壓力傳感器的基本特性測(cè)量及電子秤的設(shè)計(jì)

1、PAGE 1PAGE 11壓力傳感感器的基基本特性性測(cè)量及及電子秤秤的設(shè)計(jì)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)?zāi)康牧私饨饘賹俨綉?yīng)應(yīng)變片的的應(yīng)變效效應(yīng)和性性能，單臂單單橋的工工作原理理和工作作情況。測(cè)量應(yīng)變變式傳感器器的壓力力特性，計(jì)計(jì)算其靈靈敏度。測(cè)量應(yīng)變變式傳感器器的電壓壓特性，作作出輸出出電壓與與工作電電壓的關(guān)關(guān)系特性性圖。根據(jù)應(yīng)變變式傳感感器的壓壓力特性性設(shè)計(jì)一一個(gè)電子子秤。三、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)儀器YJ-WWLT-I物理理綜合實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)、壓力力傳感器器實(shí)驗(yàn)裝裝置、電電橋模塊塊與差動(dòng)動(dòng)放大器器（含調(diào)調(diào)零模塊塊）一起起提供線線路板、萬萬用表、標(biāo)準(zhǔn)砝碼等。四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)原理金屬導(dǎo)體體的電阻阻隨其所所受機(jī)械械形變（伸伸長(zhǎng)或縮縮短

2、）的的大小而而發(fā)生變變化，其其原因是是導(dǎo)體的的電阻與與材料的的電阻率率以及它它的幾何何尺寸（長(zhǎng)長(zhǎng)度和截截面）有有關(guān)。由于導(dǎo)導(dǎo)體在承承受機(jī)械械形變過過程中，其其電阻率率、長(zhǎng)度度和截面面積都要要發(fā)生變變化，從從而導(dǎo)致致其電阻阻發(fā)生變變化，因因此電阻阻應(yīng)變片片能將機(jī)機(jī)械構(gòu)件件上應(yīng)力力的變化化轉(zhuǎn)換為為電阻的的變化。電阻絲絲在外力力作用下下發(fā)生機(jī)機(jī)械變形形時(shí)，其其電阻值值發(fā)生變變化，這這就是電電阻應(yīng)變變效應(yīng)，描描述電阻阻應(yīng)變效效應(yīng)的關(guān)關(guān)系式為為：RRR=K（1）式中RRR為電阻阻絲電阻阻相對(duì)變變化，KK為應(yīng)變變靈敏系系數(shù)，= LL為電阻阻絲長(zhǎng)度度相對(duì)變變化，金金屬箔式式應(yīng)變片片就是通通過光刻刻、腐蝕蝕等

3、工藝藝制成的的應(yīng)變敏敏感元件件，通過過它轉(zhuǎn)換換被測(cè)部部位受力力狀態(tài)變變化，電電橋的作作用完成成電阻到到電壓的的比例變變化，電電橋的輸輸出電壓壓反映了了相應(yīng)的的受力狀狀態(tài)。R1R3R2R4圖1應(yīng)變式壓壓力傳感感器的結(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖1所示示，主要要由雙孔孔平衡梁梁和粘貼貼在梁上上的電阻阻應(yīng)變片片R1R4 組成成，電阻阻應(yīng)變片片一般由由敏感柵柵、基底底、粘合合劑、引引線、蓋蓋片等組組成。應(yīng)應(yīng)變片的的規(guī)格一一般以使使用面積積和電阻阻值來表表示，如如“310mmm2，3350”。敏感柵由由直徑約約0.001mmm-0.005mmm高電阻阻系數(shù)的的細(xì)絲彎彎曲成柵柵狀，它它實(shí)際上上是一個(gè)個(gè)電阻元元件，是是電阻應(yīng)

4、應(yīng)變片感感受構(gòu)件件應(yīng)變的的敏感部部分。敏感柵柵用粘合合劑將其其固定在在基片上上.基底底應(yīng)保證證將構(gòu)件件上的應(yīng)應(yīng)變準(zhǔn)確確地傳送送到敏感感柵上去去，故基基底必須須做得很很?。ㄒ灰话銥?0.033mm0.006mmm），使使它能與與試件及及敏感柵柵牢固地地粘結(jié)在在一起；另外，它它還應(yīng)有有良好的的絕緣性性、抗潮潮性和耐耐熱性.基底材材料有紙紙、膠膜膜和玻璃璃纖維布布等。引出線線的作用用是將敏敏感柵電電阻元件件與測(cè)量量電路相相連接，一一般由00.1mmm0.22mm低低阻鍍錫錫銅絲制制成，并并與敏感感柵兩端端輸出端端相焊接接，蓋片片起保護(hù)護(hù)作用。在測(cè)試時(shí)時(shí)，將應(yīng)應(yīng)變片用用粘合劑劑牢固地地粘貼在在被測(cè)試試

