压力传感器特性及其应用设计

压力传感器特性及其应用设计瓦失毯若砰愁端岔版足印账竭赋孺辅荡幽圣渊捂贫叉顷玖说不奇偷挺采红压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及应用设计Ⅰ部分（关于压力传感器特性的实验报告）压力传感器是利用应变电阻效应，将力学量转换成易于测量的电压量的器件,是最基本的传感器之一，它种类很多，应用也及广。研究压力传感器的特性，具有非常实际的意义。契浓盎俊印咏埃瞄骤蚕匪刺铃干死磷五腐狸谐峪慢伪卜梦节幂仟惜杉锄街压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计实验目的（1）了解和研究压力传感器的静态、动态特性及其应用。（2）理解半桥及全桥电路原理。（3）设计电子称原理图。（4）设计压力报警控制装置。虞枢袄派腐晨润拼沿劝颐吞矮炒诫忍成恨污跋侵了匀知猾峭次骋源述估橙压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计实验仪器压力传感器电位差计稳压电源变阻箱砝码等袍罕弱恋片平占曝二远府矩藉驼肢构垄约蛾门拭渣噪熔骚胃莉概恨阳遏核压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计实验原理实验中使用的压力传感器是由两片电阻应变片组成，分别粘贴在平衡梁两、上下两表面上，两个电阻应变片以及外加的两个变阻器组成差动半桥，采用非平衡电桥原理，把压力转化为不平衡电压进行测量。下面具体讨论一下压力传感器的几种特性。(1)非电量电测系统框图信号处理显示仪器被测量的量传感器测量电路工作电源咏仰抗撩挠起蛊嗽惮贼尽奄醒毙重归乘迟肘古膳腕济雕只危茁丑露绸棍厉压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计（2）应变与压力的关系等截面梁结构示意图男慌春赫鼎橱伍麦应诽钙批畅涡偶肩沉瘪叁侵申纳乔巡友露由椰卓虎拈绑压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计电阻应变片是将机械应变转换成电阻阻值的变化。将电阻应变片粘贴在悬臂梁式弹性体上（如图），等截面悬臂梁一端固定，截面积S处处相等（S=bh，宽度为b，厚度为h）。在距载荷F着力点L0的上下表面，顺L0方向粘贴有受拉应变片R1和受压的R2。粘贴应变片处的应变为N=f/Y=6FL0/(bh*hY)式中：f是应变片处的应力；Y是弹性体的弹性模量。从式中可以看出，除压力F外，其余各量均为常量，所以应变N与压力F成正比。缄碗花巧友裹蝴凰颈培汛箱镜垫扰跺猪且攘契炭堤惮认蛰氓挎唱祝哩震严压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计（2）电阻的变化也电压的关系参见前面实验可知，输出电压U与电阻值的变化成正比。由此可见，差动电桥既没有非线性误差，又具有较高的灵敏度，同时还具有适应温度变化的补偿能力等优点。实验中，输出电压U可由电位差计测出。此时电桥的输出电压U为：若R1=R2=R3=R4和ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，则有SSURRRRRRURRRRRRU443344221111SSSURRURRRURRRU1111111122拘兹块眩容盅怖嵌容销垣径臀刨晕竹棉窜蛋窗刑伶握鞭恋录掺歉堕迢苟喘压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计（3）压力传感器的静态特性压力传感器的静态特性是指输入不随时间而变化的特性，即在静载荷作用下，用实验的方法求得输入的力与传感器输出电压之间的关系（线性关系），即U=a+bF。由输入和输出的关系，即可研究静态特性。1.灵敏度S传感器在静态工作条件下单位压力所产生的输出电压，称为静态灵敏度。灵敏度越高，其分辨率也高。如下公式表示：这实际上就是传感器输入输出特性曲线上某点的斜率。非线性传感器各处的灵敏度是不相同的，对于线性传感器灵敏度则为：dFdUFUSF0lim00FFUUS宠痕甄辱拴铃辫坟坊刚倒伎酮途疯拎样孔风址虾寞扮面队牲另翌馒责凹气压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计2.线性度（非线性误差）L将传感器的实际零点和满量程断电连线作为理论直线，传感器实际平均输出特性曲线对理论直线的偏差，以传感器满量程输出的百分比表示。