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1、5.3 压力传感器及非平衡电桥信号转换技术【预习重点】：1 什么是电阻应变效应？2 本实验所用压力传感器的构造原理3 了解实验中所用仪器及测量量【教学要求】：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 掌握测量压力传感器的灵敏度及物体的重量4 掌握测量传感器电源电压与电桥关系【教学重点】：四臂输入时电桥的电压输出特性【教学难点】：电阻应变效应压力传感器的结构惠斯登全桥差动电路原理【课程讲授】：一、实验原理1 什么是电阻应变效应？电阻应变片电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称
2、为“应变效应”。（1856年W. Thomson 发现） 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为 式中： 电阻丝的电阻率； l电阻丝的长度； A电阻丝的截面积。 当收到沿轴向的力作用下，其长度、电阻率、界面都要发生变化，有如下关系式：金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。利用这种应力转变为应变，进而转换为电阻的变化。电阻应变片结构金属电阻应变片的结构 1）敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0
3、.010.05mm的电阻丝平行排列而成。2）覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.030.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。 2 压力传感器结构压力传感器是把一种非电量转换成电信号的传感器。把力的作用，转换成电阻的变换，利用电桥电路使这种电阻的变换再次变为电压或者电流的变化。其中A代表弹性体，由金属材料冶炼而成，。中间挖空是为了产生弹性。其中四个电阻R1、R2、R3、R4是四片电阻片，
4、梁的一端固定，另一端自由，用于加载负荷（如外力F）。当弹性梁受力弯曲的时候，上表面受拉，电阻片R1、R3也受拉而导致电阻变大，梁下表面受压，R2、R4电阻减小。这样外力的作用通过梁的形变使得四个电阻值发生变化，这就是压力传感器。把电阻变换转换为电压的变换要借助电桥。3 全桥差动电路 电桥：是将电阻、电容和电感等电参数变换量变换成电压或者电流值的一种电路。我们所用的是直流非平衡电阻电桥来实现将上面非电量（力学量）装换成电阻变换，最后转换成电压或者电流的变化。直流电桥电路压力传感器没有外力作用时，电桥电路如上图，AB两端的电压当U0=0时，称电桥处于平衡状态。此时有：由于在我们实验中所采用压力传感
5、器贴的是四片相同的电阻，其阻值相同。所以有所以满足电桥平衡条件。当传感器受到外力作用的时候，电路变为如下图所示：此时电桥不平衡，并有当满足如下条件：可以得到由上面表达式可以看出：1） 电桥不平衡输出的电压U0与电阻的变化R成正比，也即是严格的线性关系。所以如果测出U0就可以知道外力的大小。2） 如果按照灵敏度定义,可以知道全桥差动电路的灵敏度为：可见当桥臂电阻一定时，适当增加直流电源电压可以提高电桥的输出灵敏度，但是过高的电源电压受到两方面限制：一是应变片的温度，二是应变电桥电阻的温度误差。二、实验仪器（略）1、压力传感器测试仪2、压力传感器3、砝码4、待测物体5、导线三、实验步骤（略）四、数据记录 所有数据表格由学生自己设计 五、数据处理 六、注意事项 在实验前预热十五分钟，实验中所加重量不超过10kg，本实验只要求大家加到5kg就好。加减砝码时要轻拿轻放，以免损坏应变片。 七、思考题 1 传感器不受外力时，理论上电桥处于平衡状态，但实测时电桥总是不平衡，为什么？ 2 传感器的灵敏度与电源电压有何关系？电源电压能无限制加大吗？为什么？
