4电阻应变式传感器.ppt

1、检测技术,第四章 电阻式传感器,本章内容简介,电阻应变式传感器是一种典型的结构型传感器，它利用电阻应变效应，将力、力矩、压力等物理量转换为电信号。 电阻应变片是电阻应变式传感器的核心元件。 本章首先介绍电阻应变效应，然后介绍电阻应变片的类型、结构和基本特性。,本章内容简介,电阻应变式传感器最常用的测量电路是电桥，本章对测量电桥的类型、结构和工作原理、特性和应用做了分析。 温度误差是电阻应变式传感器的主要误差，本章对温度误差的产生做了分析，并给出了温度补偿的措施。 作为典型应用，最后介绍了几种最常用的金属电阻应变式力传感器。,教材,胡向东等编著传感器与检测技术 P.2338,5.1 电阻应变效应

2、,电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将力、力矩、压力等物理量转换为电信号的结构型传感器。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,电阻丝受外力作用时，将产生弹性变形和应变，与此同时其电阻值也发生改变，这种现象称为电阻应变效应。 先考虑如图所示的电阻丝的电阻应变效应。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,单根电阻丝的电阻R可用下式表示：,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,当电阻丝受力伸长（或缩短）时，、L、A均发生变化，从而引起电阻值的变化。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,电阻值的变化量dR可通过上式的全微分求得：,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,则电阻值的相对变化量为：,5.1.1 电阻丝

3、的电阻应变效应,为分析方便，假设电阻丝是圆形截面的，截面积Ar2，r为电阻丝的半径，则有,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,令 x称为电阻丝的纵向应变， y称为电阻丝的横向应变。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,由材料力学可知，在弹性范围内，若电阻丝受拉伸，则沿轴向（纵向）伸长，沿径向（横向）缩短，纵向应变与横向应变的关系可表示为：,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,上式中，为电阻丝材料的泊松系数，又称泊松比。 上式中的负号表示横向应变与纵向应变的方向相反。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,综合上面三个式子，可得： 这就是电阻应变效应的表达式。,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,单位应变所

4、引起的电阻相对变化量称为电阻丝的应变灵敏系数，用K表示。 根据上式可得,5.1.1 电阻丝的电阻应变效应,由上式可知，电阻丝的应变灵敏系数受两个因素的影响： 一是因电阻丝几何尺寸改变产生应变而引起的，即（1+2）项，往往称之为几何效应； 二是因受力后电阻丝的电阻率发生变化而引起的，即后面的一项，往往称之为压阻效应。,5.1.2 金属电阻应变效应,对于金属材料，其压阻效应是很小的，可以忽略不计，电阻应变效应主要是几何效应。 因此有 这就是金属电阻应变效应的表达式。,5.1.2 金属电阻应变效应,上式中Ks称为金属电阻丝的应变灵敏系数，表示金属电阻丝受单位轴向应变作用所产生的电阻相对变化量，且有,

5、5.1.2 金属电阻应变效应,对于大多数金属材料，泊松比0.31.3，所以Ks的数值在1.63.6之间。 如康铜，Ks1.92.1；镍铬合金，Ks2.12.3。 对于每一种金属电阻丝，在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏系数Ks保持不变，但超出该范围时Ks值将发生变化。,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,对一块半导体沿某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生一定的变化，这种现象称为半导体的压阻效应。 由半导体理论可知，不同类型的半导体，施加同一方向的载荷，压阻效应不一样；相同类型的半导体，施加不同方向的载荷，压阻效应也不一样。,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,

6、对于某种类型的半导体材料，沿某一轴向施加载荷而产生应力时，它的电阻率的相对变化与作用于材料的轴向应力x成正比，即 式中，x为半导体材料沿受力方向的压阻系数，它是一个与半导体材料和受力方向有关的系数。,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,根据材料力学，轴向应力x与轴向应变x的关系为 式中 E半导体材料的弹性模数。,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,由上面两个式子有 将上式代入应变效应表达式中，得,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,上式中，Ks称为半导体材料的应变灵敏系数，表示半导体材料受单位轴向应变作用时所产生的电阻相对变化量，且有,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,（1+

