压力传感器(力效应).docx

压力传感器压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分，由各种压力敏感元件将被测 压力信号转换成容易测量的电信号作输出，给显示仪表显示压力值，或供控制和 报警使用力学传感器的种类繁多，电阻应变式传感器结构简单、体积小、使用 方便、性能稳定、可靠、灵敏度高动态响应快、适合静态及动态测量、测量精度 高等诸多优点，因此是目前应用最广泛的传感器之一电阻应变式传感器由弹性 元件和电阻应变片构成，当弹性元件感受到物理量时，其表面产生应变，粘贴在 弹性元件表面的电阻应变片的电阻值将随着弹性元件的应变而相应变化通过测 量电阻应变片的电阻值变化，可以用来测量位移加速度、力、力矩、压力等各种 参数一、 压力传感器的基本原理1、金属电阻应变片的工作原理应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变 片是由金属导体或半导体制成的电阻体，是一种将被测件上的应变变化转换成为 一种电信号的敏感器件它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一电阻应变 片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种金属电阻应变片又有丝状 应变片和金属箔状应变片两种通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在 产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受 力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的 仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执 行机构其阻值随压力所产生的应变而变化金属电阻应变片的工作原理是吸附 在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效 应对于金属导体，如图1所示，一段圆截面的导线的金属丝，设其长为L,截面 积为A （直径为D），原始电阻为R，金属导体的电阻值可用下式表示：R=pL / A （1）式中：p 金属导体的电阻率（Q・cm 2 / m ） S 导体的截面积（cm 2）L一导体的长度（m）图1金属电阻丝应变效应当金属丝受到轴向力F而被拉伸或压缩产生形变，其电阻值会随之变化， 通过对（1）式两边取对数后再取全微分得:（2）dR = dL — dA + dp式中些=£为材料轴向线应变，且L向受力状态下，有"=2£跟据材料力学，在金属丝单dDdL=—四 D L式中u为导体材料的泊松比因此，有（4）试验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体的相对变化间的关系为dp dV~^~C V(5)式中，c为常数（由一定的材料和加工方式决定）竺=些+ dA = （1 -2日片将V L A式（5）代入（4），且当△ R=R时，可得竺=［（1 + 2 日）+ c（1 - 2 日）］8 = K R式中，k=（1+2p）+c（1-2p）为金属丝材料的应变灵敏系数。

上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比这就是金属材料的(6)应变电阻效应电阻变化率AR/R的表达式为：K=AR/R山^，式中u一材料的泊松系数;8 —应变量当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截 面增加，电阻值则会减小只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电 压），即可获得应变金属丝的应变2.电阻应变片的测量电路由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2所示图2直流电桥设电桥的各臂的电阻分别为RRRR13 2 4直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多它们可以全部或部分是应变片由于因此可将电桥输出端看成开路，这种(7)电桥成为电压输出桥，输出电压u0为、U(R1 + R2)(R3 + R4) s由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态， 称为平衡电桥平衡电桥的平衡条件为:R1R3=R2R4应变片工作时，其电阻变化△ R，此时有不平衡电压输出。

8)U AR 14 R1由式（8）表明：AR《R1时，电桥的输出电压于应变成线性关系若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变活压应变时，输出电压为两者之差，若不 同时，则输出电压为两者之和若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和， 反之则为两者之差电桥供电电压U越高，输出电压u0越大，但是，当U大时，电阻应变片通 过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现 蠕变和零漂基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏 度由式(8)的线性关系是在应变片的参数变化很小，极AR《R1的情况下 得出的，若应变片承受的压力太大，则上述假设不成立，电桥的输出电压应变之 间成非线性关系在在这种情况下，用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来 非线性误差为了消除非线性误差，在实际应用中，常采用半桥差动或全桥差动 电路，如图3所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度0(a)半桥差动电路(b)全桥差动电路图3差动电桥图3 (a)为半桥差动电路，在传感器这中经常使用这种方法粘贴应变片时，使两个应变片一个受压，一个受拉应变符号相反，工作时将两个应变片 接入电桥的相邻两臂设电桥在初始时所示平衡的，且为等臂电桥，考虑到 △R=AR]=AR2则得半桥差动电路的输出电压为(9)U° =奏O由上式可见，半桥差动电路不仅可以消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度提高了一倍，同时还能起到温度补偿的作用。

如果按图3 (b)所示构成 全桥差动电路同样考虑到△r=ar1=ar2=ar3=△灼时得全桥差动电路的输出电压(10)UO学O可见，全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了 4倍非线性误差也得 到了消除，同时还具有温度补偿的作用，该电路也得到了广泛的应用二、压力传感器系统本次设计是以单片机组成的压力测量，系统中必须有前向通道作为电信号的 输入通道，用来采集输入信息压力的测量，需要传感器，利用传感器将压力转 换成电信号后，再经放大并经A/D转换为数字量后才能由计算机进行有效处理 然后用LED进行显示，而键盘的作用是改变输入量的系数的它的原理图如图 4所示图4压力测量仪表原理方框图通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算 放大器进行信号放大，送至8位A/D转换器，然后将模拟信号转换成单片机可 以识别的数字信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示 输出基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片机 的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放 大为标准信号为0-5V的电压信号，然后进入A/D转换器将模拟量转换为数字量， 我们所采样的A/D转换器为ADC0832, ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片， 其最高分辨达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考 电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0〜5V之间芯片转换时间仅为32 US， 据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便通过DI数据 输入端，可以轻易的实现通道功能的选择正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以 电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用为了提高单片机系统I/O 口线的利用效率，利用单片机AT87C51的串行口和 串行移位寄存器74LS164扩展输出多位LED显示键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备我们通过键盘，向计算机 系统输入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片机系统处于预定的功能状 态要想实现压力的显示需硬件与软件配合，最终调试出来三、压力传感器的应用压力是工业生产中的重要参数，如高压容器的压力超过额定值时便是不安 全的，必须进行测量和控制在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质 量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力 的大小直接影响产量高低。

此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、 流量和液位等参数1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱， 奠定了液柱式压力测量仪表的基础1847年，法国人波登制成波登管压力表， 由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量 值的远距离传送和压力的报警、控制等问题60年代以后，为适应工业控制、 航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐 冲击、耐振动和数字显示等方向发展压力是过程生产中四大重要参数之一，它在检测生产过程能否完全可靠正常 运行的重要参数指标，尤其在化工生产过程中压力这一参数更显得尤为重要在化工生产过程中，压力即影响物料平衡，也影响化学反应速度，是标志生 产过程能否正常进行的重要参数安全生产的需要，从确保安全生产的角度，压力检测也是非常重要的如： 确保压力容器内的压力在安全指标之内，确保易燃易爆介质的压力不超标在其他工业生产中压力检测于控制也非常重要常可见到一些工业装置上都 有压力表如：汽包压力,当压力过高容易爆炸，压力低动力不足；还有炉膛压 力；一般维持在0mm H O，高了炉门缝冒烟尘，低了膛内出现负压降低温度。

若维持在10 mmH O，节能20%压力也是间接测量物位的手段，用孔板测量流量仅能产生差压，而这个差压 考压力检测的方法来测取才能最终求出流量液面的高度可以靠测取压力的大小 来表示总之，压力检测是一般成产过程所不可缺少的环节，只有按工艺要求保持压 力的稳定，才能维持生产的正常进行所以压力准确测量在实际过程是非常重要 的，压力传感器应用很广泛。