電子課件壓力傳感器及非平衡電橋

1、5.3 壓力傳感器及非平衡電橋信號(hào)轉(zhuǎn)換技術(shù)【預(yù)習(xí)重點(diǎn)】：1 什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？2 本實(shí)驗(yàn)所用壓力傳感器的構(gòu)造原理3 了解實(shí)驗(yàn)中所用儀器及測(cè)量量【教學(xué)要求】：1 了解應(yīng)變壓力傳感器的組成、結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)2 了解非電量的轉(zhuǎn)換及測(cè)量方法電橋法3 掌握測(cè)量壓力傳感器的靈敏度及物體的重量4 掌握測(cè)量傳感器電源電壓與電橋關(guān)系【教學(xué)重點(diǎn)】：四臂輸入時(shí)電橋的電壓輸出特性【教學(xué)難點(diǎn)】：電阻應(yīng)變效應(yīng)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)惠斯登全橋差動(dòng)電路原理【課程講授】：一、實(shí)驗(yàn)原理1 什么是電阻應(yīng)變效應(yīng)？電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱

2、為“應(yīng)變效應(yīng)”。（1856年W. Thomson 發(fā)現(xiàn)）一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為式中：電阻絲的電阻率；l電阻絲的長(zhǎng)度；A電阻絲的截面積。當(dāng)收到沿軸向的力作用下，其長(zhǎng)度、電阻率、界面都要發(fā)生變化，有如下關(guān)系式：金屬導(dǎo)體的電阻值隨著它受力所產(chǎn)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象稱之為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。利用這種應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電阻的變化。電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 1）敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式和箔式兩種形式。絲式金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵由直徑0.010.0

3、5mm的電阻絲平行排列而成。2）覆蓋層與基片將敏感柵緊密地粘貼在中間，對(duì)敏感柵起幾何形狀固定和絕緣、保護(hù)作用，基片要將被測(cè)體的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上，因此它很薄，一般為0.030.06mm,使它與被測(cè)體及敏感柵能牢固地粘合在一起，此外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；透采w層的材料有膠膜、紙、玻璃纖維布等。2 壓力傳感器結(jié)構(gòu)壓力傳感器是把一種非電量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳感器。把力的作用，轉(zhuǎn)換成電阻的變換，利用電橋電路使這種電阻的變換再次變?yōu)殡妷夯蛘唠娏鞯淖兓?。其中A代表彈性體，由金屬材料冶煉而成，。中間挖空是為了產(chǎn)生彈性。其中四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4是四片電阻片，梁的一端固定，

4、另一端自由，用于加載負(fù)荷（如外力F）。當(dāng)彈性梁受力彎曲的時(shí)候，上表面受拉，電阻片R1、R3也受拉而導(dǎo)致電阻變大，梁下表面受壓，R2、R4電阻減小。這樣外力的作用通過(guò)梁的形變使得四個(gè)電阻值發(fā)生變化，這就是壓力傳感器。把電阻變換轉(zhuǎn)換為電壓的變換要借助電橋。3 全橋差動(dòng)電路電橋：是將電阻、電容和電感等電參數(shù)變換量變換成電壓或者電流值的一種電路。我們所用的是直流非平衡電阻電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)將上面非電量（力學(xué)量）裝換成電阻變換，最后轉(zhuǎn)換成電壓或者電流的變化。直流電橋電路壓力傳感器沒(méi)有外力作用時(shí)，電橋電路如上圖，AB兩端的電壓當(dāng)U0=0時(shí)，稱電橋處于平衡狀態(tài)。此時(shí)有：由于在我們實(shí)驗(yàn)中所采用壓力傳感器貼的是四片相同

5、的電阻，其阻值相同。所以有所以滿足電橋平衡條件。當(dāng)傳感器受到外力作用的時(shí)候，電路變?yōu)槿缦聢D所示：此時(shí)電橋不平衡，并有當(dāng)滿足如下條件：可以得到由上面表達(dá)式可以看出：1） 電橋不平衡輸出的電壓U0與電阻的變化R成正比，也即是嚴(yán)格的線性關(guān)系。所以如果測(cè)出U0就可以知道外力的大小。2） 如果按照靈敏度定義,可以知道全橋差動(dòng)電路的靈敏度為：可見當(dāng)橋臂電阻一定時(shí)，適當(dāng)增加直流電源電壓可以提高電橋的輸出靈敏度，但是過(guò)高的電源電壓受到兩方面限制：一是應(yīng)變片的溫度，二是應(yīng)變電橋電阻的溫度誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器（略）三、實(shí)驗(yàn)步驟（略）四、數(shù)據(jù)記錄所有數(shù)據(jù)表格由學(xué)生自己設(shè)計(jì) 五、數(shù)據(jù)處理（按照實(shí)驗(yàn)2內(nèi)容來(lái)） 六、注意事項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)前預(yù)熱十五分鐘，實(shí)驗(yàn)中所加重量不超過(guò)10kg，本實(shí)驗(yàn)只要求大家加到5kg就好。加減砝碼時(shí)要輕拿輕放，以免損壞應(yīng)變片