壓力傳感器特性的研究

1、其余各量均為常量。所以，應(yīng)變。與壓力 F F 成正比。m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2壓力傳感器特性的研究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。 壓力傳感器是最基本的傳感器之一，主要用在各種電子秤、應(yīng)力分析儀等儀器上。傳感器的種類很多，應(yīng)用極為廣泛。根據(jù)要求精度和使用方式不同，可選用不同型號(hào)的壓力傳感器。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?,了解壓力傳感器的工作原理。2,研究壓力傳感器的靜態(tài)特性。3,了解電位差計(jì)的工作原理，熟悉其使用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器壓力傳感器、電位差計(jì)、穩(wěn)壓電源、電壓表、祛碼等。三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)所用的傳感器，是由四片電阻應(yīng)變片組成，分別粘貼在彈性體的平行梁上、下兩表面上。四

2、個(gè)應(yīng)變片組成電橋，采用非平衡電橋原理，把壓力轉(zhuǎn)化成不平衡電壓進(jìn)行測(cè)量。下面我們從三個(gè)方面對(duì)壓力傳感器進(jìn)行討論。1.應(yīng)變與壓力的關(guān)系電阻應(yīng)變片是將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化。將電阻應(yīng)變片粘貼在懸臂梁式彈性體上。常見的懸臂梁形式有等截面梁、等強(qiáng)度懸臂梁、帶副梁的懸臂梁以及雙孔，單孔懸臂梁。圖2-1是等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖，彈性體是一端固定，截面積 S S 處處相等的等截面懸臂梁（S=bh,S=bh,寬度為 b,b,厚度為 h h）, ,在距載荷 F F 著力點(diǎn) L L。的上下表面，順 L L 方向粘貼有受拉應(yīng)變片 R R、R R 和受壓的 R R、R R 應(yīng)變片，粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)?6一f6FL。

3、Ybh2Y(2-1)式中f是應(yīng)變片處的應(yīng)力,Y Y 是彈性體的彈性模量。從式（2-1）可看出，除壓力 F F 外,圖2-1等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)2 .電阻的變化與電壓的關(guān)系由于彈性體的應(yīng)變發(fā)生了變化， 粘貼在其上的電阻應(yīng)變片的電阻值也隨之發(fā)生變化， 受拉的電阻應(yīng)變片電阻值增加，而受壓的電阻應(yīng)變片電阻值減少，把四個(gè)電阻應(yīng)變片組成一個(gè)電橋，這便成為差動(dòng)電橋，如圖2-2所示。此時(shí)電橋的輸出電壓 U U 為：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：47U=RTUSR4-RR3RR4-R4(2-2)若Rl=R2=R3=R4和

4、AR產(chǎn)AR2=AR3=AR4,則有RRi2RRi-Ri,Ri_US_US2RiRi由上式可知，電壓 U U 與電阻值的變化成正比。由此可看出差動(dòng)電橋既沒有非線性誤差， 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，電橋的不平衡電壓U可由電位差計(jì)測(cè)出。3.壓力傳感器的靜態(tài)特性壓力傳感器的基本特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。所謂靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性，即在靜載荷（力值）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（示值）之間的關(guān)系（線性關(guān)系），即U=a+bE由輸入和輸出的關(guān)系， 就可研究其靜態(tài)特性。傳感器在靜態(tài)工作條件下，其單位壓力所產(chǎn)生的輸出電壓，稱為

5、靜態(tài)靈敏度。在通常意義上，如指一臺(tái)傳感器靈敏度高，也指其分辨率高。用公式表示如下：.UdU啊。與=丁(2-4)(2-3)圖2-2應(yīng)變片差動(dòng)電橋電路U-UoF-Fo圖2-3所示為上述兩種情況下靈敏度的圖解表示，其中左圖為非線性靈敏度，右圖為(2-5)線性靈敏度圖解。3 .線性度（非線性誤差）L大多數(shù)傳感器的輸入和輸出具有比例關(guān)系，這種輸入輸出具有線性比例關(guān)系的傳感器稱線性傳感器。衡量線性傳感器線性特性好壞的指標(biāo)為非線性誤差，或稱線性度。隨著參考直線的性質(zhì)和引法不同，線性度有多種，下面僅介紹端點(diǎn)線性度。如圖2-4所示，將傳感器的實(shí)際零點(diǎn)和滿量程端點(diǎn)連線作為理論直線，傳感器實(shí)際平均輸出（正反行程平均