5、件的表表面上，隨隨著試件件受力變變形，應(yīng)應(yīng)變片的的敏感柵柵也獲得得同樣的的形變，從從而使電電阻隨之之發(fā)生變變化。通過測(cè)測(cè)量電阻阻值的變變化可反反映出外外力作用用的大小小。R1R4R2R3UE圖2壓力傳感感器是將將四片電電阻分別別粘貼在在彈性平平行梁的的上下兩兩表面適適當(dāng)?shù)奈晃恢茫毫旱囊欢硕斯潭?，另另一端自自由用于于加載荷荷外力FF彈性梁梁受載荷荷作用而而彎曲，梁梁的上表表面受拉拉，電阻阻片R1和R3亦受拉拉伸作用用電阻增增大；梁梁的下表表面受壓壓，R2和R4電阻減減小。這樣，外外力的作作用通過過梁的形形變而使使四個(gè)電電阻值發(fā)發(fā)生變化化，這就就是壓力力傳感器器。應(yīng)變片片R1= R2= R3=

6、R4。應(yīng)變片可可以把應(yīng)應(yīng)變的變變化轉(zhuǎn)換換為電阻阻的變化化。為了顯顯示和記記錄應(yīng)變變的大小小，還需需把電阻阻的變化化再轉(zhuǎn)化化為電壓壓或電流流的變化化。最常用用的測(cè)量量電路是是由應(yīng)變變片組成成的電橋測(cè)量量電路，如圖2所示。當(dāng)應(yīng)變變片受到到壓力作作用時(shí)，引引起彈性性體的變變形，使使得粘貼貼在彈性性體上的的電阻應(yīng)應(yīng)受片RR1-R4的阻值值發(fā)生變變化，電電橋?qū)a(chǎn)產(chǎn)生輸出出，其輸輸出電壓壓正比于于所受到到的壓力力。五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)內(nèi)容壓力傳感感器的基基本特性性的測(cè)量量1.壓力力傳感器器的壓力力特性的的測(cè)量(1) 將1000g傳感感器輸出出電纜線線接入壓壓力傳感感器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)?zāi)０宓牡碾娎|座座中，用用導(dǎo)線將將壓力傳傳感

7、器實(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)０灏逯械碾婋姌蜉敵龀龆伺cYYJ-WWLT-I物理理綜合實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)的數(shù)字字電壓表表的輸入入端相連連,測(cè)量選選擇置于于2000mV, 然后后用導(dǎo)線線將壓力力傳感器器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｄ０逯械牡碾姌虻牡碾娫炊硕伺cYJJ-WLLT-II物理綜綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)的的電壓輸輸出端相相連.接通電電源，調(diào)調(diào)節(jié)工作作電壓為為2V, 按順順序增加加砝碼的的數(shù)量（每每次增加加10gg）至1000g，分分別測(cè)傳傳感器的的輸出電電壓.（2）按按順序減減去砝碼碼的數(shù)量量（每次次減去110g）至至0g，分分別測(cè)量量傳感器器的輸出出電壓.（3）用用逐差法法處理數(shù)數(shù)據(jù)，求求靈敏度度S。2. 壓壓力傳感感器的電電壓特性性的測(cè)量量保持

8、傳感感器的壓壓力不變變（如550g），改改變工作作電壓分分別為33V、4V、5V、6V、7V、8V，9V測(cè)量量傳感器器電源電電壓E與電橋橋輸出電電壓U0的關(guān)系系，作EEU0關(guān)系曲曲線, 求靈敏敏度Svv。3.應(yīng)變變式壓力力傳感器器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｄ０迦鐖D圖5所示，RR1R4應(yīng)變式式壓力傳傳感器的的四個(gè)應(yīng)應(yīng)變電阻阻，由RR1R4等電阻阻組成的的電壓為為U01，Rw1為零零點(diǎn)調(diào)節(jié)節(jié)。由R7R13、IC1等組成成的差動(dòng)動(dòng)放大器器放大倍倍數(shù)由RRw3調(diào)節(jié)，輸輸出的電電壓為UU02。使用、調(diào)調(diào)試方法法：（1）用用導(dǎo)線連連接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)儀各電電源插座座和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)?zāi)０逑嘞鄬?duì)應(yīng)的的接線柱柱，并將將1000g傳感感器電纜纜線接入