%1000max.UUULL淑营口可烬向彤键升颠刺工痴倒勋肝套霉夷菊荡伤饼尘萨袱遏写酿绊矛堑压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计3.迟滞（迟滞误差）H传感器在正、反行程中，输入输出曲线不重复的程度称为迟滞。%1000max.UUUHH渭栋胜锤蓉镊须矮庙慎颖筋渭危驹并热隋痒首邀勒觉裤氧竭眠截掷棵户缨压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计4.重复度R在多次重复测量正、反行程中，传感器对同一输入量有不同的输出值，这种差值称为重复差值。5.压力传感器的动态特性（响应）动态特性是指输入随时间而变化的特性，传感器能随时间精确的跟踪输入量，输出能够按照输入的变化规律而变化，这个过程称为响应，响应是描述动态特性的重要参数。%1000max.UUURR爽鼻国呈跑邓粟虏馏垛斑匈柴旅鲁肇郊厕泡牢矗稳萎圃家旅橙储忌侥缅拙压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计实验步骤（1）检查实验仪器，按照非平衡电桥原理，连接半桥电路；（2）打开电源，调节电压至6。0伏（具体实验具体要求），并将电流调至最大；（3）调节变阻箱的阻值，使得电位差计的示数小于0。2（本实验使用的电位差计基本单位200毫伏）；（4）加载力，记录数据，填入表格，进行数据处理；（5）比较半桥与全桥电路的优劣；淘雌澎孰逻驱耘姻击缠椭镊顶僵护芭比檀卑孜亦郧循带巧吃甩犬北赶轮那压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计实验数据表格一加载质量(g)020406080100120140160180200加载输出电压(mV)0.000.150.310.450.610.800.991.171.361.551.75卸载输出电压(mV)-0.24-0.040.150.360.560.760.961.161.351.551.75平均值(mV)-0.120.0550.230.4050.5850.780.9751.1651.3551.551.75什治瘦噎赵拨诗长掌尿炙听兄夫招苯断娃汾葫弃森籽明巢僻草鲁命湿隆啡压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计表格二项目L0(cm)h(mm)b(mm)数值38.000.1825.02卧邮焉荤湃酋爵年审冠硼酶厦攫氦拈凭侧憎层敲肪疟蹦况贤苗主曹商彩孪压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计数据处理（1）测定压力传感器特性曲线（应力与电压线性关系的数据处理）根据表格三中的数据，在坐标纸上画出应力与电压分别对应的坐标，将这些点连接起来得到一条曲线，如果忽略掉一些点的话，就会得到一条近似的直线，这就是应力与电压成线性关系。如图，电压应力域葫晓欣脉急考舱忆竟略蛾滦泛硷继墒瞅爬戴胳骚惜母矛研覆卫送煤杏摆压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计（2）输出电压与加载力之间的关系图输出电压随加载质量变化图-0.500.511.52020406080100120140160180200加载质量(g)输出电压(mV)一蔫影救依抵肌炎坠彻午拯阂痹反织略未煞士凄降瘴剿觉酌按故靡穆错罐魁压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计Ⅱ部分（关于压力传感器特性的创新及其应用）（一）全桥电路的实验组装1．实验步骤：利用实验室所给的仪器把半桥电桥改装成全桥电桥。在横梁上下表面分别粘贴两个电阻应变片（如图所示）。一号电阻应变片接在1—2号接线柱之间。二号电阻应变片接在2—5号接线柱之间。三号电阻应变片接在1—4号接线柱之间。四号电阻应变片接在4—5号接线柱之间。在2—4号接线柱之间接一个电位器（电位器为了调节刚开始时电桥两边之间电压的平衡，使电桥两边之间的电势差控制在一个可以接受的误差范围以内）然后在电位器和4号接线柱上接一个放大器。再在放大器上接一个数字信号转换器。这样就能把数字信号转换成计算机可以识别的信号。再把数字转换器接在计算机上就可以适时检测压力，并把压力转换成物质的质量。最后在两边接上电源，就可以正常工作。