6、）特性曲線對(duì)理論直線的最大偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比來表示為：UImaL二一L.max100%U-U048一m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)(2-6)圖2-4端點(diǎn)線性度特性曲線圖2-5遲滯特性曲線m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)4 .遲滯（遲滯誤差）H傳感器在正（輸入量增加）、反（輸入量減少）行程中，輸入輸出曲線不重合的程度稱為遲滯。也就是說，對(duì)應(yīng)于同一輸入量，它的輸出量值有差別。遲滯可用傳感器最大正反差值與滿量程輸出的百分比來表示5 .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。此時(shí)，要求傳感器能夠隨時(shí)精確地跟蹤輸入量，輸出能夠按照輸入的變化規(guī)律而變化，這個(gè)過程又稱為響應(yīng)。響應(yīng)是描述動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù)。這里不研究

7、此特性。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1,按圖2-7連接電路，圖中PF1為壓力傳感器，UJ37為電位差計(jì)。2.測(cè)量加載力F與輸出電壓U的關(guān)系：保持工作電壓US為10.0V V。（1）加載祛碼，每次1Kg,分8次加到8Kg,記錄每次加載時(shí)的輸出電壓值。49一HJUH.max100%U-U0(2-7)圖2-5所示為傳感器的某種遲滯特性。4.重復(fù)性 R R多次重復(fù)測(cè)量時(shí)，在同是正行程（或同是反行程）中對(duì)應(yīng)同一輸入量，傳感器的輸出值也不相同，這種差值稱為重復(fù)差值。全量程中的最大重復(fù)差值與滿量程輸出值之比稱為重復(fù)性。如圖2-6所示，表達(dá)式如下R=UR.max100%U-U0(2-8)圖2-6重復(fù)性特性圖2-7實(shí)驗(yàn)電路圖5

8、0m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)（2）加到額定值后，開始卸載，分8次卸完，記錄每次卸載時(shí)的輸出電壓值。（3）重復(fù)上述兩步驟，進(jìn)行三次測(cè)量，將輸出電壓記錄在表格2-1中。表2-1輸出電壓隨加載力變化數(shù)據(jù)表（工作電壓不變）加載力/KG012345678加載輸出U/mv:卸載輸出U/mv加載輸出U/mv卸載輸出U/mv加載輸出U/mv:卸載輸出U/mv加載平均U/mv卸載平均U/mv3.測(cè)量傳感器工作電壓 U US與輸出電壓 U U 的關(guān)系：保持加載的祛碼為5KGKG（選作）。（1）調(diào)節(jié)工作電壓 U US從1.0V V 到10.0V V 分別記錄10次的輸出電壓值（每次IV）。同樣,降低電壓時(shí)，分別再記錄10次的輸

9、出電壓值（每次1V）。（2）重復(fù)上述步驟，進(jìn)行三次測(cè)量，將輸出電壓記錄在表格2-2中:表2-2輸出電壓與工作電壓變化數(shù)據(jù)表（壓力不變）工作電壓/V23456789加壓輸出U/mv減壓輸出U/mv加壓輸出U/mv減壓輸出U/mv加壓輸出U/mv減壓輸出U/mv加壓平均U/mv減壓平均U/mv五、數(shù)據(jù)處理1 .U US一定時(shí)，作UF關(guān)系曲線（分別將加載三次平均，減載三次平均，做兩個(gè)曲線）2 .F一定時(shí)，作UU關(guān)系曲線。（分別將加載三次平均，減載三次平均，做兩個(gè)曲線）3.用UF曲線，測(cè)給定物體的質(zhì)量。m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)附錄：電位差計(jì)的測(cè)量原理及使用方法一、補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)如圖2-8（a）所示，用電壓表測(cè)量