9、入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｄ０澹糜脤?dǎo)線短短路放大大器輸入入端，放放大器的的輸出端端與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)電電壓測(cè)量量輸入相相連，測(cè)測(cè)量選擇擇置2000mVV檔，打打開實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)電電源開關(guān)關(guān)，調(diào)節(jié)節(jié)放大器器調(diào)零旋旋鈕Rw2使放大大器輸出出電壓為為0.00mV，去掉短短路線用用連接線線將放大大器的輸輸入端與與非平衡衡電橋的的輸出端端相連，放放大器的的輸出端端與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)測(cè)量輸入入相連，實(shí)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)測(cè)量選擇擇置2000mVV檔.（2）在在壓力傳傳感器秤秤盤上沒沒有任何何重物時(shí)時(shí)，測(cè)量量放大器器的輸出出電壓，調(diào)調(diào)節(jié)零點(diǎn)點(diǎn)調(diào)節(jié)RRw1旋鈕鈕使放大大器的輸輸出電壓壓為0.0mVV（3）將將1000g標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)砝碼置置于壓力力傳感器器秤

10、盤上上，測(cè)量量放大器器的輸出出電壓，調(diào)調(diào)節(jié)放大大倍數(shù)調(diào)調(diào)節(jié)Rw3旋鈕鈕使放大大器的輸輸出電壓壓為1000.00mV.（0.11mV相相當(dāng)于00.1gg.）（4)改改變壓力力傳感器器秤盤上上的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)砝碼，檢檢驗(yàn)放大大器的輸輸出電壓壓與標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)砝碼的的標(biāo)稱值值是否對(duì)對(duì)應(yīng).（5）重重復(fù)2）、3）步操操作，使使誤差最最小.（6）評(píng)評(píng)估你設(shè)設(shè)計(jì)制作作的電子子秤。100g傳感器零點(diǎn)調(diào)節(jié)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)放大器調(diào)零圖5電子稱的的設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)變變式傳感感器的壓壓力特性性，設(shè)計(jì)計(jì)一個(gè)電電子秤，參參考電路路見圖設(shè)計(jì)要求求量程：001000.00g；精度：在在量程范范圍內(nèi)，額定誤誤差小于于最大量量程的00.5%；靈敏度：0.

11、 1 gg；顯示：電電壓輸出出01100.0mVV可提供的的儀器和和元件YJ-WWLT-I物理理綜合實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)臺(tái)、壓力力傳感器器實(shí)驗(yàn)裝裝置、電電橋模塊塊與差動(dòng)動(dòng)放大器器（含調(diào)調(diào)零模塊塊）一起起提供線線路板、萬萬用表、標(biāo)準(zhǔn)砝碼等。參考設(shè)計(jì)計(jì)方案電子秤的的測(cè)量原原理。首首先是通通過壓力力傳感器器采集到到被測(cè)物物體的重重量并將將其轉(zhuǎn)換換成電壓壓信號(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，從而顯示物體重量。整套裝置置的組成成框圖如如

12、圖3所示。電信號(hào)彈信號(hào)放大壓力傳感器力信號(hào)彈顯示屏圖3 電信號(hào)彈（1）總總體方案案設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)測(cè)測(cè)量所提提出的精精度和靈靈敏度的的要求，各組成成部分的的主要性性能參數(shù)數(shù)要求如如下：就就本設(shè)計(jì)計(jì)而言，應(yīng)變式式壓力傳傳感器是是關(guān)鍵部部分，它的特特性指標(biāo)標(biāo)將對(duì)放放大電路路及顯示示儀表的的選擇起起決定性性的作用用。因此，首先要要研究和和測(cè)量壓壓力傳感感器的特特性指標(biāo)標(biāo)。（2）壓壓力傳感感器的參參數(shù)測(cè)試試和性能能研究測(cè)量傳感感器內(nèi)部部各橋臂臂的電阻阻值：將1000g傳感感器電纜纜線接入入實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｄ０?，用用萬用表表測(cè)量RR1、RR2、RR3、RR4的電電阻值。R1=11.7445k RR2=11.85508k

13、k RR3=11.70013kk RR4=11.80064KK.測(cè)定壓力力傳感器器的其它它性能： = 1 * GB3 壓力傳傳感器靈靈敏度及及線性即在某一一定的供供橋電壓壓下，單單位荷載載變化所所引起的的輸出電電壓變化化，用SS表示：S=UU0/F實(shí)驗(yàn)中，不不但要求求出S值，還還要求利利用兩個(gè)個(gè)變量的的統(tǒng)計(jì)計(jì)計(jì)算法求求輸出電電壓U0和壓力F之間的的相關(guān)系系數(shù)，即即線性度度。 = 2 * GB3 壓力傳傳感器電電壓靈敏敏度即在額定定荷載下下，供橋橋電壓變變化所引引起的輸輸出變化化，用SSv表示示，則Sv=U0/U橋同樣，也也要研究究其線性性，求其其相關(guān)系系數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀儀器有數(shù)數(shù)字電壓壓表、穩(wěn)穩(wěn)壓電