7、2）项是几何形状变化对电阻相对变化量的影响，其值约为12；后面一项即为压阻效应的影响，其值远大于前面一项，约为50150。 故可略去（1+2）项，因此半导体材料的灵敏系数可表示为：,5.1.3 半导体的压阻效应和压阻系数,半导体材料的电阻应变效应主要是基于压阻效应。 一般的半导体材料的弹性模量E（1.31.9）1011Pa，压阻系数（4880）10-11Pa，故Ks50150。 由此可见，半导体材料的应变灵敏系数远大于金属材料的应变灵敏系数。,5.2 电阻应变片,按材料，电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。,5.2.1 金属电阻应变片,1金属电阻应变片的结构 2金属电阻应变片的类型

8、 3金属电阻应变片的粘贴 4金属电阻应变片的基本特性及主要技术性能参数,1金属电阻应变片的结构,金属电阻应变片的结构如图所示。 由金属电阻材料制成的敏感栅1粘贴在绝缘的基底2上，敏感栅的两端焊接有引出导线4，敏感栅上面粘贴有覆盖层3。,1金属电阻应变片的结构,图所示为金属电阻应变片实物。,1金属电阻应变片的结构,敏感栅是金属电阻应变片的核心，它由金属电阻材料制成。 对金属电阻材料的要求是：应变灵敏系数大，且线性范围宽；电阻率大，且稳定性好；电阻温度系数小；机械强度高，耐疲劳；抗氧化，耐腐蚀；易加工，焊接性能好等。 常用的金属电阻材料有康铜、镍络合金、铁铬铝合金、铂及铂合金等。,1金属电阻应变片

9、的结构,基底的作用是固定敏感栅并使敏感栅与测试件绝缘。 覆盖层起着保护敏感栅的作用。 对基底和覆盖层材料的要求是：抗潮湿，绝缘性能好，线膨胀系数小且稳定，易于粘贴等。 主要有薄纸和由有机聚合物制成的胶质膜。,1金属电阻应变片的结构,引出线用以和外接导线相连。 对引出线的要求是：电阻率小，焊接方便和可靠，耐腐蚀。 一般多采用直径为 0.150.3mm的镀银铜丝和镀锡铜丝。,2金属电阻应变片的类型,金属电阻应变片可按敏感栅的形式来分类，常见的有丝式、箔式和薄膜式三种。,2金属电阻应变片的类型,丝式电阻应变片敏感栅的典型形状，如图所示，由电阻丝绕制而成。 这种应变片具有制造简单、性能稳定、价格便宜、

10、易于粘贴等优点，但由于其圆弧部份参与变形会产生较大的横向效应。,2金属电阻应变片的类型,图所示为另一种丝式电阻应变片的敏感栅，称为短接型应变片，这种应变片是将电阻丝平行安放，两端用较粗的镀银铜线焊接连接。,2金属电阻应变片的类型,这种应变片的横向效应很小，但由于焊点多，在受冲击、振动时焊点容易损坏，制造工艺要求较高。,2金属电阻应变片的类型,箔式电阻应变片的敏感栅如图所示。,2金属电阻应变片的类型,它是通过光刻、腐蚀等工序在基底上制成的一层很薄的金属箔栅，基底和覆盖层多为胶质膜。,2金属电阻应变片的类型,箔式电阻应变片的优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过较大电流，从而增大输出信号

11、，提高灵敏度；可根据测量需要制成任意形状，在制造工艺上能保证敏感栅尺寸准确线条均匀；具有较好的可挠性，有利于粘贴及应变的传递；易加工，适于批量生产，成本低等。,2金属电阻应变片的类型,薄膜应变片是采用真空蒸镀技术在薄的绝缘基片上蒸镀上金属电阻材料薄膜，最后加上保护层制成的，其优点是应变灵敏系数高，允许电流密度大等。,3金属电阻应变片的粘贴,应用时通过粘合剂把应变片粘贴在测试件表面上。 通过粘合剂和基底的传递作用使敏感栅感受测试件表面的变形和应变。 如何使测试件表面的变形和应变准确地传递给敏感栅是应变片测量的关键之一。,3金属电阻应变片的粘贴,粘合剂有多种类型，其使用范围及特点各不相同。 选用粘

12、合剂时要根据应变片材料，测试件材料，应变片的工作条件，如工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性要求，加温加压固化的可能性，粘贴时间长短等因素来考虑。,3金属电阻应变片的粘贴,测量精度与应变片粘贴的质量关系很大。 在粘贴应变片时，必须严格按照粘贴工艺规程进行操作，保证粘贴质量。,4金属电阻应变片的基本特性及主要技术性能参数,（1）几何尺寸与电阻值 （2）应变片的应变灵敏系数 （3）横向效应 （4）最大工作电流,（1）几何尺寸与电阻值,应变片的纵轴线称为灵敏轴线，沿着灵敏轴线的方向称为纵向，垂直于灵敏轴线的方向称为横向。,（1）几何尺寸与电阻值,如图所示，敏感栅在纵向的长度L，称为应变片的标距，

