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压力传感器的特性试验

发布日期:2020-10-31 09:57

  压力传感器的特性及非平衡电桥信号转换技术 【实验目的】 (1)了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数。 (2)了解非电量的转换及测量方法?——?电桥法。 (3)掌握非平衡电桥的测量技术。 (4)掌握应变压力传感器灵敏度及物体重量的测量。 (5)了解多个应变压力传感器的线性组成、调整与定标。 【实验原理】 压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。弹性体在压力(重量)作用下产生形 变(应变),导致(按电桥方式连接)粘贴于弹性体中的应变片产生电阻变化。 压力传感器的主要指标是它的最大载重(压力)、灵敏度、输出输入电阻值、工作电压(激 励电压)(VIN)范围、输出电压(VOUT)范围。 压力传感器是由特殊工艺材料制成的弹性体以及电阻应变片、温度补偿电路组成,并采用 非平衡电桥方式连接,最后密封在弹性体中。 1. 弹性体 一般由合金材料冶炼制成,加工成 S 形、长条形、圆柱形等。为了产生一定弹性,挖空或 部分挖空其内部。 2. 电阻应变片 金属导体的电阻 R 与其电阻率?、长度 L、截面 A 的大小有关。 R?? L A (4.3.1) 导体在承受机械形变过程中,电阻率、长度、截面都要发生变化,从而导致其电阻变化。 ?R ? ?? ? ?L ? ?A R ?LA (4.3.2) 这样就把所承受的应力转变成应变,进而转换成电阻的变化。因此电阻应变片能将弹性体 上应力的变化转换为电阻的变化。 电阻应变片一般由基底片、敏感栅、引线及履盖片用黏合剂黏合而成。电阻应变片的结构 如图 4.3.1 所示。 电阻应变片结构示意 图 4.3.1 1—敏感栅(金属电阻丝);2—基底片;3—覆盖层;4—引出线)敏感栅。敏感栅是感应弹性应变的敏感部分。敏感栅由直径约 0.01~0.05?mm 的高电阻 系数的细丝弯曲成栅状,它实际上是一个电阻元件,是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏 感栅用黏合剂固定在基底片上。b×l 称为应变片的使用面积[应变片工作宽度 b,应变片标距(工 作基长)l],应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示,如 3×10?mm2,350??。 (2)基底片。基底将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去,因此基底必须做得很薄,一 般为 0.03~0.06?mm,使它能与试件及敏感栅牢固地黏结在一起,另外,它还具有良好的绝缘性、 抗潮性和耐热性,基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等。 引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接,一般由 0.1~0.2?mm 低阻镀锡钢丝制 成,并与敏感栅两输出端相焊接,覆盖片起保护作用。 (3)黏合剂。将应变片用黏合剂牢固地粘贴在被测试件的 表面上,随着试件受力形变,应变片的敏感栅也获得同样的形 变,从而使其电阻随之发生变化,通过测量电阻值的变化可反 映出外力作用的大小。 3. 压力传感器 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 4.3.2 所示。R1、R2、R3、R4 是四片电阻片,梁 的一端固定,另一端自由,用于加载荷(如外力 F)。 压力传感器 图 4.3.2 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。这样外力的作用通过梁的形变 而使四个电阻值发生变化,这就是压力传感器。 应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化,为了显示和记录应变的大小,还需把电阻的 变化再转换为电压或电流的变化。最常用的测量电路为电桥电路。 4. 非平衡电桥测量技术 1)电桥及分类 电桥是将电阻、电容、电感等电参数变化量变换成电压或电流值的一种电路。