壓力傳感器特性及其應(yīng)用設(shè)計第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計Ⅰ部分（關(guān)于壓力傳感器特性的實驗報告）

壓力傳感器是利用應(yīng)變電阻效應(yīng)，將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓量的器件,是最基本的傳感器之一，它種類很多，應(yīng)用也及廣。研究壓力傳感器的特性，具有非常實際的意義。

第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

實驗?zāi)康模?）了解和研究壓力傳感器的靜態(tài)、動態(tài)特性及其應(yīng)用。（2）理解半橋及全橋電路原理。（3）設(shè)計電子稱原理圖。（4）設(shè)計壓力報警控制裝置。

第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

實驗儀器

壓力傳感器電位差計穩(wěn)壓電源變阻箱砝碼等第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

實驗原理實驗中使用的壓力傳感器是由兩片電阻應(yīng)變片組成，分別粘貼在平衡梁兩、上下兩表面上，兩個電阻應(yīng)變片以及外加的兩個變阻器組成差動半橋，采用非平衡電橋原理，把壓力轉(zhuǎn)化為不平衡電壓進(jìn)行測量。下面具體討論一下壓力傳感器的幾種特性。(1)非電量電測系統(tǒng)框圖信號處理顯示儀器被測量的量傳感器測量電路工作電源第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（2）應(yīng)變與壓力的關(guān)系等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

電阻應(yīng)變片是將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化。將電阻應(yīng)變片粘貼在懸臂梁式彈性體上（如圖），等截面懸臂梁一端固定，截面積S處處相等（S=bh，寬度為b，厚度為h）。在距載荷F著力點L0的上下表面，順L0方向粘貼有受拉應(yīng)變片R1和受壓的R2。粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)?/p>

N=f/Y=6FL0/(bh*hY)

式中：f是應(yīng)變片處的應(yīng)力；Y是彈性體的彈性模量。從式中可以看出，除壓力F外，其余各量均為常量，所以應(yīng)變N與壓力F成正比。

第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（2）電阻的變化也電壓的關(guān)系參見前面實驗可知，輸出電壓U與電阻值的變化成正比。由此可見，差動電橋既沒有非線性誤差，又具有較高的靈敏度，同時還具有適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力等優(yōu)點。實驗中，輸出電壓U可由電位差計測出。此時電橋的輸出電壓U為：

若R1=R2=R3=R4和ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則有

第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（3）壓力傳感器的靜態(tài)特性

壓力傳感器的靜態(tài)特性是指輸入不隨時間而變化的特性，即在靜載荷作用下，用實驗的方法求得輸入的力與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系（線性關(guān)系），即U=a+bF。由輸入和輸出的關(guān)系，即可研究靜態(tài)特性。1.靈敏度S

傳感器在靜態(tài)工作條件下單位壓力所產(chǎn)生的輸出電壓，稱為靜態(tài)靈敏度。靈敏度越高，其分辨率也高。如下公式表示：這實際上就是傳感器輸入輸出特性曲線上某點的斜率。非線性傳感器各處的靈敏度是不相同的，對于線性傳感器靈敏度則為：第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二2.線性度（非線性誤差）L

將傳感器的實際零點和滿量程斷電連線作為理論直線，傳感器實際平均輸出特性曲線對理論直線的偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比表示。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二3.遲滯（遲滯誤差）H傳感器在正、反行程中，輸入輸出曲線不重復(fù)的程度稱為遲滯。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二4.重復(fù)度R

在多次重復(fù)測量正、反行程中，傳感器對同一輸入量有不同的輸出值，這種差值稱為重復(fù)差值。5.壓力傳感器的動態(tài)特性（響應(yīng)）動態(tài)特性是指輸入隨時間而變化的特性，傳感器能隨時間精確的跟蹤輸入量，輸出能夠按照輸入的變化規(guī)律而變化，這個過程稱為響應(yīng)，響應(yīng)是描述動態(tài)特性的重要參數(shù)。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實驗步驟（1）檢查實驗儀器，按照非平衡電橋原理，連接半橋電路；（2）打開電源，調(diào)節(jié)電壓至6。0伏（具體實驗具體要求），并將電流調(diào)至最大；（3）調(diào)節(jié)變阻箱的阻值，使得電位差計的示數(shù)小于0。2（本實驗使用的電位差計基本單位200毫伏）；（4）加載力，記錄數(shù)據(jù)，填入表格，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；（5）比較半橋與全橋電路的優(yōu)劣；

