电阻应变片的测量电路

1、2.4 电阻应变片的测量电路,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 (2-25),2.4.1 直流电桥,2电压灵敏度,若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:,(2-26),设桥臂比n=R2/R1,由于R1R1 ,可得:,分析(2-28)式： 电桥的灵敏度SV 正比于供桥电压E。 电桥的灵敏度SV 是桥臂比的函数。,当供桥电压E 确定后，由,求得n =1时，SV 为最大。即：在当供桥电压E 确定后，当R1= R2、R3= R4 时，电桥的灵敏度最高。,结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，

2、电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。,此时，可分别将（2-26）式、（2-27）式、（2-28）式简化为 ：,（1）非线性误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称为绝对非线性误差； 绝对非线性误差与理想的线性特性曲线 的比称为相对非线性误差，用r 表示。,3非线性误差及其补偿方法,（2-32）, 提高桥臂比 从（2-32）式可知，提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度SV 将降低。为了不降低SV ，必须适当提高供桥电压E。,（2）减小或消除非线性误差的方法, 采用差动电桥 a.半桥差动,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

3、片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。,结论：U0 与R1/R1 成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度SV= E/2 ，比使用单只应变片提高了一倍。,当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：,若 ， 则：,b. 全桥差动 若满足 R1=R2=R3=R4 则输出电压为：,可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度SV=E 是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。,2.4.2 交流电桥,1交流电桥平衡条件,交流电桥输出电压为：,所以桥路平衡条件为：,2. 交流电桥的不平衡状态, 单臂交流电桥, 半桥差动电路, 全桥差动电路,3. 交流电桥的调平方法,由于引线产生的分布电容的

4、容抗(引线电感忽略)、供电电源的频率及被测应变片的性能差异，交流电桥的初始平衡条件和输出特性都将受到严重影响，因此必须对电桥预调平衡。,交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整或阻容调整的方法。,USR,R2,R4,R1,R3,USC,C1,C2,C3,C4,USR,R2,R4,R3,USC,图2-15 交流电桥平衡调节,R1,C3,半导体应变电桥的非线性误差很大，故半导体应变电桥除了提高桥臂比、采用差动电桥等措施外，一般还采用恒流源.,2.4.3 恒流源电桥,若右图所示的电路输入 阻抗较高，则有：,1. 电桥输出电压与电阻变化量的关系,解该方程组得:,输出电压为:,若电桥初始平衡，且R =R2

5、=R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1 变为R1+R1 时，电桥输出电压为：,若满足R1R1 ，则,输出电压与R成正比，即与被测量成正比。 输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，与温度无关。,使用恒流源的非线性误差为：,2. 非线性误差,若采用恒压源，非线性误差为：,2.5 固态压阻式传感器,2.5.1 压阻式传感器的结构与工作原理,用集成电路工艺技术，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，组成电桥。当不受力时，电桥无电压输出；受力时，电桥失去平衡，输出与应力成正比的电压。,压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应：当半导体（单晶硅）材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。详见本书2.1.3中的半导体应变片的工作原理。,2.5.2 压阻系数,对半导体材料,对金属材料,电阻相对变化量,1. 压阻系数的定义,半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数定义为压阻系数。,压阻系数为:,影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩散杂质 浓度NS增加时， 压阻系数就会减 小。压阻系数与 扩散电阻表面杂 质浓度NS的关系 如图。,2. 影响压阻系数的因素,1N-Si膜片 2P-Si导电层 3粘贴剂 4硅底座 5引压管 6Si 保护膜 7引线,2.5.3 固态压阻器件,利用固