壓力傳感器特性及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、壓力傳感器特性及其應(yīng)用設(shè)計(jì)壓力傳感器特性及其應(yīng)用設(shè)計(jì) 壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)部分（關(guān)于壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告）部分（關(guān)于壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告） 壓力傳感器是利用應(yīng)變電阻效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓量的器件,是最基本的傳感器之一，它種類很多，應(yīng)用也及廣。研究壓力傳感器的特性，具有非常實(shí)際的意義。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）了解和研究壓力傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性及其應(yīng)用。（2）理解半橋及全橋電路原理。（3）設(shè)計(jì)電子稱原理圖。（4）設(shè)計(jì)壓力報(bào)警控制裝置。 實(shí)驗(yàn)儀器 壓力傳感器 電位差計(jì) 穩(wěn)壓電源 變阻箱 砝碼等 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)中使用的壓力傳感器是由兩片電阻應(yīng)變片組成，分別粘貼在平衡梁兩、上下兩表面上

2、，兩個(gè)電阻應(yīng)變片以及外加的兩個(gè)變阻器組成差動(dòng)半橋，采用非平衡電橋原理，把壓力轉(zhuǎn)化為不平衡電壓進(jìn)行測(cè)量。下面具體討論一下壓力傳感器的幾種特性。(1) 非電量電測(cè)系統(tǒng)框圖信號(hào)處理顯示儀器被測(cè)量的量傳感器測(cè)量電路工作電源（2）應(yīng)變與壓力的關(guān)系等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖 電阻應(yīng)變片是將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化。將電阻應(yīng)變片粘貼在懸臂梁式彈性體上（如圖），等截面懸臂梁一端固定，截面積S處處相等（S=bh，寬度為b，厚度為h）。在距載荷F著力點(diǎn)L0的上下表面，順L0方向粘貼有受拉應(yīng)變片R1和受壓的R2。粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)?N N=f/Y=6F L0/Y=6F L0/(bh*hY Y) 式中

3、：f是應(yīng)變片處的應(yīng)力；Y是彈性體的彈性模量。 從式中可以看出，除壓力F外，其余各量均為常量，所以應(yīng)變N與壓力F成正比。 （2）電阻的變化也電壓的關(guān)系 參見(jiàn)前面實(shí)驗(yàn)可知，輸出電壓U與電阻值的變化成正比。由此可見(jiàn)，差動(dòng)電橋既沒(méi)有非線性誤差，又具有較高的靈敏度，同時(shí)還具有適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，輸出電壓U可由電位差計(jì)測(cè)出。 此時(shí)電橋的輸出電壓U為： 若R1=R2=R3=R4和R1=R2=R3=R4，則有 SSURRRRRRURRRRRRU443344221111SSSURRURRRURRRU1111111122（3）壓力傳感器的靜態(tài)特性壓力傳感器的靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性，

4、即在靜載荷作用下，用實(shí)驗(yàn)的方法求得輸入的力與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系（線性關(guān)系），即U=a+bF。由輸入和輸出的關(guān)系，即可研究靜態(tài)特性。1.靈敏度S 傳感器在靜態(tài)工作條件下單位壓力所產(chǎn)生的輸出電壓，稱為靜態(tài)靈敏度。靈敏度越高，其分辨率也高。如下公式表示： 這實(shí)際上就是傳感器輸入輸出特性曲線上某點(diǎn)的斜率。非線性傳感器各處的靈敏度是不相同的，對(duì)于線性傳感器靈敏度則為：dFdUFUSF0lim00FFUUS2.線性度（非線性誤差）L 將傳感器的實(shí)際零點(diǎn)和滿量程斷電連線作為理論直線，傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)理論直線的偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比表示。%1000max.UUULL3.遲滯（遲滯誤