第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

實驗數(shù)據(jù)表格一加載質(zhì)量(g)020406080100120140160180200加載輸出電壓(mV)0.000.150.310.450.610.800.991.171.361.551.75卸載輸出電壓(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第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二表格二項目L0(cm)h(mm)b(mm)

數(shù)值38.000.1825.02第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二數(shù)據(jù)處理（1）測定壓力傳感器特性曲線（應(yīng)力與電壓線性關(guān)系的數(shù)據(jù)處理）

根據(jù)表格三中的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上畫出應(yīng)力與電壓分別對應(yīng)的坐標(biāo)，將這些點連接起來得到一條曲線，如果忽略掉一些點的話，就會得到一條近似的直線，這就是應(yīng)力與電壓成線性關(guān)系。如圖，

電壓應(yīng)力第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

（2）輸出電壓與加載力之間的關(guān)系圖第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二Ⅱ部分（關(guān)于壓力傳感器特性的創(chuàng)新及其應(yīng)用）（一）全橋電路的實驗組裝

1．實驗步驟：利用實驗室所給的儀器把半橋電橋改裝成全橋電橋。在橫梁上下表面分別粘貼兩個電阻應(yīng)變片（如圖所示）。一號電阻應(yīng)變片接在1—2號接線柱之間。二號電阻應(yīng)變片接在2—5號接線柱之間。三號電阻應(yīng)變片接在1—4號接線柱之間。四號電阻應(yīng)變片接在4—5號接線柱之間。在2—4號接線柱之間接一個電位器（電位器為了調(diào)節(jié)剛開始時電橋兩邊之間電壓的平衡，使電橋兩邊之間的電勢差控制在一個可以接受的誤差范圍以內(nèi)）然后在電位器和4號接線柱上接一個放大器。再在放大器上接一個數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。這樣就能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的信號。再把數(shù)字轉(zhuǎn)換器接在計算機(jī)上就可以適時檢測壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成物質(zhì)的質(zhì)量。最后在兩邊接上電源，就可以正常工作。第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二2.實驗所用儀器的改裝。

由于實驗室中的儀器為半橋電橋，所以需要對實驗用儀器進(jìn)行一定的改裝。在半橋電橋中只需要三個接線柱，而在全橋電橋中則需要五個接線柱。而且需要把原來的兩個變阻箱換成兩個電阻應(yīng)變片貼在儀器的橫梁上，然后進(jìn)行線路的連接。具體的連接方法（如圖所示）第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二12534全橋電路應(yīng)用圖第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二231一二三四54全橋電路實驗原理圖

說明：一、二、三、四為電阻應(yīng)變片，1、2、3、4、5為五個接線柱

第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

2．利用計算機(jī)接口，進(jìn)行自動適時檢測壓力，并轉(zhuǎn)換成物質(zhì)質(zhì)量，進(jìn)行顯示。用A/D，D/A轉(zhuǎn)換接口把實驗設(shè)備與計算機(jī)，把電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠接受的信號。編制相關(guān)程序進(jìn)行適時檢測：

第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二傳感器<變換>傳感器<變換>傳感器<變換>多路轉(zhuǎn)換器計算機(jī)〈變換〉A(chǔ)/D計算機(jī)與壓力傳感器的連接第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二計算機(jī)信號轉(zhuǎn)換的程序#include<iostream.h>Voidmain();{Doublea,b,u,m;Cout<<“pleaseinputu=”;Cin>>u;Cout<<“a=”;Cin>>a;Cout<<“b=”;Cin>>b;M=u/(9.8*b)-a/(9.8*b);Cout<<“m=”<<m;}第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二說明：m為待測物體的質(zhì)量，u為應(yīng)變的電壓，a,b為常數(shù)，a,b可以通過放入固定已知質(zhì)量的物體，求出與應(yīng)變電壓的線性關(guān)系得出，然后輸入程序中。其中a為不加物體時的初始電壓，b為線性關(guān)系圖的斜率。根據(jù)公式u=a+bF,F=9.8m.得出m=u/(9.8*b)-a/(9.8*b)。

