1、壓力傳感器的特性及非平衡電橋信號轉換技術【實驗目的】（1）了解應變壓力傳感器的組成、結構及工作參數。（2）了解非電量的轉換及測量方法一一電橋法。（3）掌握非平衡電橋的測量技術。（4）掌握應變壓力傳感器靈敏度及物體重量的測量。（5） 了解多個應變壓力傳感器的線性組成、調整與定標【實驗原理】壓力傳感器是把一種非電量轉換成電信號的傳感器。彈性體在壓力（重量）作用下產生形變（應變），導致（按電橋方式連接）粘貼于彈性體中的應變片產生電阻變化。壓力傳感器的主要指標是它的最大載重（壓力）、靈敏度、輸出輸入電阻值、工作電壓（激勵電壓）（Vin）范圍、輸出電壓（Vout）范圍。壓力傳感器是由特殊工藝材料制成的彈

2、性體以及電阻應變片、溫度補償電路組成，并采用非平衡電橋方式連接，最后密封在彈性體中。1 .彈性體一般由合金材料冶煉制成，加工成S形、長條形、圓柱形等。為了產生一定彈性，挖空或部分挖空其內部。2 .電阻應變片金屬導體的電阻R與其電阻率P、長度L、截面A的大小有關。R=P-（4.3.1）導體在承受機械形變過程中，電阻率、長度、截面都要發生變化，從而導致其電阻變化。RLA=十（4.3.2R：LA這樣就把所承受的應力轉變成應變，進而轉換成電阻的變化。因此電阻應變片能將彈性體上應力的變化轉換為電阻的變化。電阻應變片一般由基底片、敏感柵、引線及履蓋片用黏合劑黏合而成。電阻應變片的結構如圖4.3.1所示。1

3、敏感柵（金屬電阻絲）；2基底片；3覆蓋層；4引出線（1）敏感柵。敏感柵是感應彈性應變的敏感部分。敏感柵由直徑約0.010.05mm的高電阻系數的細絲彎曲成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏感柵用黏合劑固定在基底片上。bx1稱為應變片的使用面積應變片工作寬度b,應變片標距（工作基長）l,應變片的規格一般以使用面積和電阻值來表示，如3X10mm2,350C。般為0.030.06mm,使它能與試件及敏感柵牢固地黏結在一起,抗潮性和耐熱性，基底材料有紙、膠膜和玻璃纖維布等。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測量電路相連接，成，并與敏感柵兩輸出端相焊接，覆蓋片起保護作用。

4、（3）黏合劑。將應變片用黏合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力形變，應變片的敏感柵也獲得同樣的形變，從而使其電阻隨之發生變化，通過測量電阻值的變化可反映出外力作用的大小。另外，它還具有良好的絕緣性、一般由0.10.2mm低阻鍍錫鋼絲制3 .壓力傳感器將四片電阻片分別粘貼在彈性平行梁A的上下兩表面適當的位置，如圖4.3.2所示。Ri、R2、R3、R4是四片電阻片，梁圖4.3.2的一端固定，另一端自由，用于加載荷（如外力F)o彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉，電阻片Ri、R3亦受拉伸作用電阻增大，梁的下表面受壓，R2、R4電阻減小。而使四個電阻值發生變化，這就是壓力傳感器。這樣外力

5、的作用通過梁的形變應變片可以把應變的變化轉換為電阻的變化，為了顯示和記錄應變的大小，還需把電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化。最常用的測量電路為電橋電路。4 .非平衡電橋測量技術1）電橋及分類電橋是將電阻、電容、電感等電參數變化量變換成電壓或電流值的一種電路。電橋電路在檢測技術中應用非常廣泛，根據激勵電源的性質不同，可把電橋分為直流電橋和交流電橋兩種。根據橋臂阻抗性質的不同，可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋三種。根據電橋工作時是否平衡來區分，可分為平衡電橋和非平衡電橋兩種。平衡電橋用于測量電阻、電容和電感，而非平衡電橋在傳感技術和非電量測量技術中廣泛用作測量信號的轉換。2）單臂、雙臂電橋（1

