压力传感器大学物理

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 L

R 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Ω==k R R x x 1021，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AB U 。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 。

F U S ∆∆=0

（伏/千克） （13）