壓力傳感器(力效應(yīng))

壓力傳感器壓力傳感器是壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電信號(hào)作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報(bào)警使用。力學(xué)傳感器的種類繁多，電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)量、測(cè)量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)彈性元件感受到物理量時(shí)，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)變化。通過測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，可以用來(lái)測(cè)量位移加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。一、 壓力傳感器的基本原理1、金屬電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。對(duì)于金屬導(dǎo)體，如圖1所示，一段圓截面的導(dǎo)線的金屬絲，設(shè)其長(zhǎng)為L(zhǎng),截面積為A（直徑為D），原始電阻為R,金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R=pL/A （1）式中：p 金屬導(dǎo)體的電阻率（Q-cm2/m） S 導(dǎo)體的截面積（cm2）L 導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）

IPAD；4L圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)B-AD圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲受到軸向力F而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變，其電阻值會(huì)隨之變化，通過對(duì)（IPAD；4L圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)B-AD圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)(2)式中些=￡為材料軸向線應(yīng)變，且L譽(yù)=2罟跟據(jù)材料力學(xué)，在金屬絲單dR=dL-(2)式中些=￡為材料軸向線應(yīng)變，且L譽(yù)=2罟跟據(jù)材料力學(xué)，在金屬絲單向受力狀態(tài)下，有dLddLd=-卩TdD式中口為導(dǎo)體材料的泊松比。因此，有dp dp dLdp十(1+2卩)三+十(4)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，金屬材料電阻率的相對(duì)變化與其體的相對(duì)變化間的關(guān)系為dp dV=c—式中，c為常數(shù)（由一定的材料和加工方式?jīng)Q定）譽(yù)=dL+dA=（1-2卩）匕將式（5）代入⑷，且當(dāng)AR=R時(shí)，可得(6)蘭=[(1+2卩)+c(1-2卩)]8=K(6)R式中，k=（1+2p）+c（1-2p）為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。上式表明，金屬材料電阻的相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。電阻變化率AR/R的表達(dá)式為：K=AR/Rp/￡，式中口一材料的泊松系數(shù);￡—應(yīng)變量。當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加,

而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變。2.電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號(hào)一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連，如圖2所示。圖2圖2直流電橋設(shè)電橋的各臂的電阻分別為RRRR它們可以全部或部分是應(yīng)變片。由于13 24(7)直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多，因此可將電橋輸出端看成開路，這種電橋成為電壓輸出橋，輸出電壓u0為(7)U°=(R]；R：)(R:+R4)"S由上式可見：若r1r3=r2r4，則輸出電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài),稱為平衡電橋。平衡電橋的平衡條件為:R1R3=R2R4應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化AR，此時(shí)有不平衡電壓輸出。TOC\o"1-5"\h\zUAR /c、U=i （8）0 4Ri由式（8）表明：AR《R時(shí)，電橋的輸出電壓于應(yīng)變成線性關(guān)系。若相鄰1兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變活壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差，若不同時(shí)，則輸出電壓為兩者之和。若相對(duì)兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。

電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大，但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂?；谶@些原因可以合理的進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高傳感器的測(cè)量靈敏度。由式(8)的線性關(guān)系是在應(yīng)變片的參數(shù)變化很小，極AR《R］的情況下得出的，若應(yīng)變片承受的壓力太大，則上述假設(shè)不成立，電橋的輸出電壓應(yīng)變之間成非線性關(guān)系。在在這種情況下，用按線性關(guān)系刻度的儀表進(jìn)行測(cè)量必然帶來(lái)非線性誤差。為了消除非線性誤差，在實(shí)際應(yīng)用中，常采用半橋差動(dòng)或全橋差動(dòng)電路，如圖3所示，以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。(b)全橋差動(dòng)電路(b)全橋差動(dòng)電路圖3差動(dòng)電橋圖3(a)為半橋差動(dòng)電路，在傳感器這中經(jīng)常使用這種方法。粘貼應(yīng)變片時(shí)，使兩個(gè)應(yīng)變片一個(gè)受壓，一個(gè)受拉。應(yīng)變符號(hào)相反，工作時(shí)將兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂。設(shè)電橋在初始時(shí)所示平衡的，且為等臂電橋，考慮到ar=ar1=ar2則得半橋差動(dòng)電路的輸出電壓為U=^RU (9)。2RO由上式可見，半橋差動(dòng)電路不僅可以消除非線性誤差，而且還使電橋的輸出

