压力传感器特性实验

压力传感器特性实验

压力传感器是利用应变电阻效应，将力学量转换成易于测量的电压量的器件。压力传感器是最基本的传感器之一，主要用在各种电子秤、应力分析仪等仪器上。传感器的种类很多，应用极为广泛。根据要求精度和使用方式不同，可选用不同型号的压力传感器。

一. 实验目的

1.     了解压力传感器的工作原理；

2.     研究压力传感器的静态特性；

3.     了解电位差计的工作原理，熟悉其使用方法。

二. 实验仪器

压力传感器、电位差计、稳压电源、电压表、砝码等。

三. 实验原理

图3-3-1 等截面梁结构示意图
 
本实验所用的传感器，是由四片电阻应变片组成，分别粘贴在弹性体的平行梁上、下两表面上。四个应变片组成电桥，采用非平衡电桥原理，把压力转化成不平衡电压进行测量。下面我们从三个方面对压力传感器进行讨论。

1. 应变与压力的关系

　　电阻应变片是将机械应变转换为电阻阻值的变化。将电阻应变片粘贴在悬臂梁式弹性体上。常见的悬臂梁形式有等截面梁、等强度悬臂梁、带副梁的悬臂梁以及双孔，单孔悬臂梁。

图3-3-1是等截面梁结构示意图，弹性体是一端固定，截面积S处处相等的等截面悬臂梁（S＝bh，宽度为b，厚度为h），在距载荷F着力点L0的上下表面，顺L方向粘贴有受拉应变片R1、R3和受压的R2、R4应变片，粘贴应变片处的应变为

等截面梁结构示意图

式中f是应变片处的应力，Y是弹性体的弹性模量。从式(3-3-1)可看出，除压力F外，其余各量均为常量。所以，应变ε0与压力F成正比。

2. 电阻的变化与电压的关系

由于弹性体的应变发生了变化，粘贴在其上的电阻应变片的电阻值也随之发生变化，受拉的电阻应变片电阻值增加，而受压的电阻应变片电阻值减少，把四个电阻应变片组成一个电桥，这便成为差动电桥，如图3-3-2所示。此时电桥的输出电压U为：

图 3-3-2 　应变片差动电桥电路
 
由上式可知，电压U与电阻值的变化成正比。由此可看出差动电桥既没有非线性误差，又具有较高的灵敏度，同时还具有适应温度变化的补偿能力等优点。实验中，电桥的不平衡电压U可由电位差计测出。

3. 压力传感器的静态特性

压力传感器的基本特性分为静态特性和动态特性两种。所谓静态特性是指输入不随时间而变化的特性，即在静载荷（力值）作用下，用实验的方法求得输入的力与传感器输出电压（示值）之间的关系（线性关系），即U=a+bF。由输入和输出的关系，就可研究其静态特性。

（1）灵敏度S

传感器在静态工作条件下，其单位压力所产生的输出电压，称为静态灵敏度。在通常意义上，如指一台传感器灵敏度高，也指其分辨率高。用公式表示如下：

图3-3-3所示为上述两种情况下灵敏度的图解表示，其中左图为非线性灵敏度，右图为线性灵敏度图解。

(2)线性度(非线性误差)Ｌ

大多数传感器的输入和输出具有比例关系，这种输入输出具有线性比例关系的传感器称线性传感器。衡量线性传感器线性特性好坏的指标为非线性误差，或称线性度。随着参考直线的性质和引法不同，线性度有多种，下面仅介绍端点线性度。

图3-3-4  端点线性度特性曲线                 图3-3-5  迟滞特性曲线

如图3-3-4所示，将传感器的实际零点和满量程端点连线作为理论直线，传感器实际平均输出（正反行程平均）特性曲线对理论直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示为：

（3）迟滞（迟滞误差）H

传感器在正（输入量增加）、反（输入量减少）行程中，输入输出曲线不重合的程度称为迟滞。也就是说，对应于同一输入量，它的输出量值有差别。迟滞可用传感器最大正反差值与满量程输出的百分比来表示

图3-3-5所示为传感器的某种迟滞特性。

   （4）重复性R

多次重复测量时，在同是正行程（或同是反行程）中对应同一输入量，传感器的输出值也不相同，这种差值称为重复差值。全量程中的最大重复差值与满量程输出值之比称为重复性。如图3-3-6所示，表达式如下

图3-3-5所示为传感器的某种迟滞特性。

   （4）重复性R

多次重复测量时，在同是正行程（或同是反行程）中对应同一输入量，传感器的输出值也不相同，这种差值称为重复差值。全量程中的最大重复差值与满量程输出值之比称为重复性。如图3-3-6所示，表达式如下

（5）动态特性（响应）

动态特性是指输入随时间而变化的特性。此时，要求传感器能够随时精确地跟踪输入量，输出能够按照输入的变化规律而变化，这个过程又称为响应。响应是描述动态特性的重要参数。这里不研究此特性。

    四. 实验内容

图3-3-7  实验电路图
 

1. 按图3-3-7连接电路，图中PF1为压力传感器，UJ37为电位差计。

    2. 测量加载力F与输出电压U的关系：保持工作电压Us为10.0V。

   （1）加载砝码，每次1Kg，分8次加到8Kg，记录每次加载时的输出电压值。

   （2）加到额定值后，开始卸载，分8次卸完，记录每次卸载时的输出电压值。

   （3）重复上述两步骤，进行三次测量，将输出电压记录在表格3-3-1中。

表3-3-1 输出电压随加载力变化数据表（工作电压不变）
 

加载力（KG）	0	1	2	3	4	5	6	7	8
加载输出U（mv）
卸载输出U（mv）
加载输出U（mv）
卸载输出U（mv）
加载输出U（mv）
卸载输出U（mv）
加载平均U（mv）
卸载平均U（mv）

3. 测量传感器工作电压Us与输出电压U的关系：保持加载的砝码为5KG（选作）。

   （1）调节工作电压US从1.0V到10.0V，分别记录10次的输出电压值（每次1V）。同样，降低电压时，分别再记录10次的输出电压值（每次1V）。

   （2）重复上述步骤，进行三次测量，将输出电压记录在表格3-3-2中：

表3-3-2 输出电压与工作电压变化数据表（压力不变）

 

工作电压（V）	2	3	4	5	6	7	8	9
加压输出U（mv）
减压输出U（mv）
加压输出U（mv）
减压输出U（mv）
加压输出U（mv）
减压输出U（mv）
加压平均U（mv）
减压平均U（mv）

五. 数据处理

1.Us一定时，作U～F关系曲线（分别将加载三次平均，减载三次平均，做两个曲线）。

2.F一定时，作U～Us关系曲线。（分别将加载三次平均，减载三次平均，做两个曲线）。

3.用U～F 曲线，测给定物体的质量。