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壓力傳感器特性及其應(yīng)用設(shè)計(jì) 壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計(jì) 部分 關(guān)于壓力傳感器特性的實(shí)驗(yàn)報(bào)告 壓力傳感器是利用應(yīng)變電阻效應(yīng) 將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電壓量的器件 是最基本的傳感器之一 它種類很多 應(yīng)用也及廣 研究壓力傳感器的特性 具有非常實(shí)際的意義 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 了解和研究壓力傳感器的靜態(tài) 動(dòng)態(tài)特性及其應(yīng)用 2 理解半橋及全橋電路原理 3 設(shè)計(jì)電子稱原理圖 4 設(shè)計(jì)壓力報(bào)警控制裝置 實(shí)驗(yàn)儀器壓力傳感器電位差計(jì)穩(wěn)壓電源變阻箱砝碼等 實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)中使用的壓力傳感器是由兩片電阻應(yīng)變片組成 分別粘貼在平衡梁兩 上下兩表面上 兩個(gè)電阻應(yīng)變片以及外加的兩個(gè)變阻器組成差動(dòng)半橋 采用非平衡電橋原理 把壓力轉(zhuǎn)化為不平衡電壓進(jìn)行測(cè)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(cè)系統(tǒng)框圖 2 應(yīng)變與壓力的關(guān)系 等截面梁結(jié)構(gòu)示意圖 電阻應(yīng)變片是將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化 將電阻應(yīng)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(diǎn)L0的上下表面 順L0方向粘貼有受拉應(yīng)變片R1和受壓的R2 粘貼應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)镹 f Y 6FL0 bh hY 式中 f是應(yīng)變片處的應(yīng)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(yīng)變N與壓力F成正比 2 電阻的變化也電壓的關(guān)系參見(jiàn)前面實(shí)驗(yàn)可知 輸出電壓U與電阻值的變化成正比 由此可見(jiàn) 差動(dòng)電橋既沒(méi)有非線性誤差 又具有較高的靈敏度 同時(shí)還具有適應(yīng)溫度變化的補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)中 輸出電壓U可由電位差計(jì)測(cè)出 此時(shí)電橋的輸出電壓U為 若R1 R2 R3 R4和 R1 R2 R3 R4 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(shí)間而變化的特性 即在靜載荷作用下 用實(shí)驗(yàn)的方法求得輸入的力與傳感器輸出電壓之間的關(guān)系 線性關(guān)系 即U a bF 由輸入和輸出的關(guān)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(shí)際上就是傳感器輸入輸出特性曲線上某點(diǎn)的斜率 非線性傳感器各處的靈敏度是不相同的 對(duì)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(shí)際零點(diǎn)和滿量程斷電連線作為理論直線 傳感器實(shí)際平均輸出特性曲線對(duì)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(fù)的程度稱為遲滯 4 重復(fù)度R在多次重復(fù)測(cè)量正 反行程中 傳感器對(duì)同一輸入量有不同的輸出值 這種差值稱為重復(fù)差值 5 壓力傳感器的動(dòng)態(tài)特性 響應(yīng) 動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性 傳感器能隨時(shí)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(gè)過(guò)程稱為響應(yīng) 響應(yīng)是描述動(dòng)態(tài)特性的重要參數(shù) 實(shí)驗(yàn)步驟 1 檢查實(shí)驗(yàn)儀器 按照非平衡電橋原理 連接半橋電路 2 打開(kāi)電源 調(diào)節(jié)電壓至6 0伏 具體實(shí)驗(yàn)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(jì)的示數(shù)小于0 2 本實(shí)驗(yàn)使用的電位差計(jì)基本單位200毫伏 4 加載力 記錄數(shù)據(jù) 填入表格 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 5 比較半橋與全橋電路的優(yōu)劣 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格一 表格二 數(shù)據(jù)處理 1 測(cè)定壓力傳感器特性曲線 應(yīng)力與電壓線性關(guān)系的數(shù)據(jù)處理 根據(jù)表格三中的數(shù)據(jù) 在坐標(biāo)紙上畫(huà)出應(yīng)力與電壓分別對(duì)應(yīng)的坐標(biāo) 將這些點(diǎn)連接起來(lái)得到一條曲線 如果忽略掉一些點(diǎn)的話 就會(huì)得到一條近似的直線 