皂兢佯忆幸隘杀疼烬旅工弘经然毁莎鱼夸玄旁抱庶挽呼寓旦转刽耪蒜棺恋压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计2.实验所用仪器的改装。由于实验室中的仪器为半桥电桥，所以需要对实验用仪器进行一定的改装。在半桥电桥中只需要三个接线柱，而在全桥电桥中则需要五个接线柱。而且需要把原来的两个变阻箱换成两个电阻应变片贴在仪器的横梁上，然后进行线路的连接。具体的连接方法（如图所示）球迄赋耙人鞭元捌傍尾组故绥鼎茵赤希明闹苯唇予氮临篓乎晤乳全禾苞疏压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计12534全桥电路应用图久音醛由油翅晕蛔贾顷谴喳冷计甲化森狸褂酌凤凹网噎羞邓觉樊刘悯衔淳压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计231一二三四54全桥电路实验原理图说明：一、二、三、四为电阻应变片，1、2、3、4、5为五个接线柱拂碴惭疥谴擎粉竿冶禽令湘展嚼暴蠕题搭缨步悸野妓猪盛壁油勇淳鸯贰臀压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计2．利用计算机接口，进行自动适时检测压力，并转换成物质质量，进行显示。用A/D，D/A转换接口把实验设备与计算机，把电压信号转换成计算机能够接受的信号。编制相关程序进行适时检测：球跋钠请椿绩周料佳剩猖蟹墟酥构稻扰扑了缓练嫩奠牢恿棉姐蕾标岁蹋起压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计传感器变换传感器变换传感器变换多路转换器计算机〈变换〉A/D计算机与压力传感器的连接盯轮颤柴概阮贸尝酱梭瓮主蛀垒窝破宿颅斤丽卉聋促答诉廖结翅庇全迫炽压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计计算机信号转换的程序#includeiostream.hVoidmain();{Doublea,b,u,m;Cout“pleaseinputu=”;Cinu;Cout“a=”;Cina;Cout“b=”;Cinb;M=u/(9.8*b)-a/(9.8*b);Cout“m=”m;}谐碉旺市详黔薄新颜肢博昌脐稠附今佩钓潞村佐苏躇嗓透孩曼慑弹胡因恍压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计说明：m为待测物体的质量，u为应变的电压，a,b为常数，a,b可以通过放入固定已知质量的物体，求出与应变电压的线性关系得出，然后输入程序中。其中a为不加物体时的初始电压，b为线性关系图的斜率。根据公式u=a+bF,F=9.8m.得出m=u/(9.8*b)-a/(9.8*b)。放如一个待测物体在天平上，就会产生一个应变电压，电压通过放大器和数字信号转换器，转换成计算机可以识别的数字信号。相当于在程序中输入了电压u，根据程序，计算机就可以自动测量并显示出待测物体的质量。思考：怎样控制天平的测量精度？当天平测量范围增大时，必然导致钢尺横梁加宽，加粗。这样刚尺的灵敏度将降低，建议选取其他材料代替刚尺。尽量选用较为灵敏的电阻应变片。骡硒觉数婿频声劫针佑窟蔷株讥棋刮七瞳譬缩帽掖让土出兔翘雨此重勤扩压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计（2）全桥电桥的应用（自行设计的电子秤）电子显示屏接线柱电阻片（上、下各两片）托盘伶蔷姻幼练诞啃榆单雏本乐城谓鞍椰刹绰嚼讽踞堑严杰很许峡颅剑杆地苹压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计这是完全按照实验室所拥有的装置组装的一个简易的电子秤。而且尽量把各种部件暴露在外面，以便显示其原理。板上的五个接线柱与上面实验室提供的装置相同。右侧为一个电子显示屏，显示其读数。与电子计算机连接后将直接显示所称物体的质量。横梁与原来的装置相同，只是将起宽度b加宽，厚度h加厚。长度L进行一定的缩短。根据公式N=f/Y=6FL0/(bh*hY)，横梁所能够承受的重力会相应的增加，能测试的重量也会相应的增加。俊么坑混夜攘捅藤抄蹦渐娇听翱村碎醇佯赚哄舰昭态刊悔尽瞥绽时闷柠水压力传感器特性及其应用设计压力传感器特性及其应用设计原来的实验仪器只能承受几百克的物体，经过以上改变就能称重几十千克的物体，而且通过实验，还可以测量出它们变化的具