13、也称栅长；敏感栅在横向的宽度b，称为应变片的栅宽；栅长与栅宽的乘积Lb，称为应变片的工作面积。,（1）几何尺寸与电阻值,一般厂家生产的应变片，标距都有一个系列值，最小为0.2mm，最长为300mm。 应变片的工作面积小，有利于减小传感器体积及选择贴片位置，但不利于散热。 因此，应根据需要选择应变片的几何尺寸。,（1）几何尺寸与电阻值,电阻值R0又称为初始电阻值，是指应变片在未粘贴及未受外力作用时，在室温（20）下所测得的电阻值。 定型生产的应变片的电阻值有一个系列值：60、120、350、600、700和1000等。,（2）应变片的应变灵敏系数,应变片粘贴于测试件表面，在其纵向的单向应变x作用

14、下，应变片电阻值的相对变化与应变片所受的纵向应变的比值，称为应变片的应变灵敏系数K，即,（2）应变片的应变灵敏系数,应变片的应变灵敏系数K主要取决于金属电阻丝的应变灵敏系数Ks。 但实验表明，应变片的灵敏系数K恒小于金属电阻丝的灵敏系数Ks。 究其原因，主要有两个：其一是粘结层和基片传递应变有失真；其二是存在横向效应。,（2）应变片的应变灵敏系数,应变片的应变灵敏系数K需通过实验测定。因应变片粘贴到测试件上后不能取下再用，所以应变片出厂时只能在每批产品中抽样测定。 应变片的应变灵敏系数的测定是在特定的实验装置上进行的，测试件材料规定为泊松系数00.285的钢。 厂家通过实验测定所得的应变灵敏系

15、数，称为“标称应变灵敏系数”。,（3）横向效应,测试件受外力作用产生的应变可分解为纵向应变x和横向应变y。 在一般情况下，测试件在外力作用下产生的横向应变y与纵向应变x的符号相反，若纵向应变x为正，则横向应变y为负。,（3）横向效应,设敏感栅两端弯曲部分为半圆弧形，如图所示，则敏感栅可分为中间的纵栅和两端的半圆弧形横栅两部分。,（3）横向效应,应变片粘贴在测试件上，应变片敏感栅的纵栅部分仅受纵向应变x的作用。 若纵向应变x为正，则其电阻值增大。,（3）横向效应,而敏感栅的半圆弧形横栅部分，将受纵向应变x和横向应变y的共同作用。,（3）横向效应,由于横向应变y与纵向应变x的符号相反，在它们的共同

16、作用下，使得敏感栅的半圆弧形横栅部分的电阻值变化要比同长度的电阻丝受纵向应变x的作用所产生的电阻值变化要小，这种现象称为横向效应。,（3）横向效应,由于存在横向效应，在同样的纵向应变x作用下，金属电阻丝绕成应变片时所产生的电阻值变化要比没有绕成应变片的同长度的电阻丝所产生的电阻值变化小。,（3）横向效应,从而使应变片的应变灵敏系数K小于金属丝的应变灵敏系数Ks。,（4）最大工作电流,实际应用中，电阻应变片须接入测量电路，这时就有工作电流通过应变片。 工作电流大，输出信号也大，因而灵敏度高。 但工作电流过大会使应变片过热，使应变灵敏系数发生变化，甚至会烧毁应变片。,（4）最大工作电流,应变片的最

17、大工作电流Im是指允许通过应变片而不影响其工作和性能的最大电流值。 实际应用时，应使工作电流不超过最大工作电流Im。,5.2.2 半导体应变片,金属电阻应变片虽然有很多优点，但却存在一大弱点，就是应变灵敏系数低。 在20世纪50年代中期开始出现了半导体应变片，其应变灵敏系数比金属电阻的约高50100倍，它的出现为电阻应变式传感器的发展开创了新的途径。,5.2.2 半导体应变片,随着微电子技术的发展，20世纪70年代中期又研制出了周边固支的硅膜片一体化固态压阻器件，由于它具有灵敏度高、动态响应好、准确度高、易于微型化和集成化等特点，因而得到广泛的应用，并成为受到人们普遍关注并重点开发的新型传感器

