代码收藏家技术教程 2023-04-07

压力传感器与数据采集

压力传感器是工业实践中最常见的一种传感器。广泛用于各种工业自控环境，涉及航空航天、军工、石化、电力等众多行业。

压力传感器按不同的测试压力类型q可分为：表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

表压传感器是能感受相对于环境压力的压力的传感器。

差压传感器是能感受两个压力间的差值的传感器。

绝压传感器是能感受相对于绝对压力的压力的传感器。这里的绝对压力是指物体承受的实际压力，是以真空状态为起点计算的压力。

我们将均匀垂直作用在物体表面上的力称为压力。压力的单位是：帕斯卡，简写为Pa。压强的定义是：均匀垂直作用在物体表面单位面积的压力。在日常生活和工程中，常把压强称为压力并用“P”表示。

传统的压力传感器是机械结构的，这种传感器体积大，质量重还没有电学输出，精确度不高的同时也不利于信息传递。

随着科技的的发展，新型的压力传感器产生了，它的体积小，质量轻，在众多领域中被广泛使用。

新型压力传感器可以将，压力的变化转换为阻值的变化。但电阻是不容易直接作为信号被采集的，所以我们还需要将电阻的变化转换为电压或电流的变化，以便于采集卡采集数据。要完成电阻到电压的转化，我们需要用到一种特殊的电路，那就是惠斯通电桥。

它是能精确测量电阻变化的测量电路，有趣的是惠斯通电桥不是由惠斯通发明的，而是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明。因为惠斯通第一次用这种电路测量电阻，所以人们才把它称为惠斯通电桥。

惠斯通电桥是由四个电阻，R1、R2、R3、R4顺序连接形成的一个环形电路。环形电路的对角接入一个直流电源作为激励，另一个对角接入负载，它的四个电阻又叫做电桥的桥臂。

分析电路图可知，输出电压V0是由R2处的电压值减去R3处的电压值得到。

根据欧姆定律，

$V_{R2}=V_{EX}*\frac{R2}{R1+R2}$ 同理 $V_{R3}=V_{EX}*\frac{R3}{R3+R4}$

所以

$V_{0}=(\frac{R3}{R3+R4}-\frac{R2}{R1+R2})*V_{EX}$

简单通分可得

$V_{0}=(\frac{R3*R1-R2*R4}{(R3+R4)*(R1+R2)})*V_{EX}$

当R1·R3=R2·R4时，V0=0，此时电桥平衡。当我们改变任意桥臂的电阻，就会破坏电桥的平衡，使V0两端产生电位差，从而输出电压。这样我们就可以将电阻的变化转变为电压的变化。

在使用惠斯通电桥作为测量电路时，一般将R4变为应变电阻，其他三个电阻R1=R2=R3=R。

如图

与上述电路分析一致，可以得到

$V_{0}=(\frac{\Delta R}{2(2R+\Delta R)})*V_{EX}$

在公式中V0、VEX和R都是已知量，则ΔR的值就可以计算出来。那么如何将电阻变化 ∆R/R 与压力产生的应变(ε)建立联系呢？有一个公式ε=(∆R/R)/GF，其中GF是应变片的特性参数——灵敏度，GF的值由生产商提供。这样就可以通过输出电压求出应变值，最终得到压力的大小。

以上内容是惠斯通电桥中的四分之一桥，那么二分之一桥与四分之一桥有何异同呢？

我们先来看二分之一桥的电路图

可见，二分之一桥只是将R3电阻也变为应变电阻。电路简化后则是

V0的计算也和四分之一桥相同，可以得到：

$V_{0}=(\frac{1}{2}-\frac{R+\Delta R1}{2R+\Delta R1+\Delta R2})*V_{EX}$

$=(\frac{\Delta R2-\Delta R1}{2(2R+\Delta R1+\Delta R2)})*V_{EX}$

因为二分之一桥有两个应变电阻，所以方程中出现了两个未知量∆R2和∆R1。而一个方程不能求解两个未知量的值，怎么办呢？我们仔细分析应变电阻在材料上的位置就会发现：当我们给材料一个向下的压力时，应变电阻R4拉伸的应变值为ε，随之而改变的应变电阻R3会收缩，应变值为 -vε。R4与R3受力产生的应变比是一个固定值v，称为泊松比。因为ε=(∆R/R)/GF，我们就可以将ΔR2用ΔR1表示出来，这样就可以求解方程。也就能通过输出电压计算出应变值。

下面我们给出全桥的电路图

全桥的计算与半桥计算方法相差不多，要注意的地方就是四个应变电阻的位置情况，因为它出现了四个未知量。这三种桥路都有这其自身的限制与优势，我们要根据实际情况进行选择。在使用惠斯通电桥时，电桥一般都不会处于平衡状态即V0=0。所以需要进行调零处理，一般有软件调零、调零电路、缓存调零这三种方法。其中调零电路是真实将电路中的不平衡消除，而另外两种方法只是在数值上将V0抵消掉，具体的实现方法我们就不一一详解了。

现在我们已经得到了惠斯通电桥输出的电压值V0，但这个电压值很小，一般都是毫伏级的电压。在传感器上标注的单位一般是mV/V，表示的是传感器的灵敏度。当传感器灵敏度为2mV/V，激励电源是10V时，传感器的满载输出为20mV。这么小的输出电压，就需要经过放大电路或是运算放大器，将其放大为标准电压。如图，是一种常用的放大电路和运算放大电路

下面我们完成使用USB-3123数据采集卡采集压力传感器数据的实验。

实验中使用的放大器是SRD-1004程控放大器。

它可以用软件或拨码开关来控制放大倍数，同时也能为传感器提供5V的直流电源。将Switch EN开关上拨，是控制放大器使用拨码开关调整放大倍数，将PGA 0处的1、2开关上拨可以调整PGA 0的放大倍数为1000倍。我们使用上述配置完成本次实验。压力传感器的相关参数是，灵敏度：２.０ｍV／V，量程：5kg。因为实验中给传感器提供了5V的电压，所以其满量程输出是10mV。我们将传感器输出电压放大１０００倍，那么输出电压最大则是10V，满足采集卡的量程。

接下来我们简单说明一下各器件之间应该怎样连接。

将传感器的电源线与放大器的电源连接，将传感器的正负信号线与放大器的正负信号输入端连接，将放大器的输出信号端与采集卡AI 0端相连，将放大器的GND端与采集卡的AI Sense端相连，将采集卡的AI Sense端与AGND端短接，最后通过USB线缆将放大器和采集卡接入电脑。

调整采集卡相关的参数，将采样率设置为5 Sa/s/ch

将单位变换打开，设置传感器输出电压，上限 10V，下限 -10V。传感器量程上限 5000，下限 -5000，单位为 g（克）。

这里设置正负是因为，传感器将拉力表示为正值，将压力表示为负值。完成设置后开始调整画布，关闭自动调整Y坐标并将坐标固定为-5000~5000。

点击启动。我们可以看到传感器不受力时，测量值在0刻度线上

将500g的砝码放在传感器上，可以看到采集卡采集数据为-500

给传感器一个拉力可以看到数值为正值。

以上是我们对静态压力的测量，但数据采集卡更大的优势是，对于瞬时压力的采集。下面我们来试一试，这次将采集卡的采样率调整为10000，使采集卡能对瞬时的压力有较好的反应，其余设置不变。调整画布横坐标为0~30，这样会方便我们观察。更改完成后，用螺丝刀敲击传感器，在画布中可以发现瞬时的压力被捕捉到，以手型工具调整横坐标，我们就可以清晰地看到敲击传感器时，压力的变化情况。