压力传感器特性的研究

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图2-1 等截面梁结构示意图

实验2 压力传感器特性的研究

压力传感器是利用应变电阻效应，将力学量转换成易于测量的电压量的器件。压力传感器是最基本的传感器之一，主要用在各种电子秤、应力分析仪等仪器上。传感器的种类很多，应用极为广泛。根据要求精度和使用方式不同，可选用不同型号的压力传感器。 一、实验目的

1. 了解压力传感器的工作原理。

2. 研究压力传感器的静态特性。

3. 了解电位差计的工作原理，熟悉其使用方法。

二、实验仪器

压力传感器、电位差计、稳压电源、电压表、砝码等。

三、 实验原理

本实验所用的传感器，是由四片电阻应变片组成，分别粘贴在弹性体的平行梁上、下两表面上。四个应变片组成电桥，采用非平衡电桥原理，把压力转化成不平衡电压进行测量。下面我们从三个方面对压力传感器进行讨论。

1. 应变与压力的关系

电阻应变片是将机械应变转换为电阻阻值的变化。将电阻应变片粘贴在悬臂梁式弹性体上。常见的悬臂梁形式有等截面梁、等强度悬臂梁、带副梁的悬臂梁以及双孔，单孔悬臂梁。

图2-1是等截面梁结构示意图，弹

性体是一端固定，截面积S 处处相等的等截面悬臂梁（S ＝bh ，宽度为b ，厚度为h ），在距载荷F 着力点L 0的上下表面，顺L 方向粘贴有受拉应变片R 1、R 3和受压的R 2、R 4应变片，粘贴应变片处的应变为

Y

bh FL Y f 2006==

ε (2-1) 式中f 是应变片处的应力，Y 是弹性体的弹性模量。从式(2-1)可看出，除压力F 外，其余各量均为常量。所以，应变ε0与压力F 成正比。

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图 2-2 应变片差动电桥电路

2. 电阻的变化与电压的关系

由于弹性体的应变发生了变化，粘贴在其上的电阻应变片的电阻值也随之发生变化，受拉的电阻应变片电阻值增加，而受压的电阻应变片电阻值减少，把四个电阻应变片组成一个电桥，这便成为差动电桥，如图2-2所示。此时电桥的输出电压U 为：

S S U R R R R R R U R R R R R R U 4

4334

4221111∆∆∆∆∆∆-++---+++=

(2-2)

若R 1=R 2=R 3=R 4和ΔR 1=ΔR 2=ΔR 3=ΔR 4，则有

S S S U R R

U R R R U R R R U 1

111111122∆∆∆=--+=

(2-3) 由上式可知，电压U 与电阻值的变化成

正比。由此可看出差动电桥既没有非线性误差，又具有较高的灵敏度，同时还具有适应温度变化的补偿能力等优点。实验中，电桥的不平衡电压U 可由电位差计测出。

3. 压力传感器的静态特性

压力传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。所谓静态特性是指输入不随时间而变化的特性，即在静载荷（力值）作用下，用实验的方法求得输入的力与传感器输出电压（示值）之间的关系（线性关系），

即U=a+bF 。由输入和输出的关系，就可研究其静态特性。 1．灵敏度S

传感器在静态工作条件下，其单位压力所产生的输出电压，称为静态灵敏度。在通常意义上，如指一台传感器灵敏度高，也指其分辨率高。用公式表示如下：

dF dU

F U S F =⎪⎭

⎫ ⎝⎛∆∆=→∆0lim (2-4) 这实际上就是传感器输入输出特性曲线上某点的斜率。非线性传感器各处的灵敏度是

不相同的，对于线性传感器灵敏度则为：

F F U U S --=

(2-5)

图2-3所示为上述两种情况下灵敏度的图解表示，其中左图为非线性灵敏度，右图为

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非线性灵敏度 线性灵敏度

图2-3 灵敏度特性曲线

图2-4 端点线性度特性曲线

图2-5 迟滞特性曲线

线性灵敏度图解。

2．线性度(非线性误差)Ｌ

大多数传感器的输入和输出具有比例关系，这种输入输出具有线性比例关系的传感器称线性传感器。衡量线性传感器线性特性好坏的指标为非线性误差，或称线性度。随着参考直线的性质和引法不同，线性度有多种，下面仅介绍端点线性度。

如图2-4所示，将传感器的实际零点和满量程端点连线作为理论直线，传感器实际平均输出（正反行程平均）特性曲线对理论直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示为：

%1000

max

.⨯-=

U U U L L ∆ (2-6)

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图2-6 重复性特性

3．迟滞（迟滞误差）H 传感器在正（输入量增加）、反（输入量减少）行程中，输入输出曲线不重合的程度称为迟滞。也就是说，对应于同一输入量，它的输出量值有差别。迟滞可用传感器最大正反差值与满量程输出的百分比来表示

%1000

max

.⨯-=

U U U H H ∆ (2-7)

图2-5所示为传感器的某种迟滞特性。 4．重复性R

多次重复测量时，在同是正行程（或同是反行程）中对应同一输入量，传感器的输出值也不相同，这种差值称为重复差值。全量程中的最大重复差值与满量程输出值之比称为重复性。如图2-6所示，表达式如下

%1000

max

.⨯-=

U U U R R ∆ (2-8)

5．动态特性（响应）

动态特性是指输入随时间而变化的特性。此时，要求传感器能够随时精确地跟踪输入量，输出能够按照输入的变化规律而变化，这个过程又称为响应。响应是描述动态特性的重要参数。这里不研究此特性。 四、实验内容

1. 按图2-7连接电路，图中PF1为压力传感器，UJ37为电位差计。

2. 测量加载力F 与输出电压U 的关系：保持工作电压U s 为10.0V 。

（1）加载砝码，每次1Kg ，分8次加到8Kg ，记录每次加载时的输出电压值。

图2-7 实验电路图