一、壓力傳感器的分類(lèi)

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最常見(jiàn)的一種傳感器。廣泛用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及航空航天、軍工、石化、電力等眾多行業(yè)。壓力傳感器按不同的測(cè)試壓力類(lèi)型，可分為：表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。

表壓傳感器是能感受相對(duì)于環(huán)境壓力的壓力的傳感器。

表壓傳感器

差壓傳感器是能感受兩個(gè)壓力間的差值的傳感器。

差壓傳感器

絕壓傳感器是能感受相對(duì)于絕對(duì)壓力的壓力的傳感器。這里的絕對(duì)壓力是指物體承受的實(shí)際壓力，是以真空狀態(tài)為起點(diǎn)計(jì)算的壓力。

絕壓傳感器

二、壓力傳感器的發(fā)展

我們將均勻垂直作用在物體表面上的力稱(chēng)為壓力。壓力的單位是：帕斯卡，簡(jiǎn)寫(xiě)為Pa。壓強(qiáng)的定義是：均勻垂直作用在物體表面單位面積的壓力。在日常生活和工程中，常把壓強(qiáng)稱(chēng)為壓力并用“P”表示。

傳統(tǒng)的壓力傳感器是機(jī)械結(jié)構(gòu)的，這種傳感器體積大，質(zhì)量重還沒(méi)有電學(xué)輸出，精確度不高的同時(shí)也不利于信息傳遞。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的壓力傳感器

隨著科技的的發(fā)展，新型的壓力傳感器產(chǎn)生了，它的體積小，質(zhì)量輕，在眾多領(lǐng)域中被廣泛使用。

新型壓力傳感器

新型壓力傳感器可以將，壓力的變化轉(zhuǎn)換為阻值的變化。但電阻是不容易直接作為信號(hào)被采集的，所以我們還需要將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，以便于采集卡采集數(shù)據(jù)。要完成電阻到電壓的轉(zhuǎn)化，我們需要用到一種特殊的電路，那就是惠斯通電橋。

三、惠斯通電橋

惠斯通電橋

惠斯通電橋是能精確測(cè)量電阻變化的測(cè)量電路，有趣的是惠斯通電橋不是由惠斯通發(fā)明的，而是由英國(guó)發(fā)明家克里斯蒂在1833年發(fā)明。因?yàn)榛菟雇ǖ谝淮斡眠@種電路測(cè)量電阻，所以人們才把它稱(chēng)為惠斯通電橋。

惠斯通電橋是由四個(gè)電阻，R1、R2、R3、R4順序連接形成的一個(gè)環(huán)形電路，這四個(gè)電阻又叫做電橋的橋臂。環(huán)形電路的對(duì)角接入一個(gè)直流電源作為激勵(lì)，另一個(gè)對(duì)角接入負(fù)載。

分析電路圖可知，輸出電壓V0是由R2處的電壓值減去R3處的電壓值得到。根據(jù)歐姆定律：

所以

簡(jiǎn)單通分可得：

當(dāng)R1·R3=R2·R4時(shí)，V0=0，此時(shí)電橋平衡。當(dāng)我們改變?nèi)我鈽虮鄣碾娮?，就?huì)破壞電橋的平衡，使V0兩端產(chǎn)生電位差，從而輸出電壓。這樣我們就可以將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?/p>

在使用惠斯通電橋作為測(cè)量電路時(shí)，一般將R4變?yōu)閼?yīng)變電阻，其他三個(gè)電阻R1=R2=R3=R。如圖

還是按照上述電路分析，可以得到

在公式中V0、VEX和R都是已知量，則ΔR的值就可以計(jì)算出來(lái)。那么如何將電阻變化（△R/R）與壓力產(chǎn)生的應(yīng)變(ε)建立聯(lián)系呢？有一個(gè)公式ε=（△R/R）/GF，其中GF是應(yīng)變片的特性參數(shù)——靈敏度，GF的值由生產(chǎn)商提供。這樣就可以通過(guò)輸出電壓求出應(yīng)變值，最終得到壓力的大小。

以上是對(duì)惠斯通電橋中的四分之一橋的分析，那么二分之一橋與四分之一橋有何異同呢？我們先來(lái)看二分之一橋的電路圖。

可見(jiàn)，二分之一橋只是將R3電阻也變?yōu)閼?yīng)變電阻。電路簡(jiǎn)化后則是：

V0的計(jì)算也和四分之一橋相同，可以得到：

因?yàn)槎种粯蛴袃蓚€(gè)應(yīng)變電阻，所以方程中出現(xiàn)了兩個(gè)未知量△R1和△R2。而一個(gè)方程不能求解兩個(gè)未知量的值，怎么辦呢？

我們仔細(xì)分析應(yīng)變電阻在材料上的位置就會(huì)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)我們給材料一個(gè)向下的壓力時(shí)，應(yīng)變電阻R4拉伸的應(yīng)變值為ε，隨之而改變的應(yīng)變電阻R3會(huì)收縮，應(yīng)變值為-vε。R4與R3受力產(chǎn)生的應(yīng)變比是一個(gè)固定值v，稱(chēng)為泊松比。因?yàn)棣?（△R/R）/GF，我們就可以將ΔR2用ΔR1表示出來(lái)，這樣就可以求解方程。也就能通過(guò)輸出電壓計(jì)算出應(yīng)變值。

