电子讲义压力传感器及非平衡电桥

5.3压力传感器及非平衡削林信号转换技术【预习重点】：什么是电阻应变效应？本实验所用压力传感器的构造原理了解实验中所用仪器及测量量【教学要求】：了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数了解非电量的转换及测量方法一电桥法掌握测量压力传感器的灵敏度及物体的重量掌握测量传感器电源电压与电桥关系【教学重占】:V臂输入时电桥的电压输出特性【教学难点】:电阻应变效应压力传感器的结构惠斯登全桥差动电路原理【课程讲授】：一.卖验原理1.什么是电阻应变效应？电阻应变片电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”O（1856年W.Thomson发现）一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为A式中：p 电阻丝的电阻率；I 电阻丝的长度；A——电阻丝的截面积。当收到沿轴向的力作用下，其长度、电阻率、界面都要发生变化，有如下关系式：

A/? A/?ALAA RpLA金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。利用这种应力转变为应变，进而转换为电阻的变化。电阻应变片结构舍属电阻虑变片的结构1） 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01—0.05mm的电阻丝平行排列而成。2） 覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03〜0.06mm,使它与被测体及敏感栅能罕固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。2・压力传感器结构压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。把力的作用，转换成电阻的变换，利用电桥电路使这种电阻的变换再次变为电压或者电流的变化。其中A代表弹性体，由金属材料冶炼而成，O中间挖空是为了产生弹性。其中四个电阻R2、R3.R4是7片电阻片，梁的一端固定，另一端自由，用于加载负荷（如外力F）。当弹性梁受力弯曲的时候，上表面受拉，电阻片RnR3也受拉而导致电阻变大，梁下表面受压，R2^R4电阻减小。这样外力的作用通过梁的形变使得四个电阻值发生变化，这就是压力传感器。把电阻变换转换为电压的变换要借助电桥。3.全桥差动电路电桥：是将电阻.电容和电感等电参数变换量变换成电压或者电流值的一种电路。我们所用的是直流非平衡电阻电桥来实现将上面非电量（力学量）装换成电阻变换，最后转换成电压或者电流的变化。直流电桥电路压力传感器没有外力作用时，电桥电路如上图，AB两端的电压U°=E（&+1"恳+X）当U°=0时，称电桥处于平衡状态。此时有：7?]=人2由于在我们实验中所采用压力传感器贴的是四片相同

的电阻，其阻值相同。所以有所以满足电桥平衡条件。当传感器受到外力作用的时候，电路变为如下图所示:此时电桥不平衡，并有K+A7?]RK+A7?]R、+A7?i+R2-A7?2R4_A/?4&+A7?3+7?2—当满足如下条件:AT?】=AT??—A7?3=A7?4可以得到由上面表达式可以看出1）电桥不平衡输出的电压S与电阻的变化血成正比，也即是严格的线性关系。所以如果测出Uo就可以知道外力的大小。2）如果按照灵敏度定宀叙可以知道全桥差动电路的灵敏度为:可见当桥臂电阻一定时，适当增加直流电源电压可以提高电桥的输出灵敏度，但是过高的电源电压受到两方面限制：一是应变片的温度，二是应变电桥电阻的温度误差。二.实验仪器（略）三.实验步骤（略）所有数据表格由学生自己设计五、 数据处理（按照实验2内容来）六、 注意事项在实验前预热十五分钟，实验中所加重量不超过10kg,本实验只要求大家加到5kg就好。加减硅码时要轻