18、。,5.2.2 半导体应变片,半导体应变片是用半导体材料制成敏感栅的应变片，使用时，它与金属电阻应变片一样，利用应变胶粘贴在测试件上。 目前半导体应变片使用最多的材料是是单晶硅半导体。 半导体应变片的种类很多，按制作工艺可分为体型、薄膜型、扩散型等几种。,5.2.2 半导体应变片,应用最多的是体型半导体应变片，它是沿所需的晶向，在硅锭上切出小条作为应变片的敏感栅，亦有制成栅状的，然后在敏感栅上焊接引线而制成，如图所示。,5.2.2 半导体应变片,薄膜型半导体应变片是利用真空蒸镀、沉积技术将半导体材料沉积在带绝缘层的基底上制成。 基底材料有金属箔、玻璃或陶瓷薄片，敏感栅厚度0.1m，敏感栅与基底

19、之间有氧化硅绝缘层，敏感栅有内外引线引出。 这种应变片的灵敏系数一般小于体型半导体应变计，它们的电阻-温度变化曲线的线性较好，灵敏系数随温度变化及热输出也很小。,5.2.2 半导体应变片,扩散型半导体应变片是在半导体材料N型硅的基底上，利用杂质扩散技术，将P型杂质（硼、铝等）扩散到N型硅中，即可形成一层极薄的P型导电膜。 P型导电膜即为敏感栅。P型导电膜往往为条形，称之为P型电阻条。,5.2.2 半导体应变片,根据需要将基底加工成圆膜形、梁形等受力元件，在其上面扩散多条电阻条，便可制成各种不同用途的扩散型半导体应变片，如图所示。,5.2.2 半导体应变片,还可利用集成电路技术把扩散型半导体应变

20、片与补偿、放大及信号转换、电源等电路集成为一体，使传感器向超小型、多功能及智能化方向发展。,5.3 电阻应变式传感器的测量电路,金属电阻应变片K值很小（K2），被测应变LL一般在10-610-3范围内，故电阻应变片的电阻变化（RKR）范围约为51041O1，因而测量电路应当能精确地测量出这样小的电阻变化。 在电阻应变传感器中，最常用的测量电路是电桥。,5.3.1 测量电桥的构成和类型,1测量电桥的构成 2测量电桥的输出电压和平衡条件 3测量电桥的类型,1测量电桥的构成,测量电桥由四个阻抗元件Z1、Z2、Z3、Z4构成，如图所示。 它的一个对角A、C接入电源电压Us，则另一个对角B、D有输出电压

21、UO。,1测量电桥的构成,AC称为电源端，BD称为输出端。 测量电桥的输出端往往接入负载ZL。,2测量电桥的输出电压和平衡条件,根据戴维南定理，任何一个有源两端网络，都可用一个等效电压ETH和一个等效阻抗ZTH串联的等效电路来代替。 因此可将上图简化成图所示的等效电路。,2测量电桥的输出电压和平衡条件,等效电压ETH等于输出端BD开路时的端电压，可由两个支路的分压之差求出，即有,2测量电桥的输出电压和平衡条件,等效阻抗ZTH等于电源端AC短路时输出端BD的阻抗，有,2测量电桥的输出电压和平衡条件,通过负载阻抗ZL的电流IL为 负载阻抗ZL的电压降UL即为输出电压Uo，故有,2测量电桥的输出电压

22、和平衡条件,若测量电桥的负载阻抗ZL足够大，即ZL远大于桥臂阻抗，这时电桥的输出端可视为开路，此时电桥的输出电压近似为等效电压ETH，即,2测量电桥的输出电压和平衡条件,当电桥的四个桥臂阻抗满足某种关系时，电桥的输出电压等于零，这时就称电桥平衡。 为了使电桥的输出为零，即达到电桥平衡，应满足,2测量电桥的输出电压和平衡条件,因 要使电桥平衡，则应满足,2测量电桥的输出电压和平衡条件,上面式子即为电桥的平衡条件。 电桥的平衡条件包括幅值条件和相角条件。 由此可得电桥的平衡条件为：两相对桥臂阻抗的幅值乘积相等，相角和相等。,2测量电桥的输出电压和平衡条件,对于桥臂阻抗为纯电阻的情况，若负载电阻RL

