壓力傳感器的基本特性測量及電子秤的設(shè)計

1、壓力傳感器的基本特性測量及電子秤的設(shè)計一、實驗目的1 了解金屬箔式應變片的應變效應和性能，單臂單橋的工作原理和工作情況。2 測量應變式傳感器的壓力特性，計算其靈敏度。3 測量應變式傳感器的電壓特性，作出輸出電壓與工作電壓的關(guān)系特性圖。4 根據(jù)應變式傳感器的壓力特性設(shè)計一個電子秤。三、實驗儀器YJ-WLT-I物理綜合實驗平臺、壓力傳感器實驗裝置、電橋模塊與差動放大器（含調(diào)零模塊）一起提供線路板、萬用表、標準砝碼等。四、實驗原理金屬導體的電阻隨其所受機械形變（伸長或縮短）的大小而發(fā)生變化，其原因是導體的電阻與材料的電阻率以及它的幾何尺寸（長度和截面）有關(guān)。由于導體在承受機械形變過程中，其電阻率、長

2、度和截面積都要發(fā)生變化，從而導致其電阻發(fā)生變化，因此電阻應變片能將機械構(gòu)件上應力的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時 ，其電阻值發(fā)生變化，這就是電阻應變效應，描述電阻應變效應的關(guān)系式為： R R=K（ 1）式中 R R 為電阻絲電阻相對變化，K 為應變靈敏系數(shù)，= L L 為電阻絲長度相對變化，金屬箔式應變片就是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，通過它轉(zhuǎn)換被測部位受力狀態(tài)變化，電橋的作用完成電阻到電壓的比例變化，電橋的輸出電壓反映了相應的受力狀態(tài)。應變式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主R1R3要由雙孔平衡梁和粘貼在梁上的電阻應變片R1 R4 組成，電阻應變片一般由敏

3、感柵、基底、粘合劑、引線、蓋片等組成。應變片的規(guī)格一般 以 使 用 面 積 和 電 阻 值 來 表 示 ， 如“ 3 10mm2 ， 350 ”。敏感柵由直徑約 0.01mm-0.05mm高電阻R2R系數(shù)的細絲彎曲成柵狀，它實際上是一個電阻4圖 1元件，是電阻應變片感受構(gòu)件應變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基片上.基底應保證將構(gòu)件上的應變準確地傳送到敏感柵上去，故基底必須做得很?。ㄒ话銥?.03mm-0.06mm ），使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起；另外，它還應有良好的絕緣性、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，一般由0

4、.1mm-0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩端輸出端相焊接，蓋片起保護作用。在測試時，將應變片用粘合劑牢固地粘貼在被測試件的表面上，隨著試件受力變形，應變片的敏感柵也獲得同樣的形變，從而使電阻隨之發(fā)生變化。通過測量電阻值的變化可反映出外力作用的大小。壓力傳感器是將四片電阻分別粘貼在彈性平行梁的上下兩表面適當?shù)奈恢茫旱囊欢斯潭ǎ?另一端自由用于加載荷外力F 彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉，電阻片R1 和 R3 亦受拉伸作用電阻增大；梁的下表面受壓，R2 和 R4 電阻減小。這樣，外力的作用通過梁的形變而使四個電阻值發(fā)生變化，這就是壓力傳感器。應變片 R1 = R2= R3= R4

5、。應變片可以把應變的變化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電壓或電流的變化。最常用的測量電路是由應變片組成的電橋測量電路，如圖 2 所示。 當應變片受到壓力作用時，引起彈性體的變形，使得粘貼在彈性體上的電阻應受片 R1- R4 的阻值發(fā)生變化，電橋?qū)a(chǎn)生輸出，其輸出電壓正比于所受到的壓力。U 0SF五、實驗內(nèi)容壓力傳感器的基本特性的測量1.壓力傳感器的壓力特性的測量(1) 將 100g 傳感器輸出電纜線接入壓力傳感器實驗模板E12RRU43RR圖 2的電纜座中，用導線將壓力傳感器實驗模板中的電橋輸出端與YJ-WLT-I物理綜合實驗平臺的數(shù)字電壓表的輸入端相連,

