壓力傳感器特性及其應用設計.ppt

壓力傳感器特性及其應用設計,壓力傳感器特性及應用設計,Ⅰ部分（關于壓力傳感器特性的實驗報告）壓力傳感器是利用應變電阻效應，將力學量轉(zhuǎn)換成易于測量的電壓量的器件,是最基本的傳感器之一，它種類很多，應用也及廣。研究壓力傳感器的特性，具有非常實際的意義。,實驗目的（1）了解和研究壓力傳感器的靜態(tài)、動態(tài)特性及其應用。（2）理解半橋及全橋電路原理。（3）設計電子稱原理圖。（4）設計壓力報警控制裝置。,實驗儀器壓力傳感器電位差計穩(wěn)壓電源變阻箱砝碼等,實驗原理實驗中使用的壓力傳感器是由兩片電阻應變片組成，分別粘貼在平衡梁兩、上下兩表面上，兩個電阻應變片以及外加的兩個變阻器組成差動半橋，采用非平衡電橋原理，把壓力轉(zhuǎn)化為不平衡電壓進行測量。下面具體討論一下壓力傳感器的幾種特性。(1)非電量電測系統(tǒng)框圖,,（2）應變與壓力的關系,等截面梁結構示意圖,電阻應變片是將機械應變轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化。將電阻應變片粘貼在懸臂梁式彈性體上（如圖），等截面懸臂梁一端固定，截面積S處處相等（S=bh，寬度為b，厚度為h）。在距載荷F著力點L0的上下表面，順L0方向粘貼有受拉應變片R1和受壓的R2。粘貼應變片處的應變?yōu)镹=f/Y=6FL0/(bh*hY)式中：f是應變片處的應力；Y是彈性體的彈性模量。從式中可以看出，除壓力F外，其余各量均為常量，所以應變N與壓力F成正比。,（2）電阻的變化也電壓的關系參見前面實驗可知，輸出電壓U與電阻值的變化成正比。由此可見，差動電橋既沒有非線性誤差，又具有較高的靈敏度，同時還具有適應溫度變化的補償能力等優(yōu)點。實驗中，輸出電壓U可由電位差計測出。此時電橋的輸出電壓U為：若R1=R2=R3=R4和ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，則有,（3）壓力傳感器的靜態(tài)特性壓力傳感器的靜態(tài)特性是指輸入不隨時間而變化的特性，即在靜載荷作用下，用實驗的方法求得輸入的力與傳感器輸出電壓之間的關系（線性關系），即U=a+bF。由輸入和輸出的關系，即可研究靜態(tài)特性。1.靈敏度S傳感器在靜態(tài)工作條件下單位壓力所產(chǎn)生的輸出電壓，稱為靜態(tài)靈敏度。靈敏度越高，其分辨率也高。如下公式表示：這實際上就是傳感器輸入輸出特性曲線上某點的斜率。非線性傳感器各處的靈敏度是不相同的，對于線性傳感器靈敏度則為：,2.線性度（非線性誤差）L將傳感器的實際零點和滿量程斷電連線作為理論直線，傳感器實際平均輸出特性曲線對理論直線的偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比表示。,3.遲滯（遲滯誤差）H傳感器在正、反行程中，輸入輸出曲線不重復的程度稱為遲滯。,4.重復度R在多次重復測量正、反行程中，傳感器對同一輸入量有不同的輸出值，這種差值稱為重復差值。5.壓力傳感器的動態(tài)特性（響應）動態(tài)特性是指輸入隨時間而變化的特性，傳感器能隨時間精確的跟蹤輸入量，輸出能夠按照輸入的變化規(guī)律而變化，這個過程稱為響應，響應是描述動態(tài)特性的重要參數(shù)。,,實驗步驟（1）檢查實驗儀器，按照非平衡電橋原理，連接半橋電路；（2）打開電源，調(diào)節(jié)電壓至6。0伏（具體實驗具體要求），并將電流調(diào)至最大；（3）調(diào)節(jié)變阻箱的阻值，使得電位差計的示數(shù)小于0。2（本實驗使用的電位差計基本單位200毫伏）；（4）加載力，記錄數(shù)據(jù)，填入表格，進行數(shù)據(jù)處理；（5）比較半橋與全橋電路的優(yōu)劣；,,實驗數(shù)據(jù)表格一,表格二,數(shù)據(jù)處理,（1）測定壓力傳感器特性曲線（應力與電壓線性關系的數(shù)據(jù)處理）根據(jù)表格三中的數(shù)據(jù)，在坐標紙上畫出應力與電壓分別對應的坐標，將這些點連接起來得到一條曲線，如果忽略掉一些點的話，就會得到一條近似的直線，這就是應力與電壓成線性關系。