23、远大于桥臂电阻，则电桥的输出电压为,2测量电桥的输出电压和平衡条件,电桥的平衡条件为： 即纯电阻电桥的平衡条件为：两相对桥臂的电阻乘积相等。,2测量电桥的输出电压和平衡条件,由以上可见，电桥平衡条件仅仅是由桥臂各阻抗参数之间的关系确定的，而与电源电压无关。 恰当地选择各桥臂的阻抗参数，可消除电桥的恒定输出，使输出仅与桥臂阻抗参数的变化量有关。,3测量电桥的类型,（1）直流电桥和交流电桥 （2）不平衡电桥和平衡电桥,（1）直流电桥和交流电桥,根据电桥供电电源，测量电桥可分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥由直流电源供电，输出为直流电压或电流； 交流电桥由交流电源供电，输出为交流电压或电流。,（2）

24、不平衡电桥和平衡电桥,根据测量方法，测量电桥可分为不平衡电桥和平衡电桥。,（2）不平衡电桥和平衡电桥,不平衡电桥按偏差法进行测量。 以纯电阻电桥为例，图所示的电桥即为不平衡电桥。,（2）不平衡电桥和平衡电桥,电桥初始状态满足平衡条件。 即R1R3R2R4。 工作时一个或多于一个桥臂电阻随被测量的变化而变化，使电桥失去平衡。,（2）不平衡电桥和平衡电桥,此时电桥输出端BD间有电流通过，使电流表M偏转，这时由电流表M偏转的大小来反映被测量的变化值。,（2）不平衡电桥和平衡电桥,平衡电桥按零位法进行测量。 图所示的电桥即为平衡电桥。 电桥初始状态满足平衡条件。 即R1R3R2R4。,（2）不平衡电桥

25、和平衡电桥,工作时桥臂电阻R1随被测量的变化而变化，使电桥失去平衡，此时电桥输出端BD间有电流通过，使检流计J不指零。,（2）不平衡电桥和平衡电桥,通过调整相邻桥臂可调电阻R2的大小使电桥恢复平衡，使检流计J重新指零。 这时由相邻桥臂电阻R2的大小（即可调电阻R2滑动臂的位置）来反映被测量的变化值。,5.3.2 直流不平衡电桥,1直流不平衡电桥的构成和工作原理 2直流不平衡电桥的工作方式和输出电压 3直流不平衡电桥的输出电流 4直流不平衡电桥的灵敏度 5直流不平衡电桥的非线性 6直流不平衡电桥的特性 7直流不平衡电桥的设计原则 8平衡调零电路,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,直流不平衡电桥的

26、四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，电桥由直流电源Us供电，如图所示。,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,电桥的输出端往往接入放大器。 由于放大器的输入阻抗一般很高，故可认为电桥的负载电阻为无穷大，此时的电桥输出端近似于开路状态，负载电阻上的电压降近似等于电桥的输出电压，这时用电桥的输出电压作为测量电路的输出Uo。,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,为了使输出电压只与因被测量变化而引起的桥臂电阻变化有关，在实测之前应使电桥处于平衡状态，电桥的输出电压UO为零。 为此，应恰当地选择各桥臂电阻的初始值，使桥臂电阻的初始值满足下式： 或,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,令 n称为同一支路的桥

27、臂比，m称为不同支路的桥臂比。,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,当直流电桥各桥臂电阻变化Ri（i1，2，3，4）时，可由下式求得电桥的输出电压,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,将桥臂比代入上式，并考虑到RiRi，可略去Ri的二阶微量，得,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,上式中，ri为各桥臂电阻值的相对变化，即riRiRi（i1，2，3，4）； （1）为引起非线性的系数，称为非线性系数； 称为非线性因子，它的大小反映了电桥输出的非线性程度。,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,非线性因子,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,当每个桥臂电阻变化远小于本身值，即RiRi时，ri0，0，输出电压Uo

28、可近似为：,1直流不平衡电桥的构成和工作原理,由上面式子可见，电桥输出电压Uo可反映桥臂电阻值的变化，因而可以通过测量输出电压Uo来反映桥臂电阻值的变化大小，从而实现对被测量的测量。,2直流不平衡电桥的工作方式和输出电压,根据电桥的桥臂电阻的初始值，直流不平衡电桥可分为等臂电桥、第一对称电桥和第二对称电桥。,（1）等臂电桥,等臂电桥的四个桥臂电阻的初始值相等，即R1R2R3R4R。 等臂电桥的桥臂比n1、m1。 由电桥输出电压和非线性因子的表达式有,（1）等臂电桥,当RiRi时，ri0，0，输出电压Uo可近似为： 实际应用中，等臂电桥有单臂桥、半桥、全桥三种工作方式。,单臂桥,单臂桥，即只有一