靈敏度提高了一倍，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩Ｈ绻磮D3(b)所示構(gòu)成全橋差動(dòng)電路同樣考慮到ar=ar1=ar2=ar3=ar4時(shí)得全橋差動(dòng)電路的輸出電壓為(10)Uo供(10)可見，全橋的電壓靈敏度比單臂工作時(shí)的靈敏度提高了4倍非線性誤差也得到了消除，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫撾娐芬驳玫搅藦V泛的應(yīng)用。二、壓力傳感器系統(tǒng)本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)組成的壓力測(cè)量，系統(tǒng)中必須有前向通道作為電信號(hào)的輸入通道，用來(lái)采集輸入信息。壓力的測(cè)量，需要傳感器，利用傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，再經(jīng)放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行有效處理。然后用LED進(jìn)行顯示，而鍵盤的作用是改變輸入量的系數(shù)的。它的原理圖如圖4所示。圖4壓力測(cè)量?jī)x表原理方框圖通過壓力傳感器將需要測(cè)量的位置的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，送至8位A/D轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)單片機(jī)轉(zhuǎn)換成LED顯示器可以識(shí)別的信息，最后顯示輸出。基于單片機(jī)的智能壓力檢測(cè)系統(tǒng)，選擇的單片機(jī)是基于AT89C51單片機(jī)的測(cè)量與顯示，將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過三運(yùn)放放將電信號(hào)放大為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)為0-5V的電壓信號(hào)，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,我們所采樣的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832,ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片,其最高分辨達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32口S,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。為了提高單片機(jī)系統(tǒng)I/O口線的利用效率，利用單片機(jī)AT87C51的串行口和串行移位寄存器74LS164擴(kuò)展輸出多位LED顯示。鍵盤是單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的常用輸入設(shè)備。我們通過鍵盤，向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機(jī)系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。要想實(shí)現(xiàn)壓力的顯示需硬件與軟件配合，最終調(diào)試出來(lái)。三、 壓力傳感器的應(yīng)用壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，如高壓容器的壓力超過額定值時(shí)便是不安全的，必須進(jìn)行測(cè)量和控制。在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，如生產(chǎn)合成氨時(shí)，氮和氫不僅須在一定的壓力下合成，而且壓力的大小直接影響產(chǎn)量高低。此外，在一定的條件下，測(cè)量壓力還可間接得出溫度、流量和液位等參數(shù)。1643年，意大利人托里拆利首先測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測(cè)量?jī)x表的基礎(chǔ)。1847年，法國(guó)人波登制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測(cè)量?jī)x表。二十世紀(jì)上半葉出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳壓力表和電接點(diǎn)壓力表，從而解決了壓力測(cè)量值的遠(yuǎn)距離傳送和壓力的報(bào)警、控制等問題。60年代以后，為適應(yīng)工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)測(cè)試等方面的要求，壓力測(cè)量?jī)x表日益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動(dòng)和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。壓力是過程生產(chǎn)中四大重要參數(shù)之一，它在檢測(cè)生產(chǎn)過程能否完全可靠正常運(yùn)行的重要參數(shù)指標(biāo)，尤其在化工生產(chǎn)過程中壓力這一參數(shù)更顯得尤為重要。在化工生產(chǎn)過程中，壓力即影響物料平衡，也影響化學(xué)反應(yīng)速度，是標(biāo)志生產(chǎn)過程能否正常進(jìn)行的重要參數(shù)。安全生產(chǎn)的需要，從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測(cè)也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。在其他工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測(cè)于控制也非常重要。?？梢姷揭恍┕I(yè)裝置上都有壓力表。如：汽包壓力，當(dāng)壓力過高容易爆炸，壓力低動(dòng)力不足；還有爐膛壓