壓力傳感器(力效應(yīng))

壓力傳感器壓力傳感器是壓力檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉(zhuǎn)換成容易測量的電信號作輸出，給顯示儀表顯示壓力值，或供控制和報警使用。力學(xué)傳感器的種類繁多，電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高動態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動態(tài)測量、測量精度高等諸多優(yōu)點，因此是目前應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成，當(dāng)彈性元件感受到物理量時，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片的電阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而相應(yīng)變化。通過測量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，可以用來測量位移加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)。一、 壓力傳感器的基本原理1、金屬電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進行測量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。對于金屬導(dǎo)體，如圖1所示，一段圓截面的導(dǎo)線的金屬絲，設(shè)其長為L,截面積為A（直徑為D），原始電阻為R,金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：R=pL/A （1）式中：p 金屬導(dǎo)體的電阻率（Q-cm2/m） S 導(dǎo)體的截面積（cm2）L 導(dǎo)體的長度（m）

IPAD；4L圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)B-AD圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲受到軸向力F而被拉伸或壓縮產(chǎn)生形變，其電阻值會隨之變化，通過對（IPAD；4L圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)B-AD圖1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)(2)式中些=￡為材料軸向線應(yīng)變，且L譽=2罟跟據(jù)材料力學(xué)，在金屬絲單dR=dL-(2)式中些=￡為材料軸向線應(yīng)變，且L譽=2罟跟據(jù)材料力學(xué)，在金屬絲單向受力狀態(tài)下，有dLddLd=-卩TdD式中口為導(dǎo)體材料的泊松比。因此，有dp dp dLdp十(1+2卩)三+十(4)試驗發(fā)現(xiàn)，金屬材料電阻率的相對變化與其體的相對變化間的關(guān)系為dp dV=c—式中，c為常數(shù)（由一定的材料和加工方式?jīng)Q定）譽=dL+dA=（1-2卩）匕將式（5）代入⑷，且當(dāng)AR=R時，可得(6)蘭=[(1+2卩)+c(1-2卩)]8=K(6)R式中，k=（1+2p）+c（1-2p）為金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。上式表明，金屬材料電阻的相對變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。電阻變化率AR/R的表達式為：K=AR/Rp/￡，式中口一材料的泊松系數(shù);￡—應(yīng)變量。當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加,

而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變。2.電阻應(yīng)變片的測量電路由于應(yīng)變片的電橋電路的輸出信號一般比較微弱，所以目前大部分電阻應(yīng)變式傳感器的電橋輸出端與直流放大器相連，如圖2所示。圖2圖2直流電橋設(shè)電橋的各臂的電阻分別為RRRR它們可以全部或部分是應(yīng)變片。由于13 24(7)直流放大器的輸入電阻比電橋電阻大的多，因此可將電橋輸出端看成開路，這種電橋成為電壓輸出橋，輸出電壓u0為(7)U°=(R]；R：)(R:+R4)"S由上式可見：若r1r3=r2r4，則輸出電壓必為零，此時電橋處于平衡狀態(tài),稱為平衡電橋。平衡電橋的平衡條件為:R1R3=R2R4應(yīng)變片工作時，其電阻變化AR，此時有不平衡電壓輸出。TOC\o"1-5"\h\zUAR /c、U=i （8）0 4Ri由式（8）表明：AR《R時，電橋的輸出電壓于應(yīng)變成線性關(guān)系。若相鄰1兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變活壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差，若不同時，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂的極性一直，輸出電壓為兩者之和，反之則為兩者之差。

電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大，但是，當(dāng)U大時，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。基于這些原因可以合理的進行溫度補償和提高傳感器的測量靈敏度。由式(8)的線性關(guān)系是在應(yīng)變片的參數(shù)變化很小，極AR《R］的情況下得出的，若應(yīng)變片承受的壓力太大，則上述假設(shè)不成立，電橋的輸出電壓應(yīng)變之間成非線性關(guān)系。在在這種情況下，用按線性關(guān)系刻度的儀表進行測量必然帶來非線性誤差。為了消除非線性誤差，在實際應(yīng)用中，常采用半橋差動或全橋差動電路，如圖3所示，以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。(b)全橋差動電路(b)全橋差動電路圖3差動電橋圖3(a)為半橋差動電路，在傳感器這中經(jīng)常使用這種方法。粘貼應(yīng)變片時，使兩個應(yīng)變片一個受壓，一個受拉。應(yīng)變符號相反，工作時將兩個應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩臂。設(shè)電橋在初始時所示平衡的，且為等臂電橋，考慮到ar=ar1=ar2則得半橋差動電路的輸出電壓為U=^RU (9)。2RO由上式可見，半橋差動電路不僅可以消除非線性誤差，而且還使電橋的輸出

