2010年-15-16 应变式传感器2.pptVIP

15-16 学时第2章 电阻式传感器原理与应用(2) 1.电阻应变片的测量电路 2.应变式传感器的应用 本学时主要讲解内容： 工程测试技术 1.概述: 应变片作为转换元件可把有用的应力的变化转换成电阻的变化,但为了能够显示被测量的大小,还必须由测量电路将电阻的变化转换成电压或电流的变化。应变式传感器的测量电路就是完成这一任务的。它的测量电路一般采用测量电桥电路来完成. 由于电桥电路输出信号很微弱，所以大部分传感器的电桥输出端要与直流放大器相连，例下图： 一.电阻应变片的测量电路 2.直流平衡电桥的基本工作原理 0 设电桥各臂的电阻分别为 R1， R2 ，R3， R4，它们可以全部或者部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大得多，因此可将电桥的输出看成是开路，这种电桥称为电压输出桥，若采用直流供电，则称为直流平衡电桥。 1)平衡条件：当RL→∞时，电桥输出电压: 当电桥平衡时,U0=0，所以:R1 R4 = R2 R3 或 R1/R2 =R3/R4 (2) 上式称为直流电桥平衡条件,它说明欲使电桥平衡,其相邻二臂的比值应相等. 而电桥的四臂中任一电阻可用应变片代替. 2.应变片的几种不同接法的电压灵敏度 (1) 如果桥臂中的R1由应变片替代，其它为固定电阻，如下图所示: E RL R2 R4 R1+ΔR1 R3 U0 图1 直流测量电桥 当电桥开路时，由前面分析可知: 受应变时,其电阻变化为ΔR1,此时不平衡电桥输出的电压为: (2) 另由于ΔR1R1 ,(例初始电阻值120Ω的应变计,受到1000微应变时,其电阻变化仅为0.24Ω), 可略去分母中的 设桥臂比n=R2/R1,考虑到起始平衡条件 则上式可为: 将(3)式改写成: 令(4)式中KV为电桥的电压灵敏度. 分析(4)式可得如下结论： ①电桥的灵敏度KV 正比于供桥电压U ②电桥的灵敏度KV 是桥臂比的函数 当供桥电压U 确定后，由 求得n =1时，电压灵敏度KV 为最大。即：在当供桥电压U 确定后，当R1= R2、R3= R4 时，电桥的灵敏度最高。 根据这种对称形式,可将(4)式简化为: 结论： 1) KV愈大, 说明应变计电阻相对变化相同 的情况下, 电桥输出电压愈大,电桥愈灵 敏。 2) 欲提高KV, 必须提高电源电压, 但它受 应变计允许功耗的限制 3)选择适当的桥臂比n.下面来讨论一下. 前面分析到n=1 时, KV 为最大。 这就是说, 在电桥电压一定, 当R1= R2, R3 = R4时, 电桥的电压灵敏度最高。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。而R1 = R3, R2 = R4则称为电桥的第二种对称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度, 第二种对称形式线性较好,等臂电桥是其中的一个特例. 由(5)式可知,当电源电压及电阻相对变化一定时, 电桥的输出电压及其电压灵敏度将与各桥臂阻值的大小无关。  2)非线性误差 因为: 但实际输出电压为: 则电桥输出电压的相对非线性误差为: (3)式可看成处理后的理想的输出电压,可简化为: 从上式可看出, ΔR1越大,相对误差越大. a)提高桥臂比 从以上分析可看出, 要减小非线性误差必须使ΔR1R1 , 3)电桥的非线性误差补偿方法 提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度KV 将降低。为了不降低KV ，必须适当提高供桥电压U。 (2)如果桥臂中的R1, R2由应变片替代，即采用半桥差动电桥,如下图: U RL R2-ΔR2 R4 R1+ΔR1 R3 U0 图2-12 半桥差动电路 如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。 R2 当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为： 若 化简得： 即整理如下： 结论：由于没有省略项，所以U0 与ΔR1/R1 成线性关系，半桥差动无非线性误差；电压灵敏度KV= U/2 ，比使用单只应变片提高了一倍。 所以： (3)如果桥臂电阻都由应变片替代，即全桥差动 即满足 ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 则同理，推算出输出电压为： 可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度KV=U 是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。 U RL R2-ΔR2 R4+ΔR4 R1+ΔR1 U0 图2-12 全桥差动电路 R3 -ΔR3 二.应变式传感器的应用举例 1.柱式力传感器 图1 柱式力传感器 F F 面积A -ε1 +ε2 -ε2 +ε1 截面积A F (a)实