放如一個待測物體在天平上，就會產(chǎn)生一個應(yīng)變電壓，電壓通過放大器和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。相當(dāng)于在程序中輸入了電壓u，根據(jù)程序，計算機(jī)就可以自動測量并顯示出待測物體的質(zhì)量。思考：怎樣控制天平的測量精度？當(dāng)天平測量范圍增大時，必然導(dǎo)致鋼尺橫梁加寬，加粗。這樣剛尺的靈敏度將降低，建議選取其他材料代替剛尺。盡量選用較為靈敏的電阻應(yīng)變片。第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（2）全橋電橋的應(yīng)用（自行設(shè)計的電子秤）電子顯示屏接線柱電阻片（上、下各兩片）托盤第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二這是完全按照實驗室所擁有的裝置組裝的一個簡易的電子秤。而且盡量把各種部件暴露在外面，以便顯示其原理。板上的五個接線柱與上面實驗室提供的裝置相同。右側(cè)為一個電子顯示屏，顯示其讀數(shù)。與電子計算機(jī)連接后將直接顯示所稱物體的質(zhì)量。橫梁與原來的裝置相同，只是將起寬度b加寬，厚度h加厚。長度L進(jìn)行一定的縮短。根據(jù)公式N=f/Y=6FL0/(bh*hY)，橫梁所能夠承受的重力會相應(yīng)的增加，能測試的重量也會相應(yīng)的增加。第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二原來的實驗儀器只能承受幾百克的物體，經(jīng)過以上改變就能稱重幾十千克的物體，而且通過實驗，還可以測量出它們變化的具體線形關(guān)系。根據(jù)這個線形關(guān)系，編寫一個程序輸入計算機(jī)，測量出的電壓經(jīng)過放大器和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器進(jìn)入計算機(jī)后，計算機(jī)就可以相應(yīng)的得出此被測物體的質(zhì)量。第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二（3）壓力傳感器的實際應(yīng)用實驗說明：利用壓力傳感器特性及應(yīng)用與汽車報警裝置眾所周知，現(xiàn)在汽車報警裝置大多數(shù)是通過聲音控制的，如果汽車周圍的聲音超過了一定的分貝數(shù)，則報警裝置開始報警。這種報警裝置有一定的好處，能夠在一定程度上保護(hù)汽車不被偷竊。因為一般小偷盜竊汽車時，都有可能發(fā)出比較強(qiáng)的響聲，造成報警裝置進(jìn)行報警。但是，這個裝置也有它的弱點：即在遇到其他的一些巨大聲響，并無小偷偷竊時也會產(chǎn)生報警（本人就親眼目睹過曾經(jīng)因為放鞭炮時聲音過響，導(dǎo)致了周圍一排汽車報警器大作，造成人們虛驚一場），同時這種裝置也不是那么保險。究其原因，此裝置是按照聲音大小進(jìn)行報警。如果聲音不夠大的話，此裝置就不會進(jìn)行報警。而事實證明現(xiàn)在小偷可以在不發(fā)出過大聲響的情況下成功盜得汽車。所以聲控報警裝置的缺陷可見一斑。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二我們認(rèn)為在聲控報警裝置的基礎(chǔ)上再加裝一個壓力傳感報警裝置的話，則可以更有效的杜絕偷盜事件，而且成本也較為低廉。

實驗原理：在汽車的四個門上分別裝上一個壓力傳感裝置。因為無論你采用什么方法，如果你要盜竊汽車都必須要經(jīng)過門進(jìn)入汽車（也可以將汽車拖走，不過這樣盜竊不太現(xiàn)實。另一種方法是砸壞玻璃，不過這樣的話，聲控報警裝置將自動生效）。我們可以把壓力傳感器的電源控制開關(guān)和汽車鑰匙發(fā)出的信號相連通，汽車鑰匙可以控制這套裝置的開啟。如果使用鑰匙開門的話，電源控制開關(guān)接到鑰匙發(fā)出的電子信號后將自動關(guān)閉。所以開門將不會進(jìn)行報警。反之，如果你不使用鑰匙，而使用非法手段進(jìn)行開門的話。將會觸動壓力傳感裝置，電橋之間將會產(chǎn)生電流，而電橋之間接上了你個報警裝置，產(chǎn)生電流后將會自動報警。第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二實驗原理圖電阻應(yīng)變片報警器受鑰匙電子信號控制

第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期二

實驗總結(jié)

轉(zhuǎn)眼間，四周的實驗選修課已告結(jié)束。本組成員在做完前兩周的常規(guī)實驗后。毅然選擇了自主創(chuàng)新實驗——壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計。自主創(chuàng)新實驗對于經(jīng)濟(jì)學(xué)的學(xué)生來說，無疑是一個極大的挑戰(zhàn)。我們常為摸索一個公式的來龍去脈而絞盡腦汁，也常為尋求一個創(chuàng)新設(shè)計的理論來源而大費周折，更為實驗過程中的結(jié)論偏差而苦苦思索，正所謂