5、差）H傳感器在正、反行程中，輸入輸出曲線不重復(fù)的程度稱為遲滯。%1000max.UUUHH4.重復(fù)度R 在多次重復(fù)測(cè)量正、反行程中，傳感器對(duì)同一輸入量有不同的輸出值，這種差值稱為重復(fù)差值。5.壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性（響應(yīng)） 動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性，傳感器能隨時(shí)間精確的跟蹤輸入量，輸出能夠按照輸入的變化規(guī)律而變化，這個(gè)過(guò)程稱為響應(yīng)，響應(yīng)是描述動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。%1000max.UUURR 實(shí)驗(yàn)步驟 （1）檢查實(shí)驗(yàn)儀器，按照非平衡電橋原理，連接半橋電路； （2）打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)電壓至6。0伏（具體實(shí)驗(yàn)具體要求），并將電流調(diào)至最大； （3）調(diào)節(jié)變阻箱的阻值，使得電位差計(jì)的示數(shù)小于0。2（本

6、實(shí)驗(yàn)使用的電位差計(jì)基本單位200毫伏）； （4）加載力，記錄數(shù)據(jù)，填入表格，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； （5）比較半橋與全橋電路的優(yōu)劣； 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表格一加載質(zhì)量(g)020406080100120140160180200加載輸出電壓(mV)0.000.150.310.450.610.800.991.171.361.551.75卸載輸出電壓(mV)-0.24-0.040.150.360.560.760.961.161.351.551.75平均值(mV)-0.120.0550.230.4050.5850.780.9751.1651.3551.551.75表格二表格二項(xiàng)目項(xiàng)目L0(cm)h(mm)b(mm)

7、數(shù)值數(shù)值38.000.1825.02 數(shù)據(jù)處理（1）測(cè)定壓力傳感器特性曲線（應(yīng)力與電壓線性關(guān)系的數(shù)據(jù)處理） 根據(jù)表格三中的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出應(yīng)力與電壓分別對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，將這些點(diǎn)連接起來(lái)得到一條曲線，如果忽略掉一些點(diǎn)的話，就會(huì)得到一條近似的直線，這就是應(yīng)力與電壓成線性關(guān)系。如圖， 電壓電壓應(yīng)力應(yīng)力 （2）輸出電壓與加載力之間的關(guān)系圖部分（關(guān)于壓力傳感器特性的創(chuàng)新及其應(yīng)用）（一）全橋電路的實(shí)驗(yàn)組裝 1實(shí)驗(yàn)步驟： 利用實(shí)驗(yàn)室所給的儀器把半橋電橋改裝成全橋電橋。在橫梁上下表面分別粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片（如圖所示）。一號(hào)電阻應(yīng)變片接在12號(hào)接線柱之間。二號(hào)電阻應(yīng)變片接在25號(hào)接線柱之間。三號(hào)電阻應(yīng)變片接在1

8、4號(hào)接線柱之間。四號(hào)電阻應(yīng)變片接在45號(hào)接線柱之間。在24號(hào)接線柱之間接一個(gè)電位器（電位器為了調(diào)節(jié)剛開(kāi)始時(shí)電橋兩邊之間電壓的平衡，使電橋兩邊之間的電勢(shì)差控制在一個(gè)可以接受的誤差范圍以內(nèi)）然后在電位器和4號(hào)接線柱上接一個(gè)放大器。 再在放大器上接一個(gè)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器。這樣就能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)。再把數(shù)字轉(zhuǎn)換器接在計(jì)算機(jī)上就可以適時(shí)檢測(cè)壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成物質(zhì)的質(zhì)量。最后在兩邊接上電源，就可以正常工作。2.實(shí)驗(yàn)所用儀器的改裝。實(shí)驗(yàn)所用儀器的改裝。 由于實(shí)驗(yàn)室中的儀器為半橋電橋，所以需要對(duì)實(shí)驗(yàn)用儀器進(jìn)行一定的改裝。在半橋電橋中只需要三個(gè)接線柱，而在全橋電橋中則需要五個(gè)接線柱。而且需要把

