壓力傳感器（大學(xué)物理）

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一、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.2.3.4.5.

了解應(yīng)變壓力傳感器的組成、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。了解非電量的轉(zhuǎn)換及測(cè)量方法——電橋法。把握非平衡電橋的測(cè)量技術(shù)。

把握應(yīng)變壓力傳感器靈敏度及物體重量的測(cè)量。

了解多個(gè)應(yīng)變壓力傳感器的線性組成、調(diào)整與定標(biāo)。

二、試驗(yàn)原理

壓力傳感器是把一種非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。彈性體在壓力(重量)作用下產(chǎn)生形變(應(yīng)變)，導(dǎo)致(按電橋方式聯(lián)接)粘貼于彈性體中的應(yīng)變片，產(chǎn)生電阻變化的過程。

壓力傳感器的主要指標(biāo)是它的最大載重(壓力)、靈敏度、輸出輸入電阻值、工作電壓(鼓舞電壓)(VIN)、輸出電壓(VOUT)范圍。

壓力傳感器是由特別工藝材料制成的彈性體、電阻應(yīng)變片、溫度補(bǔ)償電路組成；并采用非平衡電橋方式聯(lián)接，最終密封在彈性體中。

彈性體：

一般由合金材料冶煉制成，加工成S型、長條形、圓柱型等。為了產(chǎn)生一定彈性，挖空或部分挖空其內(nèi)部。

電阻應(yīng)變片：

金屬導(dǎo)體的電阻R與其電阻率ρ、長度L、截面A的大小有關(guān)。

R??LA（1）

導(dǎo)體在承受機(jī)械形變過程中，電阻率、長度、截面都要發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻變化。

?RRA（2）

這樣就把所承愛的應(yīng)力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電阻的變化。因此電阻應(yīng)變片能將彈性體上應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。

電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：電阻應(yīng)變片一般由基底片、敏感柵、引線及履蓋片用粘合劑粘合而成。

電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖1所示：

??????LL??A

1－敏感柵(金屬電阻絲)2－基底片3－覆蓋層4－引出線

圖1電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

敏感柵：是感應(yīng)彈性應(yīng)變的敏感部分。敏感柵由直徑約0.01～0.05毫米高電阻系數(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．敏感柵用粘合劑固定在基底片上。b×l稱為應(yīng)變片的使用面積（應(yīng)變片工作寬度，應(yīng)變片標(biāo)距（工作基長）l），應(yīng)變片的規(guī)格一般以使用面積和電阻值來表示，如3×10平方毫米，350歐姆。

基底片：基底將構(gòu)件上的應(yīng)變確鑿地傳遞到敏感柵上去．因此基底必需做得很薄，一般為0.03～0.06毫米，使它能與試件及敏感柵穩(wěn)固地粘結(jié)在一起，另外它還具有良好的絕緣性、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0.1-0.2毫米低阻鍍錫鋼絲制成，并與敏感柵兩輸出端相焊接，覆蓋片起保護(hù)作用．

粘合劑：將應(yīng)變片用粘合劑穩(wěn)固地粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力形變應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的形變，從而使其電阻隨之發(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?。?/p>

圖2壓力傳感器

壓力傳感器：是將四片電阻片分別粘貼在彈性平行粱A的上下兩表面適當(dāng)?shù)奈恢?，如圖2所示．R1、R2、R3、R4是四片電阻片，粱的一端固定，另一端自由用于加載荷（如外力F）。

彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉，電阻片R1、R3亦受拉伸作用電阻增大，梁的下表面受壓，R2、R4電阻減小。這樣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)變的大小，還需把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。最常用的測(cè)量電路為電橋電路。

三、試驗(yàn)儀器

四、預(yù)習(xí)要求

1.2.3.4.5.