這就是應(yīng)力與電壓成線性關(guān)系 如圖 2 輸出電壓與加載力之間的關(guān)系圖 部分 關(guān)于壓力傳感器特性的創(chuàng)新及其應(yīng)用 一 全橋電路的實(shí)驗(yàn)組裝1 實(shí)驗(yàn)步驟 利用實(shí)驗(yàn)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(gè)電阻應(yīng)變片 如圖所示 一號(hào)電阻應(yīng)變片接在1 2號(hào)接線柱之間 二號(hào)電阻應(yīng)變片接在2 5號(hào)接線柱之間 三號(hào)電阻應(yīng)變片接在1 4號(hào)接線柱之間 四號(hào)電阻應(yīng)變片接在4 5號(hào)接線柱之間 在2 4號(hào)接線柱之間接一個(gè)電位器 電位器為了調(diào)節(jié)剛開(kāi)始時(shí)電橋兩邊之間電壓的平衡 使電橋兩邊之間的電勢(shì)差控制在一個(gè)可以接受的誤差范圍以內(nèi) 然后在電位器和4號(hào)接線柱上接一個(gè)放大器 再在放大器上接一個(gè)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器 這樣就能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào) 再把數(shù)字轉(zhuǎn)換器接在計(jì)算機(jī)上就可以適時(shí)檢測(cè)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(shí)驗(yàn)所用儀器的改裝 由于實(shí)驗(yàn)室中的儀器為半橋電橋 所以需要對(duì)實(shí)驗(yàn)用儀器進(jìn)行一定的改裝 在半橋電橋中只需要三個(gè)接線柱 而在全橋電橋中則需要五個(gè)接線柱 而且需要把原來(lái)的兩個(gè)變阻箱換成兩個(gè)電阻應(yīng)變片貼在儀器的橫梁上 然后進(jìn)行線路的連接 具體的連接方法 如圖所示 全橋電路應(yīng)用圖 全橋電路實(shí)驗(yàn)原理圖說(shuō)明 一 二 三 四為電阻應(yīng)變片 1 2 3 4 5為五個(gè)接線柱 2 利用計(jì)算機(jī)接口 進(jìn)行自動(dòng)適時(shí)檢測(cè)壓力 并轉(zhuǎn)換成物質(zhì)質(zhì)量 進(jìn)行顯示 用A D D A轉(zhuǎn)換接口把實(shí)驗(yàn)設(shè)備與計(jì)算機(jī) 把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠接受的信號(hào) 編制相關(guān)程序進(jìn)行適時(shí)檢測(cè) 計(jì)算機(jī)與壓力傳感器的連接 計(jì)算機(jī)信號(hào)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(shuō)明 m為待測(cè)物體的質(zhì)量 u為應(yīng)變的電壓 a b為常數(shù) a b可以通過(guò)放入固定已知質(zhì)量的物體 求出與應(yīng)變電壓的線性關(guān)系得出 然后輸入程序中 其中a為不加物體時(shí)的初始電壓 b為線性關(guān)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(gè)待測(cè)物體在天平上 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變電壓 電壓通過(guò)放大器和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào) 相當(dāng)于在程序中輸入了電壓u 根據(jù)程序 計(jì)算機(jī)就可以自動(dòng)測(cè)量并顯示出待測(cè)物體的質(zhì)量 思考 怎樣控制天平的測(cè)量精度 當(dāng)天平測(cè)量范圍增大時(shí) 必然導(dǎo)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(yīng)變片 2 全橋電橋的應(yīng)用 自行設(shè)計(jì)的電子秤 這是完全按照實(shí)驗(yàn)室所擁有的裝置組裝的一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)接線柱與上面實(shí)驗(yàn)室提供的裝置相同 右側(cè)為一個(gè)電子顯示屏 顯示其讀數(shù) 與電子計(jì)算機(jī)連接后將直接顯示所稱物體的質(zhì)量 橫梁與原來(lái)的裝置相同 只是將起寬度b加寬 厚度h加厚 長(zhǎng)度L進(jìn)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(huì)相應(yīng)的增加 能測(cè)試的重量也會(huì)相應(yīng)的增加 原來(lái)的實(shí)驗(yàn)儀器只能承受幾百克的物體 經(jīng)過(guò)以上改變就能稱重幾十千克的物體 而且通過(guò)實(shí)驗(yàn) 還可以測(cè)量出它們變化的具體線形關(guān)系 根據(jù)這個(gè)線形關(guān)系 編寫(xiě)一個(gè)程序輸入計(jì)算機(jī) 測(cè)量出的電壓經(jīng)過(guò)放大器和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器進(jìn)入計(jì)算機(jī)后 計(jì)算機(jī)就可以相應(yīng)的得出此被測(cè)物體的質(zhì)量 3 壓力傳感器的實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 利用壓力傳感器特性及應(yīng)用與汽車報(bào)警裝置眾所周知 現(xiàn)在汽車報(bào)警裝置大多數(shù)是通過(guò)聲音控制的 