如圖，,,（2）輸出電壓與加載力之間的關系圖,,Ⅱ部分（關于壓力傳感器特性的創(chuàng)新及其應用）,（一）全橋電路的實驗組裝1．實驗步驟：利用實驗室所給的儀器把半橋電橋改裝成全橋電橋。在橫梁上下表面分別粘貼兩個電阻應變片（如圖所示）。一號電阻應變片接在1—2號接線柱之間。二號電阻應變片接在2—5號接線柱之間。三號電阻應變片接在1—4號接線柱之間。四號電阻應變片接在4—5號接線柱之間。在2—4號接線柱之間接一個電位器（電位器為了調(diào)節(jié)剛開始時電橋兩邊之間電壓的平衡，使電橋兩邊之間的電勢差控制在一個可以接受的誤差范圍以內(nèi)）然后在電位器和4號接線柱上接一個放大器。再在放大器上接一個數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器。這樣就能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的信號。再把數(shù)字轉(zhuǎn)換器接在計算機上就可以適時檢測壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換成物質(zhì)的質(zhì)量。最后在兩邊接上電源，就可以正常工作。,2.實驗所用儀器的改裝。由于實驗室中的儀器為半橋電橋，所以需要對實驗用儀器進行一定的改裝。在半橋電橋中只需要三個接線柱，而在全橋電橋中則需要五個接線柱。而且需要把原來的兩個變阻箱換成兩個電阻應變片貼在儀器的橫梁上，然后進行線路的連接。具體的連接方法（如圖所示）,全橋電路應用圖,全橋電路實驗原理圖說明：一、二、三、四為電阻應變片，1、2、3、4、5為五個接線柱,2．利用計算機接口，進行自動適時檢測壓力，并轉(zhuǎn)換成物質(zhì)質(zhì)量，進行顯示。用A/D，D/A轉(zhuǎn)換接口把實驗設備與計算機，把電壓信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠接受的信號。編制相關程序進行適時檢測：,計算機與壓力傳感器的連接,,計算機信號轉(zhuǎn)換的程序,#includeVoidmain();{Doublea,b,u,m;Cout>u;Cout>a;Cout>b;M=u/(9.8*b)-a/(9.8*b);Cout<<“m=”<<m;},說明：m為待測物體的質(zhì)量，u為應變的電壓，a,b為常數(shù)，a,b可以通過放入固定已知質(zhì)量的物體，求出與應變電壓的線性關系得出，然后輸入程序中。其中a為不加物體時的初始電壓，b為線性關系圖的斜率。根據(jù)公式u=a+bF,F=9.8m.得出m=u/(9.8*b)-a/(9.8*b)。放如一個待測物體在天平上，就會產(chǎn)生一個應變電壓，電壓通過放大器和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號。相當于在程序中輸入了電壓u，根據(jù)程序，計算機就可以自動測量并顯示出待測物體的質(zhì)量。思考：怎樣控制天平的測量精度？當天平測量范圍增大時，必然導致鋼尺橫梁加寬，加粗。這樣剛尺的靈敏度將降低，建議選取其他材料代替剛尺。盡量選用較為靈敏的電阻應變片。,（2）全橋電橋的應用（自行設計的電子秤）,這是完全按照實驗室所擁有的裝置組裝的一個簡易的電子秤。而且盡量把各種部件暴露在外面，以便顯示其原理。板上的五個接線柱與上面實驗室提供的裝置相同。右側(cè)為一個電子顯示屏，顯示其讀數(shù)。與電子計算機連接后將直接顯示所稱物體的質(zhì)量。橫梁與原來的裝置相同，只是將起寬度b加寬，厚度h加厚。長度L進行一定的縮短。根據(jù)公式N=f/Y=6FL0/(bh*hY)，橫梁所能夠承受的重力會相應的增加，能測試的重量也會相應的增加。