9、原來(lái)的兩個(gè)變阻箱換成兩個(gè)電阻應(yīng)變片貼在儀器的橫梁上，然后進(jìn)行線路的連接。具體的連接方法（如圖所示）12534全橋電路應(yīng)用圖全橋電路應(yīng)用圖231 1一 二三四54全橋電路實(shí)驗(yàn)原理圖全橋電路實(shí)驗(yàn)原理圖 說(shuō)明：一、二、三、四為電阻應(yīng)變片，1、2、3、4、5為五個(gè)接線柱 2利用計(jì)算機(jī)接口，進(jìn)行自動(dòng)適時(shí)檢測(cè)壓力，利用計(jì)算機(jī)接口，進(jìn)行自動(dòng)適時(shí)檢測(cè)壓力，并轉(zhuǎn)換成物質(zhì)質(zhì)量，進(jìn)行顯示。并轉(zhuǎn)換成物質(zhì)質(zhì)量，進(jìn)行顯示。 用A/D，D/A轉(zhuǎn)換接口把實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī)，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的信號(hào)。編制相關(guān)程序進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)： 傳感器 傳感器 傳感器 多 路 轉(zhuǎn) 換 器計(jì)算機(jī)變換 A/D計(jì)算機(jī)與壓力傳感器的連接計(jì)算機(jī)

10、與壓力傳感器的連接計(jì)算機(jī)信號(hào)轉(zhuǎn)換的程序#include Void main(); Double a,b,u,m; Coutu; Couta; Coutb; M=u/(9.8*b)-a/(9.8*b); Cout“m= ”m; 說(shuō)明：m為待測(cè)物體的質(zhì)量，u為應(yīng)變的電壓，a,b為常數(shù)，a,b可以通過(guò)放入固定已知質(zhì)量的物體，求出與應(yīng)變電壓的線性關(guān)系得出，然后輸入程序中。其中a為不加物體時(shí)的初始電壓，b為線性關(guān)系圖的斜率。根據(jù)公式u=a+bF,F=9.8m. 得出m=u/(9.8*b)-a/(9.8*b)。 放如一個(gè)待測(cè)物體在天平上，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變電壓，電壓通過(guò)放大器和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可

11、以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。相當(dāng)于在程序中輸入了電壓u，根據(jù)程序，計(jì)算機(jī)就可以自動(dòng)測(cè)量并顯示出待測(cè)物體的質(zhì)量。思考：怎樣控制天平的測(cè)量精度？ 當(dāng)天平測(cè)量范圍增大時(shí)，必然導(dǎo)致鋼尺橫梁加寬，加粗。這樣剛尺的靈敏度將降低，建議選取其他材料代替剛尺。盡量選用較為靈敏的電阻應(yīng)變片。（2）全橋電橋的應(yīng)用（自行設(shè)計(jì)的電子秤）電子顯示屏接線柱電阻片（上、下各兩片）托盤 這是完全按照實(shí)驗(yàn)室所擁有的裝置組裝的一個(gè)簡(jiǎn)易的電子秤。而且盡量把各種部件暴露在外面，以便顯示其原理。 板上的五個(gè)接線柱與上面實(shí)驗(yàn)室提供的裝置相同。右側(cè)為一個(gè)電子顯示屏，顯示其讀數(shù)。與電子計(jì)算機(jī)連接后將直接顯示所稱物體的質(zhì)量。 橫梁與原來(lái)的裝置相同，只是將

12、起寬度b加寬，厚度h加厚。長(zhǎng)度L進(jìn)行一定的縮短。根據(jù)公式N=f/Y=6F L0/(bh*hY)，橫梁所能夠承受的重力會(huì)相應(yīng)的增加，能測(cè)試的重量也會(huì)相應(yīng)的增加。 原來(lái)的實(shí)驗(yàn)儀器只能承受幾百克的物體，經(jīng)過(guò)以上改變就能稱重幾十千克的物體，而且通過(guò)實(shí)驗(yàn)，還可以測(cè)量出它們變化的具體線形關(guān)系。根據(jù)這個(gè)線形關(guān)系，編寫一個(gè)程序輸入計(jì)算機(jī)，測(cè)量出的電壓經(jīng)過(guò)放大器和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，計(jì)算機(jī)就可以相應(yīng)的得出此被測(cè)物體的質(zhì)量。（3）壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用）壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：利用壓力傳感器特性及應(yīng)用與汽車報(bào)警裝置 眾所周知，現(xiàn)在汽車報(bào)警裝置大多數(shù)是通過(guò)聲音控制的，如果汽車周圍的聲音超過(guò)了一

