压阻式传感器应用于气体压力测量

一、任务目标

通过本任务的学习，让学生了解压阻效应及压阻式传感器的结构，掌握压阻式传感器的工作原理，并学会利用压阻式传感器测量气体压力。

二、任务分析

练习

（1）当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻率将发生显著变化，这种现象称为半导体________，常用的半导体材料为硅。

（2）采用集成工艺直接在硅膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，制成集应力敏感与力电转换于一体的力学量传感器，称为________传感器。当硅膜片感受被测压力后，________发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的________输出。

（3）当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生微小变化，但微小的电阻变化很难测量出来。因此，在实际使用时，通常采用________供电和________供电桥式测量电路来测量微小的电阻值变化，________供电不受温度影响。

（4）压阻式传感器主要用于________、________、________和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。

思考

压阻式传感器测量电路分为恒压源供电和恒流源供电两种形式，请结合前面知识总结这两种测量电路的区别。一般固态压阻式传感器通常采用哪种测量电路？

三、任务实施

1.认识压阻式传感器及其实验模块

摩托罗拉公司设计出MPX10 系列压阻式传感器，内部结构如图2-34（a）所示。该压力传感器有两个输入口，P1 端为正压力输入口，P2 端为负压力输入口，对外有4 个引出脚，1 脚接地、2 脚为Uo＋、3 脚接＋5 V、4 脚为Uo-。MPX10 系列压阻式传感器实物如图2-34（b）所示，传感器已安装在配套实验模块中，如图2-35所示。

图2-34　MPX10 系列压阻式传感器

（a）内部结构；（b）实物

图2-35　压力传感器实验模块

除了压力传感器实验模块外，本任务的实施还要用到直流电压表及直流稳压电源。

2.压阻式传感器测量气体压力工作原理

当MPX10 系列压阻式传感器的硅膜片没有外加压力作用时，内部电桥处于平衡状态；当传感器硅膜片受力后其电阻值发生变化时，电桥失去平衡；当给1、3 脚施加一个恒定电压源，2、4 脚两端的输出电压Uo 与硅膜片所受的压力成正比，当P1 端输入的气体压力比P2 端输入的气体压力大时，压力传感器输出为正，反之为负。

3.任务实验步骤

1）气路连接和调试。观察如图2-36所示的气路，气室1 的压力为P1，通过气压计1显示其压力大小，同理气室2 的压力为P2，通过气压计2 显示其压力大小，将气室1、2 的活塞退到17 mL 处，此时两个气室的压力相等，相对于大气压均为0 MPa。

图2-36　压力传感器接线图

2）差分放大电路调零。从实验台直流稳压电源模块接入±15 V 电源，将差动放大电路的输入端Ui 短接，输出端Uo2接直流电压表，选择200 mV 挡，调节RW2到中间位置并保持不动。检查无误后合上实验台电源开关，打开直流稳压电源开关，调电位器RW3使直流电压表显示为0 V，如图2-37所示。调零完毕后，关闭实验台电源。

3）压阻式传感器调零。取下短路导线，从实验台将＋5 V 直流稳压电源接至压力传感器实验模块，并将MPX10 压阻式传感器的输出接到差分放大电路的输入端Ui，打开实验台电源，调节RW1并使直流电压表显示为0 V，如图2-38所示。

图2-37　差分放大电路调零

图2-38　压阻式传感器调零

4）压力差测量。保持负压力输入P2＝0 MPa 不变，增大正压力输入P1 的压力，每隔0.005 MPa 将实验模块输出Uo2的电压值记录在表2-5中，直到P1 的压力达到0.095 MPa。

表2-5　正压力P1 与实验模块输出电压Uo2的关系（P2＝0 MPa）

保持正压力输入P1＝0.095 MPa 不变，增大负压力输入P2 的压力，每隔0.005 MPa，将实验模块输出Uo2的电压值记录在表2-6中，直到P2 的压力达到0.095 MPa。

表2-6　负压力P2 与实验模块输出电压Uo2的关系（P1＝0.095 MPa）(www.xing528.com)

保持负压力输入P2＝0.095 MPa 不变，减小正压力输入P1 的压力，每隔0.005 MPa 将实验模块输出Uo2的电压值记录在表2-7中，直到P1 的压力减至0 MPa。

表2-7　正压力P1 与实验模块输出电压Uo2的关系（P2＝0.095 MPa）

保持正压力输入P1＝0 MPa 不变，减小负压力输入P2 的压力，每隔0.005 MPa 将实验模块输出Uo2的电压值记录在表2-8中，直到P2 的压力减至0 MPa。

表2-8　负压力P2 与实验模块输出电压Uo2的关系（P1＝0 MPa）

5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。

4.数据处理

1）根据表2-5～表2-8的测量数据分别绘制压阻式传感器输入压力（P1 或P2）与实验模块输出电压关系曲线（P1（P2）-Uo2曲线），如图2-39所示。

图2-39　P1（P2）-Uo2曲线

2）根据表2-5、表2-6、表2-7和表2-8测量数据计算压阻式传感器灵敏度Sn 及非线性误差E。

5.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表2-9。

表2-9　压阻式传感器测量气体压力评分表

四、任务拓展

根据压阻效应制成的扩散硅压阻式传感器除了用来测量压力和加速度，还可以用于测量液位。如果感兴趣，可按照下面的实验步骤自己动手完成实验，并记录实验结果。

1.仪器设备及器材

应变传感器实验模块、JCY-3 液位、流量检测模块、直流电压表及直流稳压电源。

2.工作原理

扩散硅压阻式传感器输出电压可以很好地反映加在敏感元件上压力的变化，据此可以检测液位的变化。

3.实验步骤

1）向储水箱注水。将JCY-3 液位、流量检测装置的液位水箱出水阀门打开，通过液位水箱和出水阀门向储水箱注水，注满但不要溢出；随后关闭液位水箱出水阀门并打开液位水箱进水阀门。

注意：实验前检查各水箱内是否有杂物，若有应将流量计两端软管拧开，并向水箱内注水冲走杂物，以免堵塞流量计。

2）差分放大电路调零。打开实验台电源，调节直流稳压电源的“电压选择” 旋钮到±6 V，并将“＋” 的输出接至JCY-3 液位、流量检测装置“传感器电源” 端口，接线如图2-40所示。将±15 V 直流稳压电源接至应变传感器实验模块，实验模块输出端Uo2接实验台上直流电压表，直流电压表选择200 mV 挡位，调节RW3 到适当位置，将输入端Ui 短路，调节RW4使差分放大电路输出电压Uo2为0 V。

图2-40　液位测量实验接线图

3）压阻式压力传感器调零。取下短路导线，从实验台将＋6 V 直流稳压电源接到应变传感器实验模块调零RW1两端。JCY-3 液位、流量检测装置的“LT 输出” 正端接RW1中间抽头（串接了一个电阻），“LF 输出” 接差分放大电路输入Ui 端，调节RW1使差分放大电路输出电压Uo2为0 V。

4）液位测量。将实验台上＋24 V 直流稳压电源输出接至JCY-3 液位、流量检测装置“电动机M 电源” 端，液位水箱注满水后将电动机电源断开。调节液位水箱出水阀使其有一个小的开度，让液位水箱的液位慢慢回落，直流电压表选择20 V 挡位，每隔5 mm 记录输出电压Uo2的数值，并将实验结果填入表2-10中。

表2-10　水箱液位与实验模块输出电压的关系

4.任务内容和评分标准

任务内容和评分标准见表2-11。

表2-11　压阻式传感器测量液位评分表