壓力傳感器的基本特性測(cè)量及電子秤的設(shè)計(jì)

1、壓力傳感器的基本特性測(cè)量及電子秤的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? . 了解金屬箔式應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)和性能，單臂單橋的工作原理和工作情況。2 .測(cè)量應(yīng)變式傳感器的壓力特性，計(jì)算其靈敏度。3 .測(cè)量應(yīng)變式傳感器的電壓特性，作出輸出電壓與工作電壓的關(guān)系特性圖。4 .根據(jù)應(yīng)變式傳感器的壓力特性設(shè)計(jì)一個(gè)電子秤。三、實(shí)驗(yàn)儀器YJ-WLT-I物理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、壓力傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、電橋模塊與差動(dòng)放大器（含 調(diào)零模塊）一起提供線路板、萬用表、標(biāo)準(zhǔn)祛碼等。 四、實(shí)驗(yàn)原理金屬導(dǎo)體的電阻隨其所受機(jī)械形變（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而發(fā)生變化，其原因是 導(dǎo)體的電阻與材料的電阻率以及它的幾何尺寸（長(zhǎng)度和截面）有關(guān)。由于導(dǎo)體在承受 機(jī)械形變過

2、程中，其電阻率、長(zhǎng)度和截面積都要發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化， 因此電阻應(yīng)變片能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，描述電阻應(yīng)變效應(yīng)的關(guān) 系式為： R/R=Ke（1）式中 R/R為電阻絲電阻相對(duì)變化，K為應(yīng)變靈敏系數(shù)，fA L /L為電阻絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，金屬箔式應(yīng)變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，通過它轉(zhuǎn) 換被測(cè)部位受力狀態(tài)變化，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓 反映了相應(yīng)的受力狀態(tài)。應(yīng)變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由雙孔平衡梁和粘貼在梁上的電阻應(yīng)變片 RiR4組成，電阻應(yīng)變片

3、一般由敏感柵、基底、粘合劑、引線、蓋片等組成。應(yīng)變片的規(guī)格一 般以使用面積和電阻值來表示，如 “3X 10mm2, 350 ” 。敏感柵由直徑約0.01mm-0.05mm 高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲成柵狀，它實(shí)際上是一個(gè)電阻 元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基片上.基底應(yīng)保證將構(gòu)件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上去，故基底必須做得很?。ㄒ话銥?.03mm-0.06mm ）,使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起；另外，它還應(yīng)有良好的絕緣性、抗潮性和耐熱性.基底材料有紙、膠膜和玻璃纖維布等。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測(cè)量電路相連接，一般由0.1mm-0.2mm低阻鍍錫

4、銅絲制成，并與敏感柵兩端輸出端相焊接，蓋片起保護(hù)作用。在測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變 形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的形變，從而使電阻隨之發(fā)生變化。通過測(cè)量電阻值 的變化可反映出外力作用的大小。壓力傳感器是將四片電阻分別粘貼在彈性平行梁的上下兩表面適當(dāng)?shù)奈恢?，梁的一端固定，另一端自由用于加載荷外力F彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉, 電阻片Ri和R3亦受拉伸作用電阻增大；梁的下表面受壓， 外力的作用通過梁的形變而使四個(gè)電阻值發(fā)生變化，這就是 壓力傳感器。應(yīng)變片 Ri= R2= R3= R4。應(yīng)變片可以把應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。為了顯示 和記錄應(yīng)變

5、的大小，還需把電阻的變化再轉(zhuǎn)化為電壓或電流 的變化。最常用的測(cè)量電路是由應(yīng)變片組成的電橋測(cè)量電路， 如圖2所示。當(dāng)應(yīng)變片受到壓力作用時(shí)， 引起彈性體的變形, 使得粘貼在彈性體上的電阻應(yīng)受片R1-R4的阻值發(fā)生變化，電橋?qū)a(chǎn)生輸出，其輸出電壓正比于所受到的壓力。Uo =SF五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容壓力傳感器的基本特性的測(cè)量1 .壓力傳感器的壓力特性的測(cè)量(1)將100g傳感器輸出電纜線接入壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?的電纜座中，用導(dǎo)線將壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械碾姌蜉敵龆伺cR2和R4電阻減小。這樣,圖2YJ-WLT-I物理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)字電壓表的輸入端相連，測(cè)量選擇置于 200mV,然后用導(dǎo)線將壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械?/p>