拉伸前 拉伸后

下面我們給出全橋的電路圖

全橋的計(jì)算與半橋計(jì)算方法相差不多，要注意的地方就是四個(gè)應(yīng)變電阻的位置情況，因?yàn)樗霈F(xiàn)了四個(gè)未知量。這三種橋路都有這其自身的限制與優(yōu)勢(shì)，我們要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。在使用惠斯通電橋時(shí)，電橋一般都不會(huì)處于平衡狀態(tài)即V0=0，所以需要進(jìn)行調(diào)零處理，一般有軟件調(diào)零、調(diào)零電路、緩存調(diào)零這三種方法。其中調(diào)零電路是真實(shí)將電路中的不平衡消除，而另外兩種方法只是在數(shù)值上將V0抵消掉，具體的實(shí)現(xiàn)方法我們就不一一詳解了。

四、放大電路

現(xiàn)在我們已經(jīng)得到了惠斯通電橋輸出的電壓值V0，但這個(gè)電壓值很小，一般都是毫伏級(jí)的電壓。在傳感器上標(biāo)注的單位一般是mV/V，表示的是傳感器的靈敏度。當(dāng)傳感器靈敏度為2mV/V，激勵(lì)電源是10V時(shí)，傳感器的滿(mǎn)載輸出為20mV。這么小的輸出電壓，就需要經(jīng)過(guò)放大電路或是運(yùn)算放大器，將其放大為標(biāo)準(zhǔn)電壓。

如圖，是一種常用的放大電路和運(yùn)算放大電路。

五、使用數(shù)據(jù)采集卡采集壓力傳感器信號(hào)

下面我們將完成使用USB-3123數(shù)據(jù)采集卡采集壓力傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中使用的是，SRD-1004程控放大器。

它可以用軟件或撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制放大倍數(shù)，同時(shí)也能為傳感器提供5V的直流電源。將Switch EN開(kāi)關(guān)上撥，是控制放大器使用撥碼開(kāi)關(guān)調(diào)整放大倍數(shù)，將PGA 0處的1、2開(kāi)關(guān)上撥可以調(diào)整PGA 0的放大倍數(shù)為1000倍。我們使用上述配置完成本次實(shí)驗(yàn)。

壓力傳感器的相關(guān)參數(shù)是，靈敏度：２.０ｍV／V，量程：5kg。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中給傳感器提供了5V的電壓，所以其滿(mǎn)量程輸出是10mV。我們將傳感器輸出電壓放大１０００倍，那么輸出電壓最大則是10V，滿(mǎn)足采集卡的量程。

接下來(lái)我們簡(jiǎn)單說(shuō)明一下各器件之間應(yīng)該怎樣連接。

將傳感器的電源線與放大器的電源連接，將傳感器的正負(fù)信號(hào)線與放大器的正負(fù)信號(hào)輸入端連接，將放大器的輸出信號(hào)端與采集卡AI 0端相連，將放大器的GND端與采集卡的AI Sense端相連，將采集卡的AI Sense端與AGND端短接，最后通過(guò)USB線纜將放大器和采集卡接入電腦。

調(diào)整采集卡相關(guān)的參數(shù)，將采樣率設(shè)置為5 Sa/s/ch。

將單位變換打開(kāi)，設(shè)置傳感器輸出電壓，上限10V，下限-10V，傳感器量程上限5000，下限-5000，單位為g（克）。

這里設(shè)置正負(fù)是因?yàn)椋瑐鞲衅鲗⒗Ρ硎緸檎?，將壓力表示為?fù)值。完成設(shè)置后開(kāi)始調(diào)整畫(huà)布，關(guān)閉自動(dòng)調(diào)整Y坐標(biāo)并將坐標(biāo)固定為-5000~5000。

點(diǎn)擊啟動(dòng)。我們可以看到傳感器不受力時(shí)，測(cè)量值在0刻度線上。

將500g的砝碼放在傳感器上，可以看到采集卡采集數(shù)據(jù)為-500。

給傳感器一個(gè)拉力，可以看到數(shù)值為正值。

以上是我們對(duì)靜態(tài)壓力的測(cè)量，但數(shù)據(jù)采集卡更大的優(yōu)勢(shì)是，對(duì)于瞬時(shí)壓力的采集。我們來(lái)試一試。

這次將采集卡的采樣率調(diào)整為10000，使采集卡能對(duì)瞬時(shí)的壓力有較好的反應(yīng)，其余設(shè)置不變。調(diào)整畫(huà)布橫坐標(biāo)為0~30，這樣會(huì)方便我們觀察。更改完成后，用螺絲刀敲擊傳感器，在畫(huà)布中可以發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)的壓力被捕捉到，以手型工具調(diào)整橫坐標(biāo)，我們就可以清晰地看到敲擊傳感器時(shí)，壓力的變化情況。

以上就是我們關(guān)于使用數(shù)據(jù)采集卡采集壓力傳感器的全部?jī)?nèi)容了。視頻版內(nèi)容可點(diǎn)擊此處查看。有任何問(wèn)題，您可以通過(guò)留言或者搜索微信號(hào)：Smacq思邁科華，聯(lián)系我們。

審核編輯 黃宇