了解壓力傳感器的組成、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)了解電橋的相關(guān)知識(shí)

作圖解釋全等臂電橋、半等臂電橋的含義？

本試驗(yàn)中，測(cè)定單臂電橋平衡時(shí)或近似平衡時(shí)，兩電阻箱的阻值R。取多少？什么是電阻箱的額定功率？金屬電阻參數(shù)為100歐姆（正負(fù)5%，1/8瓦），說明什么？

五、試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)（1）

1．測(cè)定單臂輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性

（1）（1）按試驗(yàn)電路接好測(cè)量電路。其中R1和R2在試驗(yàn)板上為固定電阻，Rx1和Rx2用電阻箱，調(diào)理供電電源電壓E0=6.00伏。

（2）R1=R2=1M?，即K=1；再調(diào)理Rx1=Rx2=10K?，即使UAB=0。但由于電阻箱存在一定誤差，以及接觸電阻等因素的影響，此時(shí)電橋未必能平衡，即UAB?0；為此需要微調(diào)電壓表，使UAB=0。

圖6試驗(yàn)板

圖7試驗(yàn)電路

（3）使Rx1每次增大200?，用電壓表測(cè)出電橋相應(yīng)的輸出電壓UAB，直到Rx1增大1.200K?。

2．測(cè)定雙臂輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性

（1）調(diào)理Rx1?Rx2?10k?，使電橋平衡。

（2）使Rx1每次增大200?，而Rx2相應(yīng)每次減少200?，測(cè)出電橋的相應(yīng)輸出電壓UAB。直到Rx1、Rx2的最大改變量為1.2000K?。

試驗(yàn)（2）1．儀器連接

儀器的連接如圖8所示，電源電壓接壓力傳感特性測(cè)試儀的電源輸出端，為傳感器提供工作電源，傳感器輸出端接壓力傳感器特性測(cè)試儀的信號(hào)輸入端，從而對(duì)不平衡電橋（即壓力傳感器）的輸出電壓進(jìn)行放大、測(cè)量和顯示。

圖8儀器連接

2．儀器調(diào)理

先將儀器電源開啟，預(yù)熱十五分鐘以上，調(diào)理電源電壓為10.0伏。再旋轉(zhuǎn)調(diào)零旋鈕，使壓力電壓顯示值為0.000伏。

3．測(cè)量

（1）按順序增加砝碼的數(shù)量（每次增加1千克，共9次），記錄每次加載時(shí)的輸出電壓值U0。

（2）再按相反次序?qū)㈨来a逐一取下，記錄輸出電壓值U0。（3）用逐差法求出傳感器的靈敏度S。

?U0S??F（伏/千克）（13）

4．用壓力傳感器測(cè)量任意物體的重量

?（1）將一個(gè)未知重量的物體放置于加載平臺(tái)上，測(cè)出電壓U0，同一物體測(cè)量三次求出?平均值U0。

（2）物體的重量

??W?U01S（14）

（3）共測(cè)三個(gè)未知重量的物體，樣品由試驗(yàn)室提供或?qū)W生自己提供被測(cè)物體。

5．測(cè)量傳感器電源電壓E與電橋輸出電壓U0的關(guān)系，保持加載砝碼的質(zhì)量為1千克。（1）改變HC-IPF壓力傳感特性測(cè)試儀的電源電壓，使其由2.0伏變至10.0伏，每隔1.0伏記錄一個(gè)輸出電壓值U0。

（2）作E-U0關(guān)系曲線，分析是否為線性關(guān)系。6．測(cè)出本試驗(yàn)系統(tǒng)的最小分辯重量。

用試驗(yàn)室提供的砝碼1克至9克，由1克加載，每加1克記錄傳感器輸出電壓值U0。分析測(cè)量結(jié)果，給出試驗(yàn)系統(tǒng)所能測(cè)出的最小重量以及能分辯的最小重量。

