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壓力傳感器特性實驗
壓力傳感器是利用應變電阻效應，將力學量轉換成易于測量的電壓量的器件。壓力傳感器是最基本的傳感器之一，主要用在各種電子秤、應力分析儀等儀器上。傳感器的種類很多，應用極為廣泛。根據要求精度和使用方式不同，可選用不同型號的壓力傳感器。
一. 實驗目的
1.???? 了解壓力傳感器的工作原理；
2.???? 研究壓力傳感器的靜態特性；
3.???? 了解電位差計的工作原理，熟悉其使用方法。
二. 實驗儀器
壓力傳感器、電位差計、穩壓電源、電壓表、砝碼等。
三. 實驗原理
圖3-3-1 等截面梁結構示意圖
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本實驗所用的傳感器，是由四片電阻應變片組成，分別粘貼在彈性體的平行梁上、下兩表面上。四個應變片組成電橋，采用非平衡電橋原理，把壓力轉化成不平衡電壓進行測量。下面我們從三個方面對壓力傳感器進行討論。
1. 應變與壓力的關系
電阻應變片是將機械應變轉換為電阻阻值的變化。將電阻應變片粘貼在懸臂梁式彈性體上。常見的懸臂梁形式有等截面梁、等強度懸臂梁、帶副梁的懸臂梁以及雙孔，單孔懸臂梁。
圖3-3-1是等截面梁結構示意圖，彈性體是一端固定，截面積S處處相等的等截面懸臂梁（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L方向粘貼有受拉應變片R1、R3和受壓的R2、R4應變片，粘貼應變片處的應變為
等截面梁結構示意圖
式中f是應變片處的應力，Y是彈性體的彈性模量。從式(3-3-1)可看出，除壓力F外，其余各量均為常量。所以，應變ε0與壓力F成正比。
2. 電阻的變化與電壓的關系
由于彈性體的應變發生了變化，粘貼在其上的電阻應變片的電阻值也隨之發生變化，受拉的電阻應變片電阻值增加，而受壓的電阻應變片電阻值減少，把四個電阻應變片組成一個電橋，這便成為差動電橋，如圖3-3-2所示。此時電橋的輸出電壓U為：
圖 3-3-2 應變片差動電橋電路
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由上式可知，電壓U與電阻值的變化成正比。由此可看出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點。實驗中，電橋的不平衡電壓U可由電位差計測出。
3. 壓力傳感器的靜態特性
壓力傳感器的基本特性分為靜態特性和動態特性兩種。所謂靜態特性是指輸入不隨時間而變化的特性，即在靜載荷（力值）作用下，用實驗的方法求得輸入的力與傳感器輸出電壓（示值）之間的關系（線性關系），即U=a+bF。由輸入和輸出的關系，就可研究其靜態特性。
（1）靈敏度S
傳感器在靜態工作條件下，其單位壓力所產生的輸出電壓，稱為靜態靈敏度。在通常意義上，如指一臺傳感器靈敏度高，也指其分辨率高。用公式表示如下：
圖3-3-3所示為上述兩種情況下靈敏度的圖解表示，其中左圖為非線性靈敏度，右圖為線性靈敏度圖解。
(2)線性度(非線性誤差)Ｌ
大多數傳感器的輸入和輸出具有比例關系，這種輸入輸出具有線性比例關系的傳感器稱線性傳感器。衡量線性傳感器線性特性好壞的指標為非線性誤差，或稱線性度。隨著參考直線的性質和引法不同，線性度有多種，下面僅介紹端點線性度。
圖3-3-4? 端點線性度特性曲線???????????????? 圖3-3-5? 遲滯特性曲線
如圖3-3-4所示，將傳感器的實際零點和滿量程端點連線作為理論直線，傳感器實際平均輸出（正反行程平均）特性曲線對理論直線的最大偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比來表示為：
（3）遲滯（遲滯誤差）H
傳感器在正（輸入量增加）、反（輸入量減少）行程中，輸入輸出曲線不重合的程度稱為遲滯。也就是說，對應于同一輸入量，它的輸出量值有差別。遲滯可用傳感器最大正反差值與滿量程輸出的百分比來表示
圖3-3-5所示為傳感器的某種遲滯特性。
?? （4）重復性R
多次重復測量時，在同是正行程（或同是反行程）中對應同一輸入量，傳感器的輸出值也不相同，這種差值稱為重復差值。全量程中的最大重復差值與滿量程輸出值之比稱為重復性。如圖3-3-6所示，表達式如下
圖3-3-5所示為傳感器的某種遲滯特性。
?? （4）重復性R
多次重復測量時，在同是正行程（或同是反行程）中對應同一輸入量，傳感器的輸出值也不相同，這種差值稱為重復差值。全量程中的最大重復差值與滿量程輸出值之比稱為重復性。如圖3-3-6所示，表達式如下
（5）動態特性（響應）
動態特性是指輸入隨時間而變化的特性。此時，要求傳感器能夠隨時精確地跟蹤輸入量，輸出能夠按照輸入的變化規律而變化，這個過程又稱為響應。響應是描述動態特性的重要參數。這里不研究此特性。
??? 四. 實驗內容
圖3-3-7? 實驗電路圖
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1. 按圖3-3-7連接電路，圖中PF1為壓力傳感器，UJ37為電位差計。
??? 2. 測量加載力F與輸出電壓U的關系：保持工作電壓Us為10.0V。
?? （1）加載砝碼，每次1Kg，分8次加到8Kg，記錄每次加載時的輸出電壓值。
?? （2）加到額定值后，開始卸載，分8次卸完，記錄每次卸載時的輸出電壓值。
?? （3）重復上述兩步驟，進行三次測量，將輸出電壓記錄在表格3-3-1中。
表3-3-1 輸出電壓隨加載力變化數據表（工作電壓不變）
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加載力（KG） |
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加載輸出U（mv） |
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卸載輸出U（mv） |
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加載輸出U（mv） |
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卸載輸出U（mv） |
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加載輸出U（mv） |
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卸載輸出U（mv） |
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加載平均U（mv） |
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卸載平均U（mv） |
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3. 測量傳感器工作電壓Us與輸出電壓U的關系：保持加載的砝碼為5KG（選作）。
?? （1）調節工作電壓US從1.0V到10.0V，分別記錄10次的輸出電壓值（每次1V）。同樣，降低電壓時，分別再記錄10次的輸出電壓值（每次1V）。
?? （2）重復上述步驟，進行三次測量，將輸出電壓記錄在表格3-3-2中：
表3-3-2 輸出電壓與工作電壓變化數據表（壓力不變）
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工作電壓（V） |
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3 |
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6 |
7 |
8 |
9 |
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加壓輸出U（mv） |
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減壓輸出U（mv） |
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加壓輸出U（mv） |
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減壓輸出U（mv） |
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加壓輸出U（mv） |
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減壓輸出U（mv） |
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加壓平均U（mv） |
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減壓平均U（mv） |
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五. 數據處理
1.Us一定時，作U～F關系曲線（分別將加載三次平均，減載三次平均，做兩個曲線）。
2.F一定時，作U～Us關系曲線。（分別將加載三次平均，減載三次平均，做兩個曲線）。
3.用U～F 曲線，測給定物體的質量。
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