,原來的實驗儀器只能承受幾百克的物體，經(jīng)過以上改變就能稱重幾十千克的物體，而且通過實驗，還可以測量出它們變化的具體線形關系。根據(jù)這個線形關系，編寫一個程序輸入計算機，測量出的電壓經(jīng)過放大器和數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器進入計算機后，計算機就可以相應的得出此被測物體的質(zhì)量。,（3）壓力傳感器的實際應用實驗說明：利用壓力傳感器特性及應用與汽車報警裝置眾所周知，現(xiàn)在汽車報警裝置大多數(shù)是通過聲音控制的，如果汽車周圍的聲音超過了一定的分貝數(shù)，則報警裝置開始報警。這種報警裝置有一定的好處，能夠在一定程度上保護汽車不被偷竊。因為一般小偷盜竊汽車時，都有可能發(fā)出比較強的響聲，造成報警裝置進行報警。但是，這個裝置也有它的弱點：即在遇到其他的一些巨大聲響，并無小偷偷竊時也會產(chǎn)生報警（本人就親眼目睹過曾經(jīng)因為放鞭炮時聲音過響，導致了周圍一排汽車報警器大作，造成人們虛驚一場），同時這種裝置也不是那么保險。究其原因，此裝置是按照聲音大小進行報警。如果聲音不夠大的話，此裝置就不會進行報警。而事實證明現(xiàn)在小偷可以在不發(fā)出過大聲響的情況下成功盜得汽車。所以聲控報警裝置的缺陷可見一斑。,我們認為在聲控報警裝置的基礎上再加裝一個壓力傳感報警裝置的話，則可以更有效的杜絕偷盜事件，而且成本也較為低廉。,實驗原理：在汽車的四個門上分別裝上一個壓力傳感裝置。因為無論你采用什么方法，如果你要盜竊汽車都必須要經(jīng)過門進入汽車（也可以將汽車拖走，不過這樣盜竊不太現(xiàn)實。另一種方法是砸壞玻璃，不過這樣的話，聲控報警裝置將自動生效）。我們可以把壓力傳感器的電源控制開關和汽車鑰匙發(fā)出的信號相連通，汽車鑰匙可以控制這套裝置的開啟。如果使用鑰匙開門的話，電源控制開關接到鑰匙發(fā)出的電子信號后將自動關閉。所以開門將不會進行報警。反之，如果你不使用鑰匙，而使用非法手段進行開門的話。將會觸動壓力傳感裝置，電橋之間將會產(chǎn)生電流，而電橋之間接上了你個報警裝置，產(chǎn)生電流后將會自動報警。,實驗原理圖,電阻應變片,報警器,受鑰匙電子信號控制,實驗總結,轉(zhuǎn)眼間，四周的實驗選修課已告結束。本組成員在做完前兩周的常規(guī)實驗后。毅然選擇了自主創(chuàng)新實驗——壓力傳感器特性及應用設計。自主創(chuàng)新實驗對于經(jīng)濟學的學生來說，無疑是一個極大的挑戰(zhàn)。我們常為摸索一個公式的來龍去脈而絞盡腦汁，也常為尋求一個創(chuàng)新設計的理論來源而大費周折，更為實驗過程中的結論偏差而苦苦思索，正所謂“千淘萬漉雖辛苦，吹盡黃沙始到金”。艱苦的探索之后，在季老師的悉心指導之下，我們的創(chuàng)新實驗終于圓滿完成。付出之后，我們嘗到了成功的喜悅，也從中學到了許多。,其一，實驗鍛煉了我們的動手能力，實踐與理論相結合，讓我們重新碰撞出智慧的火花。其二，實驗過程中遇到的重重困難，需要我們用心去嘗試，摸索，對我們養(yǎng)成積極思考的習慣不無裨益。此外對我們也是一種性情的錘煉和陶冶。其三，實驗要求我們用科技發(fā)展的新觀念和新成果去詮釋和估證教學內(nèi)容之內(nèi)涵，隨時掌握時代科技發(fā)展的脈搏，開拓了我們的眼界。另外，實驗要求我們理論與實踐緊密結合，增強了知識面的深度和廣度，引領學生逐步進入科學前沿，明了“學以致用”的重要之所在，激發(fā)了我們求知和探索的興趣。其四，由于實驗內(nèi)容的工作量大，時間緊，要求本組成員協(xié)同分工，發(fā)揮各自的長處，對培養(yǎng)我們的團隊精神意義重大。,創(chuàng)新是一個國家、一個民族發(fā)展的靈魂所在，培養(yǎng)大學生的自主創(chuàng)新能力，對未來社會的進步，有著不可估量的作用。謝謝大家！,