电桥电路在 检测技术中应用非常广泛,根据激励电源的性质不同,可把电桥分为直流电桥和交流电桥两种。 根据桥臂阻抗性质的不同,可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥三种。根据电桥工作时是否平 衡来区分,可分为平衡电桥和非平衡电桥两种。平衡电 桥用于测量电阻、电容和电感,而非平衡电桥在传感技 术和非电量测量技术中广泛用作测量信号的转换。 2)单臂、双臂电桥 C D (1)单臂输入时电桥电压输出特性。 图 4.3.3 所示是惠斯登电桥的基本电路。当电桥平 衡时,R1∶R2=R3∶R4,电路中 A、B 两点间电位差 UAB =0,若此时使一个桥臂的电阻(如 R3)增加很小的电 B 阻值?R,即 R3=?R+R0,则电桥失去平衡,电路中 A、 V B 两点间存在一定的电势差 UAB。该电势差即为电桥不 平衡时输出电压。 若电桥供电电源的电压为 U0,根据串联电阻分压 E 图 5.3单.3 臂单原臂理原理 图 4.3.3 原理,若以图 4.3.3 所示电路中 C 点为零电势参考点,则电桥的输出电压为 U AB ?UA ?UB ? ? ? ? R0 ? ?R R0 ? ?R ? R4 ? R1 R1 ? R2 ? ? ?U0 ? ? (R0 ? R2 ?R ? ? ?R R4 )(R1 ? R2 ) ?U0 ? R0 (1? ?R / R0 ?R ? R4 / R0 )(1? R1 / R2 ) ?U0 令电桥比率 K ? R1 R2 ,根据电桥平衡条件, R1 R2 ? R0 R4 ,且当?RR0 时,略去分母中的微小项 ?R ,有 R0 U AB ? (1? K K )2 ?U0 ? (R0 / ?R) (4.3.3) 若 ?R 不能略去,则式(5.3.3)应为 R0 U AB ? (1? ?R / R0 K) ? (?R / R0 )K ?K 1? K U0 (4.3.4) 定义 Su ? U AB ?R 为电桥的输出电压灵敏度,则有 Su ? KU0 (1? K)2 ? R0 (4.3.5) 由式(4.3.3)可知,当 ?R ?? 1 时,非平衡电桥输出电压与?R 成线 可知,电桥的输出电压灵敏度由选择的电桥比率 K 及供电电源电压决定。电桥供电电压一定, 当 K=1 时,电桥输出电压灵敏度最大。且为 Smax ? U0 4R0 (4.3.6) (2)双臂输入时电桥的电压输出特性。 在惠斯登电桥电路中,若在相邻臂内接入两个变化量 大小相等、符号相反的可变电阻,这种电桥电路称为半桥 差动电路,如图 4.3.4 所示。 对于半桥差动电路,若电桥开始时是平衡的,则 R1∶ R2=R3∶R4。在对称情况下,R1=R2=R3=R4, ??R3 =?R4=?R,则半桥差动电路输出电压为 (4.3.7) U AB ? U0 ? ?R 2R0 电桥的输出电压灵敏度为 双臂原理 图 4.3.4 S ? U0 2R0 (4.3.8) 可见,半桥差动电路的输出电压灵敏度比单臂输入时的最大电桥电压灵敏度提高了一倍。 3)四臂输入时电桥的电压输出特性 在惠斯登电桥电路中,若电桥的四个臂均采用可变电阻,即将两个变化量符号相反的可变 电阻接入相邻桥臂内,而将两个变化量符号相同的可变电阻接入 相对桥臂内,这样构成的电桥电路称为全桥差动电路。 为了消除电桥电路的非线性误差,通常采用不平衡电桥进行 测量。传感器上的电阻 R1、R2、R3、R4 接成如图 4.3.5 所示的直流 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,由图 4.3.5 可得 U0 ? ? E? ? R1 R1 ? R2 ? R4 R3 ? R4 ? ? ? (4.3.9) 当电桥平衡时,U0=0,于是可得 R1 ? R3 ? R2 ? R4 (4.3.10) 图 4.3.5 式(4.3.10)就是我们熟悉的电桥平衡条件,在传感器上贴的电阻片是相同的四片电阻片, 其电阻值相同。即有 R1 ? R2 ? R3 ? R4 ? R (4.3.11) 所以,当传感器不受外力作用时,电桥满足平衡条件,a、b 两端输出的电压 U0=0。 