传感器与检测技术---第3章 电阻应变式传感器.pptVIP

3.1 电阻应变片的工作原理 3.3 电阻应变片的测量电路 *3.4 电阻应变式传感器应用 课间休息 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。 此时，电桥不平衡输出电压 设桥臂比R2/R1=n, 由于ΔR1R1, 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） （3 - 31） 即U0与ΔR1/R1近似成线性关系 电桥电压灵敏度KU 定义为 从式（3 - 32）分析发现: ① 电桥电压灵敏度KU 正比于电桥供电电压E, 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, 可保证电桥具有较高的电压灵敏度。 （3 - 32） 解之，得n=1时, KU 为最大值。即当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵敏度最高，此时有 当E值确定后, n取何值时KU 最高？ （3 -33） （3- 35） （3 - 34） 3. 非线性误差及其补偿方法 由式（3 - 31）求出的输出电压是略去分母中的ΔR1/R1项而得出的, 而实际值U0′应为 (3-36) 即U0′与ΔR1/R1是非线性，其非线性误差为 （3 - 37） 如果是四等臂电桥，即R1=R2=R3=R4 （n＝1），则 对于一般应变片来说, 所受应变ε通常在5×10-3以下, 若取K=2, 则ΔR1/R1=Kε=0.01, 代入式（3 - 38）计算得非线性误差为0.5%; 若K=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，可以采用下列措施 ：① 提高桥臂比n。② 利用差动电桥，见图3－6所示。 （3 - 38） 差动电桥又有半桥和全桥之分：在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路（如图3- 6 （a）所示），该电桥输出电压为 （3 - 39） 若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4， 则得 (3－40) 若将电桥四臂接入四片应变片, 如图 3 - 6（b）所示, 即两个受拉应变, 两个受压应变, 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上, 构成全桥差动电路, 若取ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4, 且R1=R2=R3=R4, 则 （3 - 41） 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差, 而且电压灵敏度KU=E，是单片的 4 倍，同时仍具有温度补偿作用。 由式（3 - 40）可知, U0与（ΔR1/R1）呈线性关系, 差动电桥无非线性误差, 而且电桥电压灵敏度KU=E/2，比单臂工作时提高一倍, 同时还具有温度补偿作用。 二、 交流电桥 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂, 为克服此不足，应变电桥多采用交流电桥。图 3 - 7 所示为半桥差动交流电桥得一般形式。由于供电电源为交流电源, 引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性, 即相当于二只应变片各并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗分别为 （3 - 43） 式中C1、C2表示应变片引线分布电容, 由交流电路分析可得  由此可得交流电桥平衡条件是  Z1 Z4 = Z2 Z3 将式（3 - 43）代入式（3 - 45）, 可得 （3 - 45） （3 - 44） （3 - 46） 整理式（3 - 46）得 令实部、虚部分别相等, 并整理可得交流电桥的平衡条件为:  及 （3 -48） 对这种交流电容电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如下图 3 - 8 所示。 若电桥平衡时，取Z1=Z2=Z3=Z4=Z0。当被测应力变化引起Z1= Z0