如果汽車周圍的聲音超過(guò)了一定的分貝數(shù) 則報(bào)警裝置開(kāi)始報(bào)警 這種報(bào)警裝置有一定的好處 能夠在一定程度上保護(hù)汽車不被偷竊 因?yàn)橐话阈⊥当I竊汽車時(shí) 都有可能發(fā)出比較強(qiáng)的響聲 造成報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警 但是 這個(gè)裝置也有它的弱點(diǎn) 即在遇到其他的一些巨大聲響 并無(wú)小偷偷竊時(shí)也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警 本人就親眼目睹過(guò)曾經(jīng)因?yàn)榉疟夼跁r(shí)聲音過(guò)響 導(dǎo)致了周圍一排汽車報(bào)警器大作 造成人們虛驚一場(chǎng) 同時(shí)這種裝置也不是那么保險(xiǎn) 究其原因 此裝置是按照聲音大小進(jìn)行報(bào)警 如果聲音不夠大的話 此裝置就不會(huì)進(jìn)行報(bào)警 而事實(shí)證明現(xiàn)在小偷可以在不發(fā)出過(guò)大聲響的情況下成功盜得汽車 所以聲控報(bào)警裝置的缺陷可見(jiàn)一斑 我們認(rèn)為在聲控報(bào)警裝置的基礎(chǔ)上再加裝一個(gè)壓力傳感報(bào)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(shí)驗(yàn)原理 在汽車的四個(gè)門上分別裝上一個(gè)壓力傳感裝置 因?yàn)闊o(wú)論你采用什么方法 如果你要盜竊汽車都必須要經(jīng)過(guò)門進(jìn)入汽車 也可以將汽車拖走 不過(guò)這樣盜竊不太現(xiàn)實(shí) 另一種方法是砸壞玻璃 不過(guò)這樣的話 聲控報(bào)警裝置將自動(dòng)生效 我們可以把壓力傳感器的電源控制開(kāi)關(guān)和汽車鑰匙發(fā)出的信號(hào)相連通 汽車鑰匙可以控制這套裝置的開(kāi)啟 如果使用鑰匙開(kāi)門的話 電源控制開(kāi)關(guān)接到鑰匙發(fā)出的電子信號(hào)后將自動(dòng)關(guān)閉 所以開(kāi)門將不會(huì)進(jìn)行報(bào)警 反之 如果你不使用鑰匙 而使用非法手段進(jìn)行開(kāi)門的話 將會(huì)觸動(dòng)壓力傳感裝置 電橋之間將會(huì)產(chǎn)生電流 而電橋之間接上了你個(gè)報(bào)警裝置 產(chǎn)生電流后將會(huì)自動(dòng)報(bào)警 實(shí)驗(yàn)原理圖 電阻應(yīng)變片 報(bào)警器 受鑰匙電子信號(hào)控制 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 轉(zhuǎn)眼間 四周的實(shí)驗(yàn)選修課已告結(jié)束 本組成員在做完前兩周的常規(guī)實(shí)驗(yàn)后 毅然選擇了自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 壓力傳感器特性及應(yīng)用設(shè)計(jì) 自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)于經(jīng)濟(jì)學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō) 無(wú)疑是一個(gè)極大的挑戰(zhàn) 我們常為摸索一個(gè)公式的來(lái)龍去脈而絞盡腦汁 也常為尋求一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論來(lái)源而大費(fèi)周折 更為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)論偏差而苦苦思索 正所謂 千淘萬(wàn)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(dǎo)之下 我們的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)終于圓滿完成 付出之后 我們嘗到了成功的喜悅 也從中學(xué)到了許多 其一 實(shí)驗(yàn)鍛煉了我們的動(dòng)手能力 實(shí)踐與理論相結(jié)合 讓我們重新碰撞出智慧的火花 其二 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的重重困難 需要我們用心去嘗試 摸索 對(duì)我們養(yǎng)成積極思考的習(xí)慣不無(wú)裨益 此外對(duì)我們也是一種性情的錘煉和陶冶 其三 實(shí)驗(yàn)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(xué)內(nèi)容之內(nèi)涵 隨時(shí)掌握時(shí)代科技發(fā)展的脈搏 開(kāi)拓了我們的眼界 另外 實(shí)驗(yàn)要求我們理論與實(shí)踐緊密結(jié)合 增強(qiáng)了知識(shí)面的深度和廣度 引領(lǐng)學(xué)生逐步進(jìn)入科學(xué)前沿 明了 學(xué)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工作量大 時(shí)間緊 要求本組成員協(xié)同分工 發(fā)揮各自的長(zhǎng)處 對(duì)培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)精神意義重大 創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家 一個(gè)民族發(fā)展的靈魂所在 培養(yǎng)大學(xué)生的自主創(chuàng)新能力 對(duì)未來(lái)社會(huì)的進(jìn)步 有著不可估量的作用 謝謝大家