6、測量選擇置于200mV,然后用導線將壓力傳感器實驗模板中的電橋的電源端與YJ-WLT-I物理綜合實驗平臺的電壓輸出端相連.接通電源，調(diào)節(jié)工作電壓為2V, 按順序增加砝碼的數(shù)量（每次增加10g）至 100g ，分別測傳感器的輸出電壓.（ 2）按順序減去砝碼的數(shù)量（每次減去10g ）至 0g，分別測量傳感器的輸出電壓.（ 3）用逐差法處理數(shù)據(jù)，求靈敏度S。2. 壓力傳感器的電壓特性的測量保持傳感器的壓力不變（如50g），改變工作電壓分別為3V 、4V 、5V 、 6V 、7V 、8V ，9V 測量傳感器電源電壓E 與電橋輸出電壓U 0 的關(guān)系， 作 E U 0 關(guān)系曲線 , 求靈敏度 Sv。3.應

7、變式壓力傳感器實驗模板如圖5 所示， R1 R4 應變式壓力傳感器的四個應變電阻，由 R1 R4 等電阻組成的電壓為U 01， Rw1為零點調(diào)節(jié)。由R7 R13、 IC 1 等組成的差動放大器放大倍數(shù)由Rw3調(diào)節(jié)，輸出的電壓為U 02。使用、調(diào)試方法：（ 1）用導線連接實驗儀各電源插座和實驗模板相對應的接線柱，并將100g 傳感器電纜線接入實驗模板，用導線短路放大器輸入端，放大器的輸出端與實驗平臺電壓測量輸入相連，測量選擇置200mV 檔，打開實驗平臺電源開關(guān)，調(diào)節(jié)放大器調(diào)零旋鈕Rw2 使放大器輸出電壓為0.0mV ，去掉短路線用連接線將放大器的輸入端與非平衡電1 / 8100g 傳感器零點調(diào)

8、節(jié)放大器調(diào)零放大倍數(shù)調(diào)圖 5橋的輸出端相連，放大器的輸出端與實驗平臺測量輸入相連，實驗儀測量選擇置200mV 檔 .（ 2）在壓力傳感器秤盤上沒有任何重物時，測量放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)零點調(diào)節(jié) Rw1 旋鈕使放大器的輸出電壓為0.0mV（ 3）將 100g 標準砝碼置于壓力傳感器秤盤上，測量放大器的輸出電壓，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)Rw3 旋鈕使放大器的輸出電壓為100.0mV. （ 0.1mV 相當于0.1g. ）（ 4) 改變壓力傳感器秤盤上的標準砝碼，檢驗放大器的輸出電壓與標準砝碼的標稱值是否對應 .（ 5）重復 2）、 3）步操作，使誤差最小.（ 6）評估你設(shè)計制作的電子秤。電子稱的設(shè)計根據(jù)應

9、變式傳感器的壓力特性，設(shè)計一個電子秤，參考電路見圖1、 設(shè)計要求量程： 0 100.0g；精度：在量程范圍內(nèi)，額定誤差小于最大量程的0.5% ；靈敏度： 0. 1 g ；顯示：電壓輸出0 100.0mV2、 可提供的儀器和元件YJ-WLT-I物理綜合實驗平臺、壓力傳感器實驗裝置、電橋模塊與差動放大器（含調(diào)零模塊）一起提供線路板、萬用表、標準砝碼等。2 / 83、 參考設(shè)計方案電子秤的測量原理。首先是通過壓力傳感器采集到被測物體的重量并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于應變式壓力傳感器輸出的電壓僅為毫伏量級，如果后級采用數(shù)字電壓表作為顯示儀表，則應把壓力傳感器輸出的毫伏信號放大到相應的電壓信號輸出。放大后

10、的電壓信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換電路送到單片機中，再經(jīng)過單片機控制譯碼顯示器，從而顯示物體重量。整套裝置的組成框圖如圖3 所示。力 信 號電 信 號電 信 號壓力傳感器信號放大顯示屏圖 3（ 1）總體方案設(shè)計根據(jù)對測量所提出的精度和靈敏度的要求，各組成部分的主要性能參數(shù)要求如下：就本設(shè)計而言，應變式壓力傳感器是關(guān)鍵部分，它的特性指標將對放大電路及顯示儀表的選擇起決定性的作用。因此，首先要研究和測量壓力傳感器的特性指標。（ 2）壓力傳感器的參數(shù)測試和性能研究測量傳感器內(nèi)部各橋臂的電阻值：將 100g 傳感器電纜線接入實驗模板，用萬用表測量R1 、 R2、 R3 、 R4 的電阻值。R1=1.745k