10、電動(dòng)勢(shì)時(shí)，由于電壓表內(nèi)阻不可能無窮大，當(dāng)有電流I流過時(shí)，它在被測(cè)電動(dòng)勢(shì)內(nèi)阻r上的電壓降為Ir,則電壓表測(cè)出的值應(yīng)為曰-1r,而不是電動(dòng)勢(shì)EX。用補(bǔ)償法測(cè)量電動(dòng)勢(shì)如圖2-8（b）所示，圖中EP是連續(xù)可調(diào)且能準(zhǔn)確知道電壓值的電（a）電壓表測(cè)量電動(dòng)勢(shì)（b）補(bǔ)償法測(cè)電動(dòng)勢(shì)圖2-8測(cè)量電動(dòng)勢(shì)原理圖源，稱為補(bǔ)償電源。G為檢流計(jì)，當(dāng)流過G的電流為零（或G兩端的電壓為零）時(shí)，G指零（零偏轉(zhuǎn)）。測(cè)量時(shí)， 調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓EP,當(dāng)G零偏時(shí)， 稱后和EX達(dá)到補(bǔ)償狀態(tài)。 此時(shí)EX=EPO這種用補(bǔ)償電壓和被測(cè)量電壓相等 （檢流計(jì)指零）來測(cè)量電壓（或電動(dòng)勢(shì)）的方法，稱為補(bǔ)償法。用補(bǔ)償法測(cè)量電壓（或電動(dòng)勢(shì)）的優(yōu)點(diǎn)是，被測(cè)量和測(cè)

11、量?jī)x器（這里指補(bǔ)償電壓EP和檢流計(jì)）之間沒有電流。所以用補(bǔ)償法可以準(zhǔn)確測(cè)得電動(dòng)勢(shì)EXO二、電位差計(jì)原理以補(bǔ)償法原理構(gòu)成測(cè)量電壓 （或電動(dòng)勢(shì)）的儀器稱為電位差計(jì)。由補(bǔ)償法原理可知：電位差計(jì)應(yīng)具有一個(gè)可調(diào)節(jié)大小，且電壓值可準(zhǔn)確讀數(shù)的圖2-9電位差計(jì)原理圖補(bǔ)償電壓EP和一個(gè)檢流計(jì)。 在電位差計(jì)中， 利51EP,圖2-9是電位差計(jì)的原理圖。圖用精密可調(diào)電阻，通以標(biāo)準(zhǔn)化工作電流構(gòu)成m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中E是提供工作電流的電池，調(diào)節(jié)電位器R,可以改變工作電流的大小。標(biāo)準(zhǔn)電阻R和標(biāo)準(zhǔn)電池En用來檢測(cè)工作電流，精密變阻器R和R用來調(diào)節(jié)補(bǔ)償電壓。G為檢流計(jì)。如圖2-9示所示，電位差計(jì)的工作回路由工作電池E,工作電流調(diào)

12、節(jié)電位器RC,精密變阻器R、RB和標(biāo)準(zhǔn)電阻R構(gòu)成。先將開關(guān)K扳向標(biāo)準(zhǔn)一邊，調(diào)節(jié)工作電流調(diào)節(jié)電位器R,當(dāng)工作電流I在標(biāo)準(zhǔn)電阻R上的電壓IRn和標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，檢流計(jì)指零?；蛘哒f：當(dāng)檢流計(jì)指零時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電阻上的電壓IRn和標(biāo)準(zhǔn)電池的電動(dòng)勢(shì)相互補(bǔ)償：IRn=5,此時(shí)的電流為：,En.I=In(2-9)Rn校準(zhǔn)的工作電流In稱為標(biāo)準(zhǔn)化工作電流。工作電流校準(zhǔn)后，將開關(guān)K扳向未知端，使檢流計(jì)接入測(cè)量回路中，測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)EXO調(diào)節(jié)變阻器R和R,改變6=InR的大小，當(dāng)檢流計(jì)指零時(shí)，即有EX=EP=InRp(2-10)儀器在生產(chǎn)過程中，已直接把電阻的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，標(biāo)在刻度盤上。因此，6可直接從電位差計(jì)的刻度盤上讀出。三.電位差計(jì)的使用方法實(shí)驗(yàn)室所用的電位差計(jì)為UJ33型，其板面如圖2-10所示。它的使用方法如下：1 .調(diào)零：將“K”旋至“x1”位置，觀察檢流計(jì)指針是否指零。若不指零，調(diào)節(jié)“指52一m基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)零旋鈕”，使檢流計(jì)指針指零。2 .工作電流標(biāo)準(zhǔn)化：將“