實驗十六壓力傳感器特性研究及其應(yīng)用

實驗十六壓力傳感器特性研究及其應(yīng)用在物理實驗、科學(xué)研究和生產(chǎn)過程中，需要測量各種物理量，其中不少是非電量。由于電學(xué)量在測量、傳送、記錄等方面有很多的優(yōu)點，所以現(xiàn)代測量技術(shù)中對非電量測量亦廣泛使用電測法。將非電量信號轉(zhuǎn)換成電量信號的裝置叫做傳感器。傳感器是現(xiàn)代檢測和控制系統(tǒng)的重要組成部分。傳感器的作用就是把被測量的非電量信號（如力、熱、聲、磁和光等物理量）轉(zhuǎn)換成與之成比例的電量信號（如電壓和電流），然后再經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏y量電路處理后，送至指示器指示或記錄。這種非電量至電量的轉(zhuǎn)換是應(yīng)用不同物體的某些電學(xué)性質(zhì)與被測量之間的特定關(guān)系來實現(xiàn)的，例如利用電阻效應(yīng)、熱電效應(yīng)、磁電效應(yīng)、光電效應(yīng)和壓電效應(yīng)等關(guān)系。應(yīng)用不同物體的獨特的物理變化，設(shè)計和制造出適用于各種不同用途的傳感器。壓力傳感器是最基本的傳感器之一。【實驗?zāi)康摹?．了解非電量電測的一般原理和測量方法。2．掌握壓力傳感器的構(gòu)造、原理、測量方法和特性。3．了解非平衡電橋的原理，用逐差法處理數(shù)據(jù)的方法?！緦嶒炘怼糠请娏侩姕y系統(tǒng)一般由傳感器、測量電路和顯示記錄三部分組成，它們的關(guān)系如圖16-1所示。現(xiàn)在以應(yīng)變電阻片做成的壓力傳感器為例進(jìn)一步討論如何實現(xiàn)將“力”的測量轉(zhuǎn)變?yōu)椤半妷骸睖y量的電測系統(tǒng)。圖16-1非電量電測系統(tǒng)圖16-2應(yīng)變電阻片1．壓力傳感器應(yīng)變電阻片是用一根很細(xì)的康銅電阻絲按圖-2所示的形狀彎曲后用膠粘貼在襯底（用紙或有機(jī)聚合物薄膜制成）上，電阻絲兩端有引出線用于外接。康銅絲的直徑在0.012～0.050mm之間。電阻絲受外力作用拉長時電阻要增加，壓縮時電阻要減小，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”，這種電阻片取名為“應(yīng)變電阻片”(16-1)壓力傳感器是將四片電阻片分別粘貼在彈性平行梁A的上下表面適當(dāng)?shù)奈恢?，見圖16-3。R1、R2、R3、R4是四片電阻片，梁的一端固定，另一端自由，用于加載荷外力F。彈性梁受載荷作用而彎曲，梁的上表面受拉，電阻片R1、R2亦受拉伸作用電阻增大，梁的下表面受壓，R3、R4電阻減小。這樣，外力F的作用通過梁的形變而使四個電阻片電阻值發(fā)生變化，這就是壓力傳感器。圖16-3壓力傳感器圖16-4直流電橋2．測量電路由于電阻的變化是很微小的，因此要求測量電路能精確地測量出這些電阻微小的變化。通常采用我們熟悉的電橋電路并用不平衡電橋進(jìn)行測量。傳感器上的電阻R1、R2、R3、R4接成圖16-4所示的直流橋路，cd兩端接穩(wěn)壓電源E，ab兩端為電橋電壓輸出端，輸出電壓為U0，從圖16-4可以有(16-2)當(dāng)電橋平衡時，即U0=0，有R1·R3=R2·R4(16-3)(16-3)式就是我們熟悉的電橋平衡條件。在傳感器上貼的電阻片是相同的四片電阻片，其電阻值相同，即有R1=R2=R3=R4=R(16-4)所以傳感器不受外力作用時，電橋滿足平衡條件，a、b兩端輸出的電壓U0=0。當(dāng)梁受到載荷F的作用，如前面討論可知電阻值發(fā)生了變化，即兩個應(yīng)變片受拉，兩個受壓，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對臂上，如圖16-5所示。