6、）單臂輸入時電橋電壓輸出特性。圖4.3.3所示是惠斯登電橋的基本電路。當電橋平衡時，R1:R2=R3：R4,電路中A、B兩點間電位差Uab=0,若此時使一個橋臂的電阻（如R3）增加很小的電阻值&R,即R3=iR+R0,則電橋失去平衡，電路中A、B兩點間存在一定的電勢差Uab。該電勢差即為電橋不平衡時輸出電壓。若電橋供電電源的電壓為U0,根據串聯電阻分壓輸也電用Oe"圖5.3O原理原理，若以圖4.3.3所示電路中C點為零電勢參考點，則電橋的輸出電壓為（2）基底片。基底將構件上的應變準確地傳遞到敏感柵上去，因此基底必須做得很薄,Uab=UAUBR0：=RR0.RR4RiR2Uo(

7、R0.RR4)(R1-R2)RUoRo(1.R/R0R4/Ro)(1R1/R2)Uo，一一R令電橋比率K1R2根據電橋平衡條件,R0R4,且當AR<<Ro時，略去分母中的微小項UABKUo(1K)2(Ro/.R)(4.3.3)R若不能略去，則式（5.3.3）應為RoUAB.R/Ro(1K)(：R/Ro)K(4.3.4)定義Su=也為電橋的輸出電壓靈敏度，則有RSuKUo(1K)2Ro(4.3.5)R由式（4.3.3）可知，當«1時，非平衡電橋輸出電壓與驚成線性關系。由式（4.3.5）Ro可知，電橋的輸出電壓靈敏度由選擇的電橋比率當K=1時，電橋輸出電壓靈敏度最大。且為Sm

8、axUo4Ro（2）雙臂輸入時電橋的電壓輸出特性。在惠斯登電橋電路中，若在相鄰臂內接入兩個變化量大小相等、符號相反的可變電阻，這種電橋電路稱為半橋差動電路，如圖4.3.4所示。對于半橋差動電路，若電橋開始時是平衡的，則R1:R2=R3：R4。在對稱情況下，R1=R2=R3=R4,為3=R4=R,則半橋差動電路輸出電壓為K及供電電源電壓決定。電橋供電電壓一定,(4.3.6)雙臂原理圖4.3.4UABUoR-2(4.3.(7)Uo2Ro電橋的輸出電壓靈敏度為(4.3.(8)可見，半橋差動電路的輸出電壓靈敏度比單臂輸入時的最大電橋電壓靈敏度提高了一倍。3）四臂輸入時電橋的電壓輸出特性在惠斯登電橋電路

9、中，若電橋的四個臂均采用可變電阻，即將兩個變化量符號相反的可變電阻接入相鄰橋臂內，而將兩個變化量符號相同的可變電阻接入相對橋臂內，這樣構成的電橋電路稱為全橋差動電路。為了消除電橋電路的非線性誤差，通常采用不平衡電橋進行測量。傳感器上的電阻Ri、R2、R3、R4接成如圖4.3.5所示的直流橋路，cd兩端接穩壓電源E,ab兩端為電橋電壓輸出端，輸出電壓為Uo,由圖4.3.5可得RRR4*，、Uo=EI4I(4.3.9)(R+RR3+R4J當電橋平衡時，Uo=O,于是可得RR3=RzR4(4.3.10)圖4.3.5式（4.3.10）就是我們熟悉的電橋平衡條件，在傳感器上貼的電阻片是相同的四片電阻片,

