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压力传感器的特性试验

由天下分享时间：2025/1/5 13:27:43 加入收藏我要投稿点赞

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 （4.3.1） A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 （4.3.2） ???R?LA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

（1）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）。

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

（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）增加很小的电阻值?R，即R3＝?R＋R0，则电桥失去平衡，电路中A、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

B V E C D 压力传感器

图4.3.2

单臂原理图5.3.3 单臂原理图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

?R0??RR1UAB?UA?UB????R0??R?R4R1?R2R2??R??U0(R0??R?R4)(R1?R2)?令电桥比率K????U0?

?R?U0R0(1??R/R0?R4/R0)(1?R1/R2)RR1R，根据电桥平衡条件，1?0，且当?R<

K?U0 （4.3.3）

(1?K)2?(R0/?R)?R不能略去，则式（5.3.3）应为 R0UAB??R/R0K ?U0 （4.3.4）

(1?K)?(?R/R0)K1?K定义Su?UAB为电桥的输出电压灵敏度，则有 ?RSu?KU0 （4.3.5）

(1?K)2?R0?R??1时，非平衡电桥输出电压与?R成线性关系。由式（4.3.5）R0由式（4.3.3）可知，当

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 （4.3.6） 4R0（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

双臂原理

图4.3.4

UAB?（4.3.7）

U0??R2R0

电桥的输出电压灵敏度为

S?U0 （4.3.8） 2R0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

?R1R4U0?E???R1?R2R3?R4?? （4.3.9） ?当电桥平衡时，U0＝0，于是可得

图4.3.5

R1?R3?R2?R4 （4.3.10）

其电阻值相同。即有

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，

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

?R1??R1R4??R4U0?E???R1??R1?R2??R2R3??R3?R4??R4? ? （4.3.12）

?假设

?R1??R2??R3??R4??R （4.3.13）

将式（4.3.11）、（4.3.13）代入式（4.3.12）后，得

U0?E??R （4.3.14） R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。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