传感器及工程应用第3章.ppt

第3章 应变式传感器 3.1 工作原理 3.2 电阻应变片特性 半导体应变片亦由基片、敏感栅和电极引线等部分组成，如图所示。敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电极的金线，基片是绝缘胶膜，带状电极引线一般由康铜箔制成。 弹性敏感元件 在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体随即恢复其原来的尺寸和形状，此种变形称为弹性变形。利用弹性变形进行测量和变换的元件即弹性敏感元件。 弹性敏感元件在传感器技术中有着重要的作用，是设计、分析、应用传感器的基础性工作。 弹性元件材料： 铬钢、锰弹簧钢、合金结构钢、不锈钢等 敏感元件材料： 金属、非金属 金属： 铜-黄铜、康铜、钛青铜、铍青铜； 铁-铁镍合金 铂、铂合金 镍铬合金 非金属： 石英、陶瓷、半导体硅等 结构： 常用的弹性元件结构有梁、柱、筒; 常用的敏感元件膜片、膜盒、弹簧管和、波纹管等。 3.3 电阻应变片的测量电路 3.4 应变式传感器应用 （3-28） 当电桥平衡时, Uo=0, 则有  R1R4 = R2R3  或 （3-29） 式（3 - 29）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。 2. 电压灵敏度 R1为电阻应变片，R2, R3, R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时, 其电阻值变化很小, 电桥相应输出电压也很小, 一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多, 所以此时仍视电桥为开路情况。 当产生应变时, 若应变片电阻变化为ΔR, 其它桥臂固定不变, 电桥输出电压Uo≠0, 则电桥不平衡输出电压为 设桥臂比n = R2/R1, 由于ΔR1 R1, 分母中ΔR1/R1可忽略, 并考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3, 则式（3 - 30）可写为 3-30 电乔电压灵敏度定义为 从式（3 - 32）分析发现: ① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压, 供电电压越高, 电桥电压灵敏度越高, 但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制, 所以要作适当选择;  ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数, 恰当地选择桥臂比n的值, 保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当E值确定后, n值取何值时使KU最高？  由dKU /dn = 0求RU的最大值, 得  （3 -33） 求得n=1时, KU为最大值。这就是说, 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵敏度最高, 此时有  （3 - 34） KU = （3- 35） 从上述可知, 当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电阻阻值大小无关。  3. 非线性误差及其补偿方法 由式（3 - 30）求出的输出电压因略去分母中的ΔR1/R1项而得出的是理想值, 实际值计算为 (3-36) 非线性误差为  γL= 如果是四等臂电桥, R1=R2=R3=R4, 则 γL= 对于一般应变片来说, 所受应变ε通常在5×10-3以下, 若取KU=2, 则ΔR1/R1=KUε=0.01, 代入式（3 - 38）计算得非线性误差为0.5%; 若KU=130, ε=1×１0-3时, ΔR1/R1=0.130, 则得到非线性误差为6%, 故当非线性误差不能满足测量要求时, 必须予以消除。 为了减小和克服非线性误差, 常采用差动电桥如图　3 -