10、其電阻值相同。即有(4.3.11)所以，當傳感器不受外力作用時，電橋滿足平衡條件,a、b兩端輸出的電壓Uo=o當梁受到載荷F的作用時，R和R3增大，R2和R4減小，如圖4.3.5所示,并有這時電橋不平衡,UoR1:二R二ERR1R2-R2R3舊3卡4-舊4R4一積4(4.3.12)R=R2=R3R4-R(4.3.13)假設將式（4.3.11）、（4.3.13）代入式（4.3.12）后，得(4.3.14).RUo=ER如測出Uo的大小由式（4.3.14）可知，電橋輸出的不平衡電壓Uo與電阻的變化屈成正比,即可反映外力F的大小。由式（4.3.14）還可說明電源電壓不穩定將給測量結果帶來誤差，因此電

11、源電壓一定要穩定。另外，若要獲得較大的輸出電壓Uo,可以采用較高的電源電壓，但電源電壓的提高受兩方面的限制，一是應變片的允許溫度，一是應變電橋電阻的溫度誤差。【實驗內容】壓力傳感器內部的應變片的電路連接采用了非平衡電橋連接方式，這種技術在傳感技術和非電量測量技術中用作測量信號的轉換，所以用電阻電橋來演示這種技術。實驗11 .測定單臂輸入時電橋的電壓輸出特性（1）按實驗電路接好測量電路。其中R1和R2在實驗板（見圖4.3.6）上為固定電阻，Rx1和Rx2用電阻箱調節，供電電源電壓Eo=6ooV（見圖4.3.7）。2 2）R=R2=1MQ,即K=1;再調節Rx1=Rx2=47kC,即使Uab=。但

12、由于電阻箱存在一定誤差，以及接觸電阻等因素的影響，此時電橋未必能平衡，即UabW。，為此需要微調電壓表，使Uab=。1Oo電源電壓&=6VQo常出信號Q實驗板實驗電路圖4.3.6圖4.3.7(3)使Rxi每次增大200C,用電壓表測出電橋相應的輸出電壓Uab,直到Rxi增大1.2000kQo記錄在表4.3.1中。2.測定雙臂輸入時電橋的電壓輸出特性(1)調節Rxi=Rx2=10kQ,使電橋平衡。(2)使Rx1每次增大200Q而Rx2相應每次減少200Q測出電橋的相應輸出電壓Uab。直到Rx1、Rx2的最大改變量為1.2000kQo記錄在表4.3.2中。實驗21 .儀器連接儀器的連接如圖

13、4.3.8所示，電源電壓接壓力傳感特性測試儀的電源輸出端，為傳感器提供工作電源，傳感器輸出端接壓力傳感器特性測試儀的信號輸入端，從而對不平衡電橋(即壓力傳感器)的輸出電壓進行放大、測量和顯示。壓力掩感器“C-1PF玨力傳感驕柱測試儀O電源帶水電源傳感品電壓輸出機源施出電源詡解儀器連接圖4.3.82 .儀器調節先將儀器電源打開，預熱15min以上，調節電源電壓為10.0V。再旋轉調零旋鈕，使壓力電壓顯示值為0.000V。3 .測量(1)按順序增加祛碼的數量(每次增加1kg,共9次)，記錄每次加載時的輸出電壓值U0(2)再按相反次序將祛碼逐一取下，記錄輸出電壓值U0o(3)用逐差法求出傳感器的靈敏

14、度SoS=U0(V/kg)(4.3.15)4 .用壓力傳感器測量任意物體的重量(1)將一個未知重量的物體放置于加載平臺上，測出電壓U0,同一物體測量三次求出平均值U(；。(2)物體的重量.1、w=U0x(4.3.16)S(3)共測三個未知重量的物體，樣品由實驗室提供或學生自己提供被測物體。5 .測量傳感器電源電壓E與電橋輸出電壓U0的關系(保持加載祛碼的質量為1kg)(1)改變HC-IPF壓力傳感特性測試儀的電源電壓，使其由2.0V變至10.0V,每隔1.0V記錄一個輸出電壓值U0。(2)作E-Uo關系曲線，分析是否為線性關系。6 .測出本實驗系統的最小分辨重量(1)用實驗室提供的祛碼19g,由1g加載，每加