2.4 应变式传感器应用
1.基于应变式传感器的高度显示气压计
许多压力传感器都可以用来制作高度显示气压计，下面介绍基于KP100A（PHILIPS公司生产）的高度显示气压计的原理。KP100A的零点温度漂移典型值和满量程时温度漂移典型值都是0.1%/℃。当在25℃±5℃的室温下使用时，将会产生0.5%的温度漂移。
1）KP100A压力传感器简介 KP100A是恒电压驱动的测量绝对压力用的压力传感器。驱动电压为7.5V，是由运算放大器的电源提供的。如果不需要这种温度补偿电路，可以由第1脚（即UB+引出线）提供5V的电压。KP100A压力传感器的测量电路如图2-16所示，图中虚线框内即为KP100A的内部结构。传感器内部的三极管是在恒定输入电压的基础上发挥温度补偿作用的。电桥各桥臂上为应变电阻。
图2-16 KP100A压力传感器的测量电路
KP100A的压力灵敏度为13mV/（V·bar），在7.5V的电压驱动、1bar压力下，若UB+处的电压为5V，则传感器输出电压为
Us=13mV/（V·bar）×5.0V×1bar=65mV（注：1bar=105Pa=1个大气压）
KP100A的不平衡电压最大值为±5mV/V，由于UB+处的电压为5V，因此不平衡电压的最大值为5×5.0=25.0mV。利用电位器RP2进行调整。
图2-17所示的是KP100A本身的输出特性。由图2-17可以看出，在1个大气压条件下，包含不平衡电压在内的输出电压为79mV。在完全真空条件下，输出电压应为0V。但是，实际上由于不平衡电压的存在，此时的电压不为0V。也就是说，完全真空条件下的输出电压就是不平衡电压。从图2-17可以读出，不平衡电压约为10mV。从1bar时的全部输出电压中扣除不平衡电压，就可以得到它的灵敏度为67.3mV/bar。由于完全真空很难达到，通常对应于大气压，施加±0.5bar的压力，然后利用所得线段的斜率推算出完全真空条件下的电压，即为不平衡电压。
图2-17 KP100A的输出特性
在表压压力传感器的情况下，将1个大气压时的信号电压设为0V，很容易调整好不平衡电压。然而，在绝对压力传感器的情况下，不平衡电压的调整多少会有一些麻烦。
2）高度显示气压计实际电路 高度显示气压计的电路图如图2-18所示。传感器所使用的电源采用开关电源TL499A提供7.5V和-1.26V的电压。本例中使用的是干电池，经常使用时，从经济角度考虑，最好使用3～9V整流电源。
运算放大器U2A和U2B将传感器输出的电压转换成电流Iout。Iout=Us/（R4+RP1），该电流经过电阻R5后，再次转换成电压Uout而输出（Uout=Iout×R5）。所以该电路的增益为G=R5/（R4+RP1）。
2.简易吊钩电子秤
这种简易数字式电子秤所用元器件较少，只用7个集成电路、两个晶体管和若干个电容、电阻，用LED数码管显示即可，便于组装。
简易吊钩电子秤的电路图如图2-19所示，传感器选用BLR-1型电阻应变式拉/压力传感器。测量电桥因受重力作用引起的输出电压变化很小，必须对其进行放大。电压放大器由第四代斩波稳零运算放大器ICL7650组成。这是一个差动放大器，其电压放大倍数为100。如果称重量程为2000kg，差动变压器的反馈电阻和分压电阻取值100kΩ是合适的；若量程较小或较大，应适当减小或增大这两个电阻值。电压放大器的输出信号经简单RC滤波后输出到A/D转换器。
图2-18 高度显示气压计的电路图
图2-19 简易吊钩电子秤的电路图
A/D转换器的“基准”电压Vr的值在333～500mV之间（根据满度量程进行调节）。MC14433具有信号溢出端
，当Vx＜Vr，即未超量程时，OR=1，这是正常工作的情况。为了报警超量程，这里设计一个超量程报警电路。选用一个双D触发器CD4013，报警电路只用了一个D触发器，D触发器的时钟由A/D转换器的EOC供给，EOC输出方脉冲，其脉冲宽度约为16400个CLK（第13脚和第14脚），其频率较低，因此当D触发器报警时，眼睛能看到闪烁现象。
当Vx＜Vr即未超量程时，
=1，使D触发器复位，允许七段译码信号输出，显示出被测量值。否则，当Vx＞Vr，即超量程时，
=0，复位信号解除，每接收一次EOC信号，
端状态改变一次，当
端置0时，七段译码器输出为全0，显示屏全暗；当
端置1时，七段译码器有输出，使显示的数字出现闪烁，表示超过允许量限。
端接译码器CD4511的消隐端BI（第4脚），当BI=0时，七段译码器输出为全0，即LED全熄灭；当BI=1时，按输入状态进行译码，因此数码管全亮、全熄地闪烁，以示报警。
本电路由+9V电池供电（也可用工频电源整流供电），但电路中各有源器件的电源设计为5V，而且MC14433和ICL7650也要求±5V电源。+5V电源由集成稳压电路LM7805提供；-5V电源由3CG14B和3DG6B晶体管构成的达林顿管振荡器和倍压整流电路组成。达林顿管的输入由CD4013的另一个D触发器的Q端提供信号，经倍压整流变成约-5V，再输入MC14433的负电源端VEE（第12脚）。
思考与练习
（1）什么是应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？
（2）试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。
（3）应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？
（4）在钢材上粘贴的应变片的电阻变化率为0.1%，钢材的应力为10kg/mm2。试求:
①求钢材的应变。
②当钢材的应变为300×10-6时，粘贴的应变片的电阻变化率为多少？
（5）图2-20所示为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏度系数k=2.05，未受应变时R1=120Ω，当试件受力F时，应变片承受平均应变ε=8×10-4，求:
图2-20 等强度梁测力系统
①应变片电阻值变化量ΔR1和电阻值相对变化量ΔR1/R1。
②将电阻应变片置于惠斯顿电桥，电桥电源电压为直流3V，求电桥输出电压。
（6）惠斯顿电桥存在非线性误差，试说明解决方法。