靈敏度提高了一倍，同時還能起到溫度補償?shù)淖饔?。如果按圖3(b)所示構(gòu)成全橋差動電路同樣考慮到ar=ar1=ar2=ar3=ar4時得全橋差動電路的輸出電壓為(10)Uo供(10)可見，全橋的電壓靈敏度比單臂工作時的靈敏度提高了4倍非線性誤差也得到了消除，同時還具有溫度補償?shù)淖饔茫撾娐芬驳玫搅藦V泛的應(yīng)用。二、壓力傳感器系統(tǒng)本次設(shè)計是以單片機組成的壓力測量，系統(tǒng)中必須有前向通道作為電信號的輸入通道，用來采集輸入信息。壓力的測量，需要傳感器，利用傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電信號后，再經(jīng)放大并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后才能由計算機進行有效處理。然后用LED進行顯示，而鍵盤的作用是改變輸入量的系數(shù)的。它的原理圖如圖4所示。圖4壓力測量儀表原理方框圖通過壓力傳感器將需要測量的位置的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)過運算放大器進行信號放大，送至8位A/D轉(zhuǎn)換器，然后將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機可以識別的數(shù)字信號，再經(jīng)單片機轉(zhuǎn)換成LED顯示器可以識別的信息，最后顯示輸出?；趩纹瑱C的智能壓力檢測系統(tǒng)，選擇的單片機是基于AT89C51單片機的測量與顯示，將壓力經(jīng)過壓力傳感器變?yōu)殡娦盘?，再通過三運放放將電信號放大為標(biāo)準(zhǔn)信號為0-5V的電壓信號，然后進入A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,我們所采樣的A/D轉(zhuǎn)換器為ADC0832,ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片,其最高分辨達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32口S,據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。正常情況下ADC0832與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。為了提高單片機系統(tǒng)I/O口線的利用效率，利用單片機AT87C51的串行口和串行移位寄存器74LS164擴展輸出多位LED顯示。鍵盤是單片機系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的常用輸入設(shè)備。我們通過鍵盤，向計算機系統(tǒng)輸入各種數(shù)據(jù)和命令，亦可通過使用鍵盤，讓單片機系統(tǒng)處于預(yù)定的功能狀態(tài)。要想實現(xiàn)壓力的顯示需硬件與軟件配合，最終調(diào)試出來。三、 壓力傳感器的應(yīng)用壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)，如高壓容器的壓力超過額定值時便是不安全的，必須進行測量和控制。在某些工業(yè)生產(chǎn)過程中，壓力還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，如生產(chǎn)合成氨時，氮和氫不僅須在一定的壓力下合成，而且壓力的大小直接影響產(chǎn)量高低。此外，在一定的條件下，測量壓力還可間接得出溫度、流量和液位等參數(shù)。1643年，意大利人托里拆利首先測定標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓力值為760毫米汞柱，奠定了液柱式壓力測量儀表的基礎(chǔ)。1847年，法國人波登制成波登管壓力表，由于結(jié)構(gòu)簡單、實用，很快在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用，一直是常用的壓力測量儀表。二十世紀(jì)上半葉出現(xiàn)了遠(yuǎn)傳壓力表和電接點壓力表，從而解決了壓力測量值的遠(yuǎn)距離傳送和壓力的報警、控制等問題。60年代以后，為適應(yīng)工業(yè)控制、航空工業(yè)和醫(yī)學(xué)測試等方面的要求，壓力測量儀表日益向體積輕巧、耐高溫、耐沖擊、耐振動和數(shù)字顯示等方向發(fā)展。壓力是過程生產(chǎn)中四大重要參數(shù)之一，它在檢測生產(chǎn)過程能否完全可靠正常運行的重要參數(shù)指標(biāo)，尤其在化工生產(chǎn)過程中壓力這一參數(shù)更顯得尤為重要。在化工生產(chǎn)過程中，壓力即影響物料平衡，也影響化學(xué)反應(yīng)速度，是標(biāo)志生產(chǎn)過程能否正常進行的重要參數(shù)。安全生產(chǎn)的需要，從確保安全生產(chǎn)的角度，壓力檢測也是非常重要的。如：確保壓力容器內(nèi)的壓力在安全指標(biāo)之內(nèi)，確保易燃易爆介質(zhì)的壓力不超標(biāo)。在其他工業(yè)生產(chǎn)中壓力檢測于控制也非常重要。?？梢姷揭恍┕I(yè)裝置上都有壓力表。如：汽包壓力，當(dāng)壓力過高容易爆炸，壓力低動力不足；還有爐膛壓