13、定的分貝數(shù)，則報(bào)警裝置開(kāi)始報(bào)警。這種報(bào)警裝置有一定的好處，能夠在一定程度上保護(hù)汽車不被偷竊。因?yàn)橐话阈⊥当I竊汽車時(shí)，都有可能發(fā)出比較強(qiáng)的響聲，造成報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。但是，這個(gè)裝置也有它的弱點(diǎn)：即在遇到其他的一些巨大聲響，并無(wú)小偷偷竊時(shí)也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警（本人就親眼目睹過(guò)曾經(jīng)因?yàn)榉疟夼跁r(shí)聲音過(guò)響，導(dǎo)致了周圍一排汽車報(bào)警器大作，造成人們虛驚一場(chǎng)），同時(shí)這種裝置也不是那么保險(xiǎn)。 究其原因，此裝置是按照聲音大小進(jìn)行報(bào)警。如果聲音不夠大的話，此裝置就不會(huì)進(jìn)行報(bào)警。而事實(shí)證明現(xiàn)在小偷可以在不發(fā)出過(guò)大聲響的情況下成功盜得汽車。所以聲控報(bào)警裝置的缺陷可見(jiàn)一斑。 我們認(rèn)為在聲控報(bào)警裝置的基礎(chǔ)上再加裝一個(gè)壓力傳感報(bào)警裝

14、置的話，則可以更有效的杜絕偷盜事件，而且成本也較為低廉。 實(shí)驗(yàn)原理：實(shí)驗(yàn)原理：在汽車的四個(gè)門上分別裝上一個(gè)壓力傳感裝置。因?yàn)闊o(wú)論你采用什么方法，如果你要盜竊汽車都必須要經(jīng)過(guò)門進(jìn)入汽車（也可以將汽車拖走，不過(guò)這樣盜竊不太現(xiàn)實(shí)。另一種方法是砸壞玻璃，不過(guò)這樣的話，聲控報(bào)警裝置將自動(dòng)生效）。 我們可以把壓力傳感器的電源控制開(kāi)關(guān)和汽車鑰匙發(fā)出的信號(hào)相連通，汽車鑰匙可以控制這套裝置的開(kāi)啟。如果使用鑰匙開(kāi)門的話，電源控制開(kāi)關(guān)接到鑰匙發(fā)出的電子信號(hào)后將自動(dòng)關(guān)閉。所以開(kāi)門將不會(huì)進(jìn)行報(bào)警。 反之，如果你不使用鑰匙，而使用非法手段進(jìn)行開(kāi)門的話。將會(huì)觸動(dòng)壓力傳感裝置，電橋之間將會(huì)產(chǎn)生電流，而電橋之間接上了你個(gè)報(bào)警裝

15、置，產(chǎn)生電流后將會(huì)自動(dòng)報(bào)警。實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)原理圖電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片報(bào)警器報(bào)警器受鑰匙電子受鑰匙電子信號(hào)控制信號(hào)控制 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 轉(zhuǎn)眼間，四周的實(shí)驗(yàn)選修課已告結(jié)束。本組成員在做完前兩周的常規(guī)實(shí)驗(yàn)后。毅然選擇了自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計(jì)。 自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)于經(jīng)濟(jì)學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。我們常為摸索一個(gè)公式的來(lái)龍去脈而絞盡腦汁，也常為尋求一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論來(lái)源而大費(fèi)周折，更為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)論偏差而苦苦思索，正所謂“千淘萬(wàn)漉雖辛苦，吹盡黃沙始到金”。艱苦的探索之后，在季老師的悉心指導(dǎo)之下，我們的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)終于圓滿完成。付出之后，我們嘗到了成功的喜悅，也從中學(xué)到了許多。 其一，實(shí)驗(yàn)鍛煉了我們的動(dòng)手能力，實(shí)踐與理論相結(jié)合，讓我們重新碰撞出智慧的火花。 其二，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的重重困難，需要我們用心去嘗試，摸索，對(duì)我們養(yǎng)成積極思考的習(xí)慣不無(wú)裨益。此外對(duì)我們也是一種性情的錘煉和陶冶。 其三，實(shí)