电压输出0—100.0mV 2、 可提供的仪器和元件

YJ-WLT-I 物理综合实验平台、压力传感器实验装置、电桥模块与差动放大器（含调零模块）一起提供线路板、万用表、标准砝码等。

100g 传感器

零点调节 放大倍数调

放大器调零 图5