六、試驗(yàn)操作中的重點(diǎn)、難點(diǎn)、本卷須知

操作中的重點(diǎn)、難點(diǎn)：非平衡電橋本卷須知：

1．細(xì)心檢查電路有否接錯(cuò)，否則會(huì)燒壞電阻箱、壓力傳感特性測(cè)試儀。檢查后方可通電。

2．根據(jù)電源電壓的大小、電阻大小，估算流經(jīng)電阻箱的電流，是否超過其額定電流。3．試驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源。才能離開。清理導(dǎo)線、整理清潔試驗(yàn)桌面、桌凳。4.本次試驗(yàn)做完后，申報(bào)儀器狀態(tài)，經(jīng)老師檢查簽字后方可離開。

七、思考題

1．分析給出本系統(tǒng)的最小分辯重量。

2．分析此種壓力傳感器是否線性傳感元件？

3．設(shè)計(jì)由四個(gè)壓力傳感器組成的汽車稱原理連接圖，如何調(diào)整稱平面各處稱重的一致性。

4．寫出此種壓力傳感器的主要參數(shù)及其含義是什么。

一、試驗(yàn)介紹

圖1試驗(yàn)電路

圖1是惠斯登電橋的基本電路。電橋是將電阻、電容、電感等電參數(shù)變化量變換成電壓或電流值的一種電路。電橋電路在檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛，根據(jù)鼓舞電源的性質(zhì)不同，可把電橋分為直流電橋和交流電橋兩種。根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)的不同，可分為電阻電

橋、電容電橋和電感電橋3種。根據(jù)電橋工作時(shí)是否平衡來區(qū)分，可分為平衡電橋和非平衡電橋兩種，平衡電橋用于測(cè)量電阻、電容和電感，而非平衡電橋在傳感技術(shù)和非電量測(cè)量技術(shù)中廣泛用作測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換。根據(jù)橋臂阻抗大小的不同，可分為全對(duì)稱等臂電橋（四橋臂阻抗一致）、半對(duì)稱等臂電橋（相鄰橋臂阻抗一致）、不等臂電橋等。

二、參考資料

《大學(xué)物理試驗(yàn)教程》（2023,西南交大出版社,姜向東主審）4.3節(jié)、3.5節(jié)?！洞髮W(xué)物理試驗(yàn)教程特性化專題試驗(yàn)參考》講義。

三、試驗(yàn)?zāi)康?/p>

壓力傳感器內(nèi)部應(yīng)變片的電路采用了非平衡電橋方式連接，這種技術(shù)在傳感和非電量測(cè)量中用作測(cè)量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，可用電阻電橋來演示這種技術(shù)。

通過試驗(yàn)把握非平衡電橋的測(cè)量及信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)，理解差動(dòng)調(diào)理的作用。了解應(yīng)變壓力傳感器的組成、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)。把握應(yīng)變壓力傳感器靈敏度及物體重量的測(cè)量。了解多個(gè)應(yīng)變壓力傳感器的線性組成、調(diào)整與定標(biāo)。

四、試驗(yàn)儀器

交直流電組箱2個(gè)、壓力傳感特性測(cè)試儀1臺(tái)、壓力傳感器1個(gè)、三個(gè)固定電阻試驗(yàn)板1塊、砝碼1套、導(dǎo)線4根。

五、試驗(yàn)專題

1.測(cè)定單臂輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性。

1)測(cè)定單臂電橋平衡時(shí)或近似平衡時(shí)，電阻箱的阻值R。記錄電阻箱的參數(shù)。試驗(yàn)測(cè)量電路見圖1。檢查無誤后，調(diào)理電源電壓到10伏。調(diào)理Rx使輸出電壓為零。注意電阻箱的參數(shù)。

2)估測(cè)儀表飽和時(shí)的電壓及剛飽和時(shí)的電組箱的電阻值。

3)測(cè)定單臂輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性（電源電壓10伏）逐差法求關(guān)系曲線函數(shù)，靈敏度。

4)測(cè)定單臂輸入（升、降）時(shí)電橋的電壓輸出特性（電源電壓6伏）最小二乘法求關(guān)系曲線函數(shù)。求出傳感器的靈敏度。作輸出電壓～電阻箱Rx值曲線。（10伏、6伏作在一張圖中）。

2.測(cè)定雙臂差動(dòng)輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性。