压力传感器特性研究及其应用设计

1压力传感器特性研究及其应用设计1电阻应变传感器的工作原理2非平衡电桥的测量原理3测试电阻应变片特性曲线21电阻应变传感器的工作原理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，这种现象称为“应变效应”。（1856年W.Thomson发现）如图1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为AlR（式1）3式中：ρ——电阻丝的电阻率；l——电阻丝的长度；A——电阻丝的截面积。图1金属电阻丝应变效应FlrrlF4应变片的种类、材料及粘贴金属电阻应变片的种类图2金属电阻应变片的结构引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb5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，如图3所示。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003~0.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。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0.03～0.06mm,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。6图3常用应变片的形式7金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。8表1常用金属电阻丝材料的性能9康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。102非平衡电桥的测量原理直流电桥1.直流电桥平衡条件电桥电路如图4所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。当RL→∞时，电桥输出电压为433211RRRRRREUo（式2）11当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或4321RRRR（式3）（式3）为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。12图4直流电桥R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－133测试电阻应变片特性曲线R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2][4332211110RRRRRRRRRUU图5采用半桥差动电桥（式4）14R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔRRRUU20＝严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用（式5）15梁式力传感器l0lFh结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷EbhlF26图6等截面悬臂梁（式6）16实验步骤（1）检查实验仪器，按照非平衡电桥原理，连接半桥电路；（2）打开电源，调节电压至6。0伏（具体实验具体要求），并将电流调至最大；（3）调节变阻箱的阻值，使得电位差计的示数小于0。2（本实验使用的电位差计基本单位200毫伏）；（4）加载力，记录数据，填入表格，进行数据处理；（5）比较半桥与全桥电路的优劣；