压力传感器的特性及非平衡电桥信号转换技术【实验目的】（1）了解应变压力传感器的组成、结构及工作参数2）了解非电量的转换及测量方法电桥法3）掌握非平衡电桥的测量技术4）掌握应变压力传感器灵敏度及物体重量的测量5）了解多个应变压力传感器的线性组成、调整与定标实验原理】压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器弹性体在压力（重量）作用下产生形变（应变），导致（按电桥方式连接）粘贴于弹性体中的应变片产生电阻变化压力传感器的主要指标是它的最大载重（压力）、灵敏度、输出输入电阻值、工作电压（激励电压）（VlN）范围、输岀电压（VOUT）范围压力传感器是由特殊工艺材料制成的弹性体以及电阻应变片、温度补偿电路组成，并采用非平衡电桥方式连接，最后密圭寸在弹性体中1. 弹性体一般由合金材料冶炼制成，加工成S形、长条形、圆柱形等为了产生一定弹性，挖空或部分挖空其内部2. 电阻应变片金属导体的电阻R与其电阻率「长度L、截面A的大小有关R（4.3.1）A导体在承受机械形变过程中，电阻率、长度、截面都要发生变化，从而导致其电阻变化432).-■RA".：L-A=TR?LA这样就把所承受的应力转变成应变，进而转换成电阻的变化。
因此电阻应变片能将弹性体上应力的变化转换为电阻的变化电阻应变片一般由基底片、敏感栅、弓I线及履盖片用黏合剂黏合而成电阻应变片的结构如图4.3.1所示1—敏感栅（金属电阻丝）；2—基底片；3—覆盖层；4—引出线（1）敏感栅敏感栅是感应弹性应变的敏感部分敏感栅由直径约0.01〜0.05mm的高电阻感栅用黏合剂固定在基底片上bx1称为应变片的使用面积［应变片工作宽度b,应变片标距（工作基长）1］，应变片的规格一般以使用面积和电阻值来表示，女口3X10mm2,350」（2）基底片基底将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此基底必须做得很薄，一般为0.03〜0.06mm，使它能与试件及敏感栅牢固地黏结在一起，另外，它还具有良好的绝缘性、抗潮性和耐热性，基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布等引岀线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，成，并与敏感栅两输出端相焊接，覆盖片起保护作用3）黏合剂将应变片用黏合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力形变，应变片的敏感栅也获得同样的形变，从而使其电阻随之发生变化，通过测量电阻值的变化可反映岀外力作用的大小一般由0.1〜0.2mm低阻镀锡钢丝制3.压力传感器图4.3.2将四片电阻片分别粘贴在弹性平行梁A的上下两表面适当的位置，如图4.3.2所示。
R1、R2、R3、R4是四片电阻片，梁的一端固定，另一端自由，用于加载荷（如外力F）弹性梁受载荷作用而弯曲，梁的上表面受拉，电阻片R1、R3亦受拉伸作用电阻增大，梁的下表面受压，R2、R4电阻减小而使四个电阻值发生变化，这就是压力传感器应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为了显示和记录应变的大小，还需把电阻的变化再转换为电压或电流的变化最常用的测量电路为电桥电路这样外力的作用通过梁的形变4. 非平衡电桥测量技术1）电桥及分类电桥是将电阻、电容、电感等电参数变化量变换成电压或电流值的一种电路电桥电路在检测技术中应用非常广泛，根据激励电源的性质不同，可把电桥分为直流电桥和交流电桥两种根据桥臂阻抗性质的不同，可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥三种根据电桥工作时是否平衡来区分，可分为平衡电桥和非平衡电桥两种平衡电桥用于测量电阻、电容和电感，而非平衡电桥在传感技术和非电量测量技术中广泛用作测量信号的转换2）单臂、双臂电桥（1）单臂输入时电桥电压输出特性图4.3.3所示是惠斯登电桥的基本电路当电桥平衡时，R1:R2=R3:R4，电路中A、B两点间电位差Uab=0,若此时使一个桥臂的电阻（如R3）增加很小的电阻值U：R,即+R0，则电桥失去平衡，电路中A、B两点间存在一定的电势差Uab。
该电势差即为电桥不平衡时输出电压若电桥供电电源的电压为U根据串联电阻分压原理，若以图4.3.3所示电路中C点为零电势参考点，则电桥的输岀电压为UAB=Ua—UbRo+也R(Ro"R+R4RRi+R2』UoR2'ARARRd(1AR/Ro-R4/Ro)(1-Ri/R2)(Ro.：RR4)(Ri-R2)SuKU1K)2Ro(435)由式（433）可知，当•:R-1:1时，非平衡电桥输出电压与R成线性关系由式（4.3.5)可知，电桥的输出电压灵敏度由选择的电桥比率K及供电电源电压决定电桥供电电压一定,当K=1时，电桥输岀电压灵敏度最大且为Uo4R2）双臂输入时电桥的电压输岀特性在惠斯登电桥电路中，若在相邻臂内接入两个变化量大小相等、符号相反的可变电阻，这种电桥电路称为半桥差动电路，如图4.3.4所示对于半桥差动电路，若电桥开始时是平衡的，则R1:R2=R3:R4在对称情况下，R1=R2=R3=R4，IR3=」R4=」R，则半桥差动电路输岀电压为(436)双臂原理图4.3.4出*-此UABUR"2RoR令电桥比率K1R2，根据电桥平衡条件，RRoR2一R4，且当.：R<
