压力传感器特性研究及其应用

实验25 压力传感器特性研究及其应用

在物理实验、科学研究和生产过程中，许多物理量是非电学量。由于电学量在测量、传送、记录等方面有很多的优点，所以，需要将非电学量换成电学量，这类装置叫传感器。传感器是现代检测和控制系统的重要组成部分，它的作用就是把被测量的非电量信号（如力、热、声、磁和光等物理量）转换成与之成比例的电量信号（如电压和电流），然后再经过适当的测量电路处理后，送至指示器指示或记录。这种非电学量至电学量的转换是应用不同物体的某些电学性质与被测量之间的特定关系来实现的，例如利用电阻效应、热电效应、光电效应和压电效应等关系。应用不同物体的独特的物理变化，设计和制造出适用于各种不同用途的传感器。压力传感器是最基本的传感器之一。

目 的

1．了解非电量电测的一般原理和测量方法。

2．掌握压力传感器的构造、原理、测量方法和特性。

3．学习利用逐差法求解实验结果。

原 理

非电量电测系统一般包括传感器、测量电路和显示记录三部分，它们的关系如图25－1所示。现在以应变电阻片做成的压力传感器为例，进一步讨论如何实现将“力”的测量转变为“电压”测量的电测系统。

图25－1 非电量电测系统 图25－2 应变电阻片

1．压力传感器。应变电阻片是用一根很细的康铜电阻丝按图25－2所示的形状弯曲后用胶粘贴在衬底（用纸或有机聚合物薄膜制成）上，电阻丝两端有引出线用于外接。康铜丝的直径在0.012～0.050mm之间。电阻丝受外力作用拉长时电阻要增加，压缩时电阻要减小，这种现象称为“应变效应”，这种电阻片取名为“应变电阻片”。将应变电阻片粘贴在弹性材料上，当材料受外力作用产生形变时，FL；电阻片跟着形变，这时电阻值发生变化，通过测量电阻值的变化就可反映出外力作用的大小。实验证明，在一定范围内电阻的变化和电阻丝轴向长度的变化成正比。即：

RL （25－1） 图25－3 压力传感器

R

L

压力传感器是将四片电阻片分别粘贴在弹性平行梁A的上下两表面适当的位置，如图25

－3。R1 、R2 、R3 、R4是四片电阻片，梁的一端固定，另一端自由，用于加载外力F 。弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1 、R3亦受拉伸作用电阻增大，梁的下表面受压，R2 、R4电阻减小。这样外力F的作用通过梁的形变而使四个电阻片电阻值发生变化，这就是压力传感器。

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2．测量电路。由于电阻的变化是很微小的，因此要求测量电路能精确地测量出这些微小的电阻变化。通常采用我们熟悉的电桥电路并用不平衡电桥进行测量。传感器上的电阻R1 、R2 、R3 、R4接成图25－4的直流桥路，cd两端接稳压电源E ，ab两端为电桥电压输出端，输出电压为U0 ，从图25－4可以有：

U0＝E（

图25－4 图25－

5

R1R4

） （25－2） 

R1R2R3R4

当电桥平衡时，即U0＝0有：R1·R3＝R2·R4，这是我们非常熟悉的电桥平衡条件。

在传感器上贴的电阻片是四片相同的电阻片，即：

R1＝R2＝R3＝R4＝R （25－3）

所以，当传感器不受外力作用时，电桥满足平衡条件，a 、b两端的电压U0＝0 。当梁受到载荷F的作用，电阻值发生了变化，如图25－5所示，电桥不平衡，则有：

R1R1R4R4

U0＝E（） （25－4） 

R1R1R2R2R3R3R4R4

大多数情况下：

ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4＝ΔR （25－5）

将（25－3）式,（25－5）式代入（25－4）式后：

U0＝ER （25－6）

R

从（25－6）式可知电桥输出的不平衡电压U0是和电阻的变化ΔR成正比的，这就是不平衡电桥的工作原理。显然测量出U0的大小即可反映外力F的大小。此外由（25－6）式还可知，若要获得较大的输出电压U0 ，可以采用较高的电源电压E即可，同时也说明电源电压不稳定将给测量结果带来误差，因此，电源电压一定要稳定。

在空载状态下理论上电桥输出应为零，但由于应变电阻片之间存在误差，以及托盘重量以及电路失调，使得在空载状态下电路输出不为零，我们称空载状态下的电桥输出为初读数。 3．显示记录。电压U0的测量可以采用模拟显示毫伏表和数字显示毫伏表等。本实验采用数字毫伏表测量U0 。

仪 器

实验电路板（含压力传感器、直流稳压电源、数字毫伏表、调零电位器等）、10.0克环形圆片砝码、被测重物等。

实验内容和步骤

1．实验电路如图25－6所示，电路连接已经通过印刷电路板连接好，实验时仔细观察仪器电路板的线路连接，与图25－6对照，分析各组成电路的对应关系及其作

用，在充分了解电路工作原理下进行实验。

图25－6 实验电路图 2．打开电路板右上方电源开关（朝- 136 -

上），接通仪器，在显示器上观察空载输出初读数，（初读数太大时可通过仪器上的R0进行粗略调零）。

3．测量载荷力F与电桥输出电压U0 的关系。 用逐差法求电桥灵敏度S 。

（1）按顺序每次增加一个10.0g的环形砝码，共12次，记录各次的输出电压值U0 。

（2）取下砝码，重复以上步骤5次，求各次U0的平均值； （3）用逐差法求出传感器的灵敏度：

S＝ΔF／U0 （g／mV）

4．用压力传感器测量你的随身小物品（如钢笔、橡皮等，重量小于200克）的重量，填入表2。

W＝S *U0 ，

5．*问答题：本实验中测量精度（实验结果有效数字）取决于那些因素？如何改善？ 注意事项

 实验时不能超载，托盘不能重压，加减砝码要轻拿轻放，以免损坏传感器。  注意测量数据和实验结果S 和W的有效数字位数。 数据记录和处理

表1，灵敏度S的数据表格：

表2，被称重物体重量：

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