14、源源、砝碼碼若干。（3）決決定其他他部分的的設(shè)計(jì)參參數(shù)根據(jù)壓力力傳感器器的量程程和電子子秤的稱稱重范圍圍，在充充分利用用傳感器器量程的的前提下下，設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)算放放大器的的放大倍倍數(shù)和傳傳感器的的工作電電壓。設(shè)計(jì)放大大電路，并并進(jìn)行調(diào)調(diào)試和安安裝測(cè)定定。可在指指導(dǎo)老師師的指導(dǎo)導(dǎo)下熟悉悉有關(guān)的的放大線線路，并進(jìn)行行線路的的測(cè)定和和調(diào)試。由于壓力力傳感器器輸出的的信號(hào)是是很小的的，一般為為毫伏的的量級(jí)，根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)的要要求，要在01000.0gg的稱量量范圍內(nèi)內(nèi)，直接以以電壓值值顯示，所以需需要放大大系統(tǒng)將將該信號(hào)號(hào)進(jìn)行放放大再輸輸入顯示示系統(tǒng)顯顯示物體體的重量量。本設(shè)計(jì)計(jì)中采用用差動(dòng)放大大器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，測(cè)

15、量量放大電電路除可可自行安安裝調(diào)試試外，也也可直接接采用實(shí)實(shí)驗(yàn)室提提供的放放大倍數(shù)數(shù)可調(diào)的的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｄ０澹Ｄ０迨褂糜煤驼{(diào)試試方法參參見附錄錄。（4）整整機(jī)測(cè)定定和調(diào)試試把傳感器器、放大大器和顯顯示裝置置（采用用適當(dāng)量量程和精精度的數(shù)數(shù)字電壓壓表）連連成一體體，進(jìn)行行模擬測(cè)測(cè)試，求求物體重重量變化化與輸出出電壓示示值的關(guān)關(guān)系，驗(yàn)驗(yàn)證各項(xiàng)項(xiàng)指標(biāo)是是否達(dá)到到要求。六、數(shù)據(jù)據(jù)分析：表1 壓壓力傳感感器的壓壓力特性性m（g）0102030405060708090100加U (mV)00.008.517.0025.5533.8841.5550.4459.3367.5575.9984.11減U (mVV)0

16、0.008.316.4425.0033.6642.1150.6659.0067.5575.7784.11用逐差法法求靈敏敏度為：加U時(shí)時(shí)：S=UU0/F=42.18/(500*9.8)=0.086（V/N）減U時(shí)時(shí)：S=UU0/F=42.3/(50*9.88)=0.0086（VV/N）用兩個(gè)變變量的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算算法求輸輸出電壓壓U0和壓力F之間的的相關(guān)系系數(shù)為：加U時(shí)時(shí)r=00.99999556減U時(shí)時(shí)r=00.99999886輸出電壓壓U0和壓力F線線性度比比較好。表2壓力力傳感器器的電壓特特性E（V）12345678910U0 (mVV)0.0110.0110.0220.0110.0110.

17、0220.0110.0220.0110.022U0550 (mV)17.8835.3352.7769.9987.11104.0120.7137.3154.0170.1用逐差法法求靈敏敏度為：額定荷載載為0gg時(shí)：Sv=U0/U橋=0.00000004額定荷載載為500g時(shí)：Sv=U0/U橋=0.0017用兩個(gè)變變量的統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算算法求輸輸出電壓壓U0和供橋橋電壓UU橋之間的的相關(guān)系系數(shù)為：額定荷載載為0gg時(shí)：r=0.35553355輸出電壓壓U0和供橋橋電壓UU橋線性度度不好。額定荷載載為500g時(shí)：r=0.99999344輸出電壓壓U0和供橋橋電壓UU橋線性度度比較好好。額定荷載載為0gg時(shí)

18、：額定荷載載為500g時(shí)：輸出電壓壓與標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)砝碼的的標(biāo)稱值值的關(guān)系系mg(gg)0102030405060708090100U0(mmv)0.03310.11220.11330.11140.00950.11161.11470.11380.00890.11399.882相對(duì)誤差差：mg=110g時(shí)時(shí)，E=（100.044-100）/110=00.4% mg=20gg時(shí)，EE=（220.008-220）/20=0.4%mg=330g時(shí)時(shí)，E=（300.111-300）/330=00.377%mg=440g時(shí)時(shí)，E=（400.099-400）/440=00.233%mg=550g時(shí)時(shí)，E=（500.111-500）/550