6、電橋的電源端與YJ-WLT-I物理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電壓輸出端相連.接通電源，調(diào)節(jié)工作電壓為 2V,按順序增加祛碼的數(shù)量(每次增加10g)至100g,分別測(cè)傳感器的輸出電壓.(2)按順序減去祛碼的數(shù)量(每次減去10g)至0g,分別測(cè)量傳感器的輸出電壓.(3)用逐差法處理數(shù)據(jù)，求靈敏度So2 .壓力傳感器的電壓特性的測(cè)量保持傳感器的壓力不變(如 50g),改變工作電壓分別為 3V、4V、5V、6V、7V、 8 V, 9 V測(cè)量傳感器電源電壓 E與電橋輸出電壓 AU。的關(guān)系，作E AU。關(guān)系曲線，求 靈敏度Sv。3 .應(yīng)變式壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迦鐖D5所示，R1 R4應(yīng)變式壓力傳感器的四個(gè)應(yīng)變電阻，由 R

7、1一 R4等電阻組成的電壓為U01,冗1為零點(diǎn)調(diào)節(jié)。由R7R13、IC1等組成的差動(dòng)放大器放大倍數(shù)由Rw3調(diào)節(jié)，輸出的電壓為 U 02。使用、調(diào)試方法：(1)用導(dǎo)線連接實(shí)驗(yàn)儀各電源插座和實(shí)驗(yàn)?zāi)０逑鄬?duì)應(yīng)的接線柱，并將100g傳感器電纜線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０澹脤?dǎo)線短路放大器輸入端，放大器的輸出端與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電壓 測(cè)量輸入相連，測(cè)量選擇置200mV檔，打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電源開關(guān)，調(diào)節(jié)放大器調(diào)零旋鈕Rw2使放大器輸出電壓為0.0mV ,去掉短路線用連接線將放大器的輸入端與非平衡電壓力傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?00g 傳圖5橋的輸出端相連，放大器的輸出端與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量輸入相連，實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量選擇置200mV 檔.(2)在壓力傳感器

8、秤盤上沒有任何重物時(shí)，測(cè)量放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)零點(diǎn)調(diào)節(jié)Rwi旋鈕使放大器的車出電壓為0.0mV(3)將100g標(biāo)準(zhǔn)祛碼置于壓力傳感器秤盤上，測(cè)量放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)調(diào)節(jié) Rw3旋鈕使放大器的輸出電壓為100.0mV. (0.1mV相當(dāng)于0.1g.)(4)改變壓力傳感器秤盤上的標(biāo)準(zhǔn)祛碼，檢驗(yàn)放大器的輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)祛碼的標(biāo) 稱值是否對(duì)應(yīng).(5)重復(fù)2)、3)步操作，使誤差最小.(6)評(píng)估你設(shè)計(jì)制作的電子秤。電子稱的設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)變式傳感器的壓力特性，設(shè)計(jì)一個(gè)電子秤，參考電路見圖1、設(shè)計(jì)要求量程：0100.0g;精度：在量程范圍內(nèi)，額定誤差小于最大量程的0.5%;靈敏度：0. 1 g ;顯示

9、：電壓輸出 0 100.0mV2、可提供的儀器和元件YJ-WLT-I物理綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、壓力傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、電橋模塊與差動(dòng)放大器(含 調(diào)零模塊)一起提供線路板、萬用表、標(biāo)準(zhǔn)祛碼等。3、參考設(shè)計(jì)方案電子秤的測(cè)量原理。首先是通過壓力傳感器采集到被測(cè)物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成 電壓信號(hào)。由于應(yīng)變式壓力傳感器輸出的電壓僅為毫伏量級(jí)，如果后級(jí)采用數(shù)字電壓 表作為顯示儀表，則應(yīng)把壓力傳感器輸出的毫伏信號(hào)放大到相應(yīng)的電壓信號(hào)輸出。放 大后的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路送到單片機(jī)中，再經(jīng)過單片機(jī)控制譯碼顯示器，從而顯不'物體重量。整套裝置的組成框圖如圖3所示。圖3(1)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)測(cè)量所提出的精度和靈敏度

10、的要求，各組成部分的主要性能參數(shù)要求如下：就本設(shè)計(jì)而言，應(yīng)變式壓力傳感器是關(guān)鍵部分，它的特性指標(biāo)將對(duì)放大電路及顯示儀 表的選擇起決定性的作用。因此，首先要研究和測(cè)量壓力傳感器的特性指標(biāo)。(2)壓力傳感器的參數(shù)測(cè)試和性能研究測(cè)量傳感器內(nèi)部各橋臂的電阻值：將100g傳感器電纜線接入實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，用萬用表測(cè)量 R1、R2、R3、R4的電阻值。R1=1.745k Q R2=1.8508k Q R3=1.7013k Q R4=1.8064K Q .測(cè)定壓力傳感器的其它性能：壓力傳感器靈敏度及線性即在某一定的供橋電壓下，單位荷載變化所引起的輸出電壓變化，用S表示：S=AU0/A F實(shí)驗(yàn)中，不但要求出S值，還要