電橋不平衡，則有(16-5)假設(shè)ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR(16-6)將(16-4)、(16-6)式代入(16-5)式后得(16-7)從(16-7)式可知電橋輸出的不平衡電壓U0是和電阻的變化ΔR成正比的，這就是不平衡電橋的工作原理。顯然測量出U0的大小即可反映外力F的大小。此外由(16-7)式還可知，若要獲得較大的輸出電壓U0，只要采用較高的電源電壓E即可，同時亦說明電源電壓不穩(wěn)定將給測量結(jié)果帶來誤差，因此電源電壓一定要穩(wěn)定。3．顯示記錄電壓U0的測量的顯示用數(shù)字電壓表?！緦嶒瀮x器】PF-1型傳感器特性儀，PF-2型傳感器特性數(shù)顯儀，PF-3型傳感器特性平衡器。【實驗內(nèi)容】1．傳感器的靈敏度S的測量。圖16-6為實驗接線圖，圖中：R0—PF-3型傳感器特性平衡器；R1、R2、R3、R4—PF-1型傳感器特性儀；USC、USL—分別為PF-2傳感器特性數(shù)顯儀的工作電壓和輸出電壓。R0的作用：當(dāng)傳感器不受外力作用時，電橋應(yīng)處于初始平衡狀態(tài)。但實際上電橋各臂電阻R1、R2、R3、R4不可能完全相同，另外還有接觸電阻和導(dǎo)線電阻等因素使得電橋總是稍微的不平衡，為此接入R0，微調(diào)此電阻使橋滿足初始平衡狀態(tài)。首先測量載荷力F與電橋輸出電壓U0=USL的關(guān)系。保持電源工作在一定的電壓USC=E下。按順序增加砝碼的數(shù)量（如每次增加500g，共10次），同時，記錄每次加載時的輸出電壓值U0i。再按相反次序?qū)㈨来a逐次取下，記錄輸出電壓U0i。用逐差法求出傳感器的靈敏度S。S=ΔU0/ΔF(mV/N)其中：ΔU0為用逐差法而得的值。ΔF=Fi+5-Fi=2.500×9.8N2．用壓力傳感器測量任一物體的重力W。將一未知重力的物體W放置在PF-1型傳感器特性儀的加載平臺上，測出輸出電壓，同一物體測量若干次，求出平均值。計算出物體的重力W=×3．測量傳感器電源電壓E(工作電壓USL)與電橋輸出電壓U0的關(guān)系。保持加載一定砝碼質(zhì)量（如m=1.000g）。改變電源工作電壓E值，分別記錄輸出電壓U0i值。作E—U【實驗步驟】1．按圖16-6所示電路將儀器連接好。圖16-5非平衡電橋圖16-6測試線路2．測量傳感器的靈敏度S。保持電源工作電壓USC=E=10.0伏，調(diào)PF-3型傳感器特性平衡器的電位器，使PF-2型傳感器數(shù)顯儀輸出電壓顯示0.00mV。按順序增加砝碼的數(shù)量（每次增加500g，共10次），同時，記錄每次加載時的輸出電壓值U0i。再按相反次序?qū)㈨来a逐次取下，記錄輸出電壓U0i。3．測量任一物體的重力W。保持電源工作電壓USC=E=10.0伏，將一未知重力的物體W放置在PF-1型傳感器特性儀的加載平臺上，測出輸出電壓，同一物體測量三次。4．測量傳感器電源電壓E(工作電壓USL)與電橋輸出電壓U0的關(guān)系。保持加載砝碼質(zhì)量m=1.000g。改變電源工作電壓E值：從1.0V到10.0V(每次改變1.0V)，分別記錄輸出電壓U0注意：實驗時不能超載，加減砝碼要輕拿輕放，以免損壞傳感器。調(diào)節(jié)平衡器的電位器時動作要慢些?！緮?shù)據(jù)處理】1．測量傳感器靈敏度S的數(shù)據(jù)列入表格（見表16-1）。2．測量物體重力、電源輸出工作電壓E和電橋輸出電壓U0關(guān)系的數(shù)據(jù)表格由同學(xué)自己列出。3．由實驗步驟二中的測量數(shù)據(jù)U0i，用逐差法求得值，從而求出傳感器的靈敏度S。S=ΔU0/ΔF(mV/N)其中ΔF=Fi+5-Fi=2.500×9.8N4．由實驗步驟三中的測量數(shù)據(jù)算出平均值，并由W=×，計算出該物體的重力。5．由實驗步驟四中的測量數(shù)據(jù)，以E為橫坐標(biāo)U0為縱坐標(biāo)畫E—U0曲線圖，分析