当梁受到载荷 F 的作用时,R1 和 R3 增大,R2 和 R4 减小,如图 4.3.5 所示,这时电桥不平衡, 并有 假设 U0 ? ? E? ? R1 R1 ? ?R1 ? ?R1 ? R2 ? ?R2 ? R3 R4 ? ?R4 ? ?R3 ? R4 ? ?R4 ? ? ? (4.3.12) ?R1 ? ?R2 ? ?R3 ? ?R4 ? ?R 将式(4.3.11)、(4.3.13)代入式(4.3.12)后,得 (4.3.13) U0 ? E ? ?R R (4.3.14) 由式(4.3.14)可知,电桥输出的不平衡电压 U0 与电阻的变化?R 成正比,如测出 U0 的大小 即可反映外力 F 的大小。由式(4.3.14)还可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。澳门赌场另外,若要获得较大的输出电压?U0,可以采用较高的电源电压,但电源 电压的提高受两方面的限制,一是应变片的允许温度,一是应变电桥电阻的温度误差。 【实验内容】 压力传感器内部的应变片的电路连接采用了非平衡电桥连接方式,这种技术在传感技术和 非电量测量技术中用作测量信号的转换,所以用电阻电桥来演示这种技术。 实验 1 1. 测定单臂输入时电桥的电压输出特性 (1)按实验电路接好测量电路。其中 R1 和 R2 在实验板(见图 4.3.6)上为固定电阻,Rx1 和 Rx2 用电阻箱调节,供电电源电压 E0=600?V(见图 4.3.7)。 (2)R1=R2=1?M?,即 K=1;再调节 Rx1=Rx2=47?k?,即使 UAB=0。但由于电阻箱存在 一定误差,以及接触电阻等因素的影响,此时电桥未必能平衡,即 UAB≠0,为此需要微调电压 表,使 UAB=0。 实验板 实验电路 图 4.3.6 图 4.3.7 (3)使 Rx1 每次增大 20?0?,用电压表测出电桥相应的输出电压 UAB,直到 Rx1 增大 1.200?0?k?。 记录在表 4.3.1 中。 2. 测定双臂输入时电桥的电压输出特性 (1)调节 Rx1=Rx2=10?k?,使电桥平衡。 (2)使 Rx1 每次增大 200??,而 Rx2 相应每次减少 200??,测出电桥的相应输出电压 UAB。直 到 Rx1、Rx2 的最大改变量为 1.200?0?k?。记录在表 4.3.2 中。 实验 2 1. 仪器连接 仪器的连接如图 4.3.8 所示,电源电压接压力传感特性测试仪的电源输出端,为传感器提供 工作电源,传感器输出端接压力传感器特性测试仪的信号输入端,从而对不平衡电桥(即压力传 感器)的输出电压进行放大、测量和显示。 仪器连接 图 4.3.8 2. 仪器调节 先将仪器电源打开,预热 15?min 以上,调节电源电压为 10.0?V。再旋转调零旋钮,使压力 电压显示值为 0.000?V。 3. 测 量 (1)按顺序增加砝码的数量(每次增加 1?kg,共 9 次),记录每次加载时的输出电压值 U0。 (2)再按相反次序将砝码逐一取下,记录输出电压值 U0。 (3)用逐差法求出传感器的灵敏度 S。 S ? ?U0 (V/kg) ?F 4. 用压力传感器测量任意物体的重量 (4.3.15) (1)将一个未知重量的物体放置于加载平台上,测出电压 U0,同一物体测量三次求出平均 值 U0? 。 (2)物体的重量 w ? U0? ? 1 S (4.3.16) (3)共测三个未知重量的物体,样品由实验室提供或学生自己提供被测物体。 5. 测量传感器电源电压 E 与电桥输出电压 U0 的关系(保持加载砝码的质量为 1?kg) (1)改变 HC-IPF 压力传感特性测试仪的电源电压,使其由 2.0?V 变至 10.0?V,每隔 1.0?V 记录一个输出电压值 U0。 (2)作 E-U0 关系曲线,分析是否为线. 测出本实验系统的最小分辨重量 (1)用实验室提供的砝码 1~9?g,由 1?g 加载,每加 1?g 记录传感器输出电压值 U0。 (2)分析测量结果,给出实验系统所能测出的最小重量以及能分辨的最小重量。 注意事项 在实验前应预热 15?min 以上,实验中所加重量不能超过 10?kg,加减砝码时要轻拿轻放,以 免损坏应变片。 【思考题】 1、传感器的灵敏度与电源电压有何关系?电源电压可无限加大吗,为什么? 2、本实验所用系统能当电子称使用吗? 3、分析给出本系统的最小分辨重量。 4、分析此种压力传感器是否是线、此种压力传感器的主要参数及其含义是什么。

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