11、R2=1.8508k R3=1.7013k R4=1.8064K .測定壓力傳感器的其它性能：壓力傳感器靈敏度及線性即在某一定的供橋電壓下，單位荷載變化所引起的輸出電壓變化，用S 表示：S= U 0/ F實驗中， 不但要求出S 值，還要求利用兩個變量的統(tǒng)計計算法求輸出電壓U 0 和壓力 F 之間的相關(guān)系數(shù)，即線性度。壓力傳感器電壓靈敏度即在額定荷載下，供橋電壓變化所引起的輸出變化，用Sv 表示，則Sv= U 0/ U 橋同樣，也要研究其線性，求其相關(guān)系數(shù)。實驗儀器有數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、砝碼若干。（ 3）決定其他部分的設(shè)計參數(shù)根據(jù)壓力傳感器的量程和電子秤的稱重范圍，在充分利用傳感器量程的前提下

12、，設(shè)計計算放大器的放大倍數(shù)和傳感器的工作電壓。設(shè)計放大電路，并進行調(diào)試和安裝測定。可在指導老師的指導下熟悉有關(guān)的放大線路，并進行線路的測定和調(diào)試。由于壓力傳感器輸出的信號是很小的，一般為毫伏的量級，根據(jù)設(shè)計的要求，要在 0 100.0g 的稱量范圍內(nèi)，直接以電壓值顯示，所以需要放大系統(tǒng)將該信號進行放大再輸入顯示系統(tǒng)顯示物體的重量。本設(shè)計中采用差動放大器實現(xiàn)，測量放大電路除可自行安裝調(diào)試外，也可直接采用實驗室提供的放大倍數(shù)可調(diào)的實驗模板，模板使用和調(diào)試方法參見附錄。（ 4）整機測定和調(diào)試把傳感器、放大器和顯示裝置（采用適當量程和精度的數(shù)字電壓表）連成一體，進行模擬測試，求物體重量變化與輸出電壓示

13、值的關(guān)系，驗證各項指標是否達到要求。3 / 8六、數(shù)據(jù)分析：表 1壓力傳感器的壓力特性m（ g）0102030405060708090100加U (mV)00.08.17.025.533.841.550.459.367.575.984.15減U (mV)00.08.16.425.033.642.150.659.067.575.784.13用逐差法求靈敏度為：加 U 時：S= U0/ F=42.18/(50*9.8)=0.086 （ V/N ）減 U 時：S= U0/ F=42.3/(50*9.8)=0.086 （ V/N ）用兩個變量的統(tǒng)計計算法求輸出電壓U0 和壓力 F 之間的相關(guān)系數(shù)為：加

14、 U 時 r=0.999956減 U 時 r=0.999986輸出電壓U 0 和壓力F 線性度比較好。表 2 壓力傳感器的電壓特性E（ V ）12345678910U 0(mV)0.010.010.020.010.010.020.010.020.010.02U 050(mV)17.835.352.769.987.1104.0120.7137.3154.0170.1用逐差法求靈敏度為：額定荷載為0g 時：Sv= U 0/ U 橋 =0.000004額定荷載為50g 時：Sv= U 0/ U 橋 =0.017用兩個變量的統(tǒng)計計算法求輸出電壓U0 和供橋電壓U 橋 之間的相關(guān)系數(shù)為：額定荷載為0g

15、時：r=0.355335輸出電壓U0 和供橋電壓U 橋 線性度不好。額定荷載為50g 時：r=0.999934輸出電壓U0 和供橋電壓U 橋 線性度比較好。4 / 8額定荷載為0g 時：輸出電壓與工作電壓的關(guān)系特性圖0.0250.02vm0.015/ U U 0.010.0050012345678910 11E/V額定荷載為50g 時：輸出電壓與工作電壓關(guān)系特性圖180160v140120m100u/80U604020001234567891011E/V5 / 8輸出電壓與標準砝碼的標稱值的關(guān)系mg(g)0102030405060708090100U0(mv)0.0310.1220.1330.1140.0950.1161.1470.1380.0890.1399.82相對誤差：mg=10g 時， E=（ 10.04-10） /10=0.4%mg=20g時， E=（ 20.08-20） /20=0.4%mg=30g 時， E=（ 30.11-30） /30=0.37%mg=40g 時， E=（ 40.09-40） /40=0.23%mg=50g 時， E=（ 50.11-50） /50=0.22%m