11、求利用兩個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算法求輸出電壓U0和壓力F之間的相關(guān)系數(shù)，即線性度。壓力傳感器電壓靈敏度即在額定荷載下，供橋電壓變化所引起的輸出變化，用Sv表示，則Sv= U0/ AU 橋同樣，也要研究其線性，求其相關(guān)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器有數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、祛 碼右干。(3)決定其他部分的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)壓力傳感器的量程和電子秤的稱重范圍，在充分利用傳感器量程的前提下， 設(shè)計(jì)計(jì)算放大器的放大倍數(shù)和傳感器的工作電壓。設(shè)計(jì)放大電路，并進(jìn)行調(diào)試和安裝測(cè)定?？稍谥笇?dǎo)老師的指導(dǎo)下熟悉有關(guān)的放大 線路，并進(jìn)行線路的測(cè)定和調(diào)試。由于壓力傳感器輸出的信號(hào)是很小的，一般為毫伏 的量級(jí)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，要在0100.0g的稱量范

12、圍內(nèi)，直接以電壓值顯示，所以需要放大系統(tǒng)將該信號(hào)進(jìn)行放大再輸入顯示系統(tǒng)顯示物體的重量。本設(shè)計(jì)中采用差動(dòng) 放大器實(shí)現(xiàn)，測(cè)量放大電路除可自行安裝調(diào)試外，也可直接采用實(shí)驗(yàn)室提供的放大倍 數(shù)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)?zāi)０?，模板使用和調(diào)試方法參見附錄。(4)整機(jī)測(cè)定和調(diào)試把傳感器、放大器和顯示裝置(采用適當(dāng)量程和精度的數(shù)字電壓表)連成一體，進(jìn)行模擬測(cè)試，求物體重量變化與輸出電壓示值的關(guān)系，驗(yàn)證各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)到要求。六、數(shù)據(jù)分析:表1壓力傳感器的壓力特性m (g)0102030405060708090100加 AU (mV)00.08.517.025.533.841.550.459.367.575.984.1減 AU (

13、mV)00.08.316.425.033.642.150.659.067.575.784.1用逐差法求靈敏度為：加AU時(shí)：S=A Uo/AF=42.18/(50*9.8)=0.086 (V/N)減AU時(shí)：S=A Uo/AF=42.3/(50*9.8)=0.086 (V/N)用兩個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算法求輸出電壓U0和壓力F之間的相關(guān)系數(shù)為:加 AU 時(shí) r=0.999956減 AU 時(shí) r=0.999986輸出電壓 U 0和壓力F線性度比較好。表2壓力傳感器的電壓特性E (V)12345678910AUo (mV)0.010.010.020.010.010.020.010.020.010.02AU

14、050(mV)17.835.352.769.987.1104.0120.7137.3154.0170.1用逐差法求靈敏度為：額定荷載為0g時(shí)：Sv=A Uo/ U 橋=0.000004額定荷載為50g時(shí)：Sv=A Uo/ U 橋=0.017用兩個(gè)變量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算法求輸出電壓U0和供橋電壓 U橋之間的相關(guān)系數(shù)為:額定荷載為0g時(shí)：r=0.355335輸出電壓 U和供橋電壓 U橋線性度不好。額定荷載為50g時(shí)：r=0.999934輸出電壓L0和供橋電壓 U橋線性度比較好。額定荷載為0g時(shí):輸出電壓與工作電壓的關(guān)系特性圖0123456789 10 110.025 0.02 m 0.015 U 0.01

15、0.0050額定荷載為50g時(shí):E/V輸出電壓與工作電壓關(guān)系特性圖m01 23456789 10 11E/V輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)祛碼的標(biāo)稱值的關(guān)系mg(g)0102030405060708090100U0(mv)0.0310.1220.1330.1140.0950.1161.1470.1380.0890.1399.82相對(duì)誤差:mg=10g 時(shí),mg=20g 時(shí),mg=30g 時(shí),mg=40g 時(shí),mg=50g 時(shí),mg=60g 時(shí),mg=70g 時(shí),mg=80g 時(shí),mg=90g 時(shí),E= ( 10.04-10E= ( 20.08-20E= (30.11-30E= (40.09-40E= (50.11-50E= (60.