3）四臂输入时电桥的电压输岀特性1l|l—£图4.3.5(4.3.11)在惠斯登电桥电路中，若电桥的四个臂均采用可变电阻，即将两个变化量符号相反的可变电阻接入相邻桥臂内，而将两个变化量符号相同的可变电阻接入相对桥臂内，这样构成的电桥电路称为全桥差动电路为了消除电桥电路的非线性误差，通常采用不平衡电桥进行测量传感器上的电阻Ri、R2、R3、R4接成如图435所示的直流桥路，cd两端接稳压电源E，ab两端为电桥电压输岀端，输岀电压为Uo,由图4.3.5可得fRR4:UEI-4f（4.3.9）（Ri+RzR3+R4/当电桥平衡时，Uo=0，于是可得RR3=R2R4（4.3.10）式（4.3.10）就是我们熟悉的电桥平衡条件，在传感器上贴的电阻片是相同的四片电阻片,其电阻值相同即有a、b两端输岀的电压Uo=0这时电桥不平衡,Uo(=E[r十刖1+R2—也R2R^ARs+R^AR4”R4R4(4.3.12)假设丄尺=.::R2=.■:R^=■：R4=.：R(4.3.13)将式（4.3.11）、（4.3.13）代入式（4.3.12）后，得5=E-R由式（4.3.14）可知，电桥输岀的不平衡电压U与电阻的变化■R成正比，(4.3.14)如测岀Uo的大小即可反映外力F的大小。
由式（4.3.14）还可说明电源电压不稳定将给测量结果带来误差，因此电源电压一定要稳定另外，若要获得较大的输岀电压U可以采用较高的电源电压，但电源电压的提高受两方面的限制，一是应变片的允许温度，一是应变电桥电阻的温度误差实验内容】压力传感器内部的应变片的电路连接采用了非平衡电桥连接方式，这种技术在传感技术和非电量测量技术中用作测量信号的转换，所以用电阻电桥来演示这种技术实验11. 测定单臂输入时电桥的电压输岀特性（1）按实验电路接好测量电路其中R1和R2在实验板（见图4.3.6）上为固定电阻，Rx1和Rx2用电阻箱调节，供电电源电压E0=600V（见图4.3.7）2）R1=R2=1MJ，l卩K=1;再调节Rx1=Rx2=47ki「，即使Uab=0但由于电阻箱存在一定误差，以及接触电阻等因素的影响，此时电桥未必能平衡，即Uab工0,为此需要微调电压表，使Uab=0所以，当传感器不受外力作用时，电桥满足平衡条件，当梁受到载荷F的作用时，R1和Rs增大，R2和R4减小，如图4.3.5所示,并有实验板实验电路图4.3.6图4.3.7(3) 使Rxi每次增大200」用电压表测岀电桥相应的输岀电压Uab,直到Rxi增大1.20002。
记录在表4.3.1中2. 测定双臂输入时电桥的电压输岀特性(1) 调节Rxi=Rx2=10k；］,使电桥平衡2) 使Rx1每次增大200,而Rx2相应每次减少200门测岀电桥的相应输岀电压Uab直到Rx1、Rx2的最大改变量为1.2000kJ记录在表4.3.2中实验21. 仪器连接仪器的连接如图4.3.8所示，电源电压接压力传感特性测试仪的电源输岀端，为传感器提供工作电源，传感器输岀端接压力传感器特性测试仪的信号输入端，从而对不平衡电桥(即压力传感器)的输出电压进行放大、测量和显示IIC-1PF力传感軒惟测试仅电瀬电压(V)电压输出仪器连接图4.3.82. 仪器调节先将仪器电源打开，预热15min以上，调节电源电压为10.0V再旋转调零旋钮，使压力电压显示值为0.000V3. 测量(1) 按顺序增加砝码的数量(每次增加1kg，共9次)，记录每次加载时的输岀电压值U2) 再按相反次序将砝码逐一取下，记录输出电压值U用逐差法求岀传感器的灵敏度SoS=_U^(v/kg)(4315)4. 用压力传感器测量任意物体的重量(1) 将一个未知重量的物体放置于加载平台上，测岀电压Uo,同一物体测量三次求岀平均值Uo。
物体的重量1w=U0(4.3.16)S(2) 共测三个未知重量的物体，样品由实验室提供或学生自己提供被测物体5. 测量传感器电源电压E与电桥输岀电压U的关系(保持加载砝码的质量为1kg)改变HC-IPF压力传感特性测试仪的电源电压，使其由2.0V变至10.0V，每隔1.0V记录一个输出电压值U01) 作E-U0关系曲线，分析是否为线性关系6. 测岀本实验系统的最小分辨重量(1) 用实验室提供的砝码1〜9g，由1g加载，每加1g记录传感器输岀电压值U2) 分析测量结果，给岀实验系统所能测岀的最小重量以及能分辨的最小重量注意事项在实验前应预热15min以上，实验中所加重量不能超过10kg，加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏应变片思考题】1、传感器的灵敏度与电源电压有何关系？电源电压可无限加大吗，为什么？2、本实验所用系统能当电子称使用吗？3、分析给岀本系统的最小分辨重量4、分析此种压力传感器是否是线性传感元件5、此种压力传感器的主要参数及其含义是什么。