压力传感器特性及其应用设计

1、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部分（关于压力传感器特性的实验报告）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。 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。 实验仪器 压力传感器 电位差计 稳压电源 变阻箱 砝码等 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

2、，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（2）应变与压力的关系等截面梁结构示意图等截面梁结构示意图 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 N=f/Y=6F L0/Y=6F L0/(bh*hY Y) 式中

3、：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。 （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R1=R2=R3=R4，则有 SSURRRRRRURRRRRRU443344221111SSSURRURRRURRRU1111111122（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，

4、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：dFdUFUSF0lim00FFUUS2.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.UUULL3.迟滞（迟滞误

5、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.UUUHH4.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 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

6、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； 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表格二表格二项目项目L0(cm)h(mm)b(mm)

7、数值数值38.000.1825.02 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， 电压电压应力应力 （2）输出电压与加载力之间的关系图部分（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12号接线柱之间。二号电阻应变片接在25号接线柱之间。三号电阻应变片接在1

8、4号接线柱之间。四号电阻应变片接在45号接线柱之间。在24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。2.实验所用仪器的改装。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

9、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）12534全桥电路应用图全桥电路应用图231 1一 二三四54全桥电路实验原理图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 2利用计算机接口，进行自动适时检测压力，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。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： 传感器 传感器 传感器 多 路 转 换 器计算机变换 A/D计算机与压力传感器的连接计算机

10、与压力传感器的连接计算机信号转换的程序#include Void main(); Double a,b,u,m; Coutu; Couta; Coutb; M=u/(9.8*b)-a/(9.8*b); Cout“m= ”m; 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

11、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。（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 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

12、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=6F L0/(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。 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体线形关系。根据这个线形关系，编写一个程序输入计算机，测量出的电压经过放大器和数字信号转换器进入计算机后，计算机就可以相应的得出此被测物体的质量。（3）压力传感器的实际应用）压力传感器的实际应用实验说明：实验说明：利用压力传感器特性及应用与汽车报警装置 众所周知，现在汽车报警装置大多数是通过声音控制的，如果汽车周围的声音超过了一

13、定的分贝数，则报警装置开始报警。这种报警装置有一定的好处，能够在一定程度上保护汽车不被偷窃。因为一般小偷盗窃汽车时，都有可能发出比较强的响声，造成报警装置进行报警。但是，这个装置也有它的弱点：即在遇到其他的一些巨大声响，并无小偷偷窃时也会产生报警（本人就亲眼目睹过曾经因为放鞭炮时声音过响，导致了周围一排汽车报警器大作，造成人们虚惊一场），同时这种装置也不是那么保险。 究其原因，此装置是按照声音大小进行报警。如果声音不够大的话，此装置就不会进行报警。而事实证明现在小偷可以在不发出过大声响的情况下成功盗得汽车。所以声控报警装置的缺陷可见一斑。 我们认为在声控报警装置的基础上再加装一个压力传感报警装

14、置的话，则可以更有效的杜绝偷盗事件，而且成本也较为低廉。 实验原理：实验原理：在汽车的四个门上分别装上一个压力传感装置。因为无论你采用什么方法，如果你要盗窃汽车都必须要经过门进入汽车（也可以将汽车拖走，不过这样盗窃不太现实。另一种方法是砸坏玻璃，不过这样的话，声控报警装置将自动生效）。 我们可以把压力传感器的电源控制开关和汽车钥匙发出的信号相连通，汽车钥匙可以控制这套装置的开启。如果使用钥匙开门的话，电源控制开关接到钥匙发出的电子信号后将自动关闭。所以开门将不会进行报警。 反之，如果你不使用钥匙，而使用非法手段进行开门的话。将会触动压力传感装置，电桥之间将会产生电流，而电桥之间接上了你个报警装

15、置，产生电流后将会自动报警。实验原理图实验原理图电阻应变片电阻应变片报警器报警器受钥匙电子受钥匙电子信号控制信号控制 实验总结 转眼间，四周的实验选修课已告结束。本组成员在做完前两周的常规实验后。毅然选择了自主创新实验压力传感器特性及应用设计。 自主创新实验对于经济学的学生来说，无疑是一个极大的挑战。我们常为摸索一个公式的来龙去脉而绞尽脑汁，也常为寻求一个创新设计的理论来源而大费周折，更为实验过程中的结论偏差而苦苦思索，正所谓“千淘万漉虽辛苦，吹尽黄沙始到金”。艰苦的探索之后，在季老师的悉心指导之下，我们的创新实验终于圆满完成。付出之后，我们尝到了成功的喜悦，也从中学到了许多。 其一，实验锻炼了我们的动手能力，实践与理论相结合，让我们重新碰撞出智慧的火花。 其二，实验过程中遇到的重重困难，需要我们用心去尝试，摸索，对我们养成积极思考的习惯不无裨益。此外对我们也是一种性情的锤炼和陶冶。 其三，实