29、个桥臂电阻发生变化，其余桥臂电阻不变。 如r1r0，r2r3r40。 在这种工作方式下， r（2+r），12（2+r） 电桥的输出电压为,单臂桥,当桥臂电阻变化很小，即RR，r0时，有,半桥,半桥，即只有相邻两桥臂电阻发生变化，其余桥臂电阻不变。 如r10，r20，r3r40。 在这种工作方式下，（r1r2）（2r1r2），12（2r1r2） 电桥的输出电压为,半桥,当桥臂电阻变化很小， 即RR，r1、r20时，有 若相邻两桥臂电阻发生差动变化， 即r1r2r，这时电桥的输出电压为,全桥,全桥，即四个桥臂电阻都发生变化。 在这种工作方式下，电桥的输出电压为 当桥臂电阻变化很小，即RR ，r1、

30、r2、r3、r40时，电桥的输出电压即为,全桥,若相邻两桥臂电阻发生差动变化，即r1r3r2r4r，这时电桥的输出电压为,（2）第一对称电桥,第一对称电桥，又称输出对称电桥，四个桥臂电阻的初始值中有R1R2R，R3R4R，RR。,（2）第一对称电桥,第一对称电桥的桥臂比n1、m1。 实际应用中，第一对称电桥通常有单臂桥和半桥两种工作方式。 由于第一对称电桥和等臂电桥的桥臂比n都等于1，所以第一对称电桥在这两种工作方式下的输出电压都与等臂电桥相同。,（3）第二对称电桥,第二对称电桥，又称电源对称电桥，四个桥臂电阻的初始值中有R1R4R，R2R3R，RR。 第二对称电桥的桥臂比n1、m1。,（3）

31、第二对称电桥,第二对称电桥通常只有单臂桥一种工作方式，即只有一个桥臂电阻发生变化，其余桥臂电阻不变。 如r1 r0，r2r3r40。 在这种工作方式下，r（1nr），1（1n）（1nr）,（3）第二对称电桥,电桥的输出电压为 当桥臂电阻变化很小，即RR ，r0时，有,3直流不平衡电桥的输出电流,上面讨论的是电桥负载电阻无限大时的情况。 当负载电阻RL为有限值时，负载电阻上的电压降不仅与桥路输出电压有关，而且还与负载电阻的大小有关。 在这种情况下，往往以通过负载电阻的电流IL作为电路的输出Io。,3直流不平衡电桥的输出电流,直流不平衡电桥的等效电路如图所示，图中ETH为电桥的等效电压，它等于电桥

32、的开路输出电压Uo，RTH为电桥的等效内阻。,3直流不平衡电桥的输出电流,由图可求得通过负载电阻RL的电流IL，亦即电路的输出电流Io为：,3直流不平衡电桥的输出电流,当负载电阻RL等于电桥的等效内阻RTH，即RLRTH时，通过负载电阻的电流上有极大值，这种状态称为最佳匹配。 考虑最佳匹配状态，这时电路的输出电流Io为,3直流不平衡电桥的输出电流,设测量前电桥的初始状态满足平衡条件，这时电桥的输出电压Uo0，电路的输出电流Io0。 当电桥桥臂电阻发生变化时，电桥的输出电压Uo0，电路的输出电流Io0。,3直流不平衡电桥的输出电流,可求得电桥的等效电阻RTH为,3直流不平衡电桥的输出电流,当直流

33、电桥各桥臂电阻变化时，电桥的等效电阻RTH将发生变化。 可求得桥臂电阻变化时电桥的等效电阻为,3直流不平衡电桥的输出电流,按上式可分别求得各种工作方式下电桥的等效电阻RTH。 将各种工作方式下的输出电压Uo 和相应的等效电阻RTH代入输出电流表达式，即可求得各种工作方式下的输出电流Io。,4直流不平衡电桥的灵敏度,当直流不平衡电桥的输出端连接电阻很大的负载时，电桥输出端近似于开路状态，负载电阻上的电压降近似等于电桥的输出电压，这时用桥路的输出电压作为测量电路的输出Uo，用电压灵敏度Ku来衡量电桥的测量灵敏度。,4直流不平衡电桥的灵敏度,所谓电压灵敏度Ku是指电桥输出电压的变化量Uo与引起输出电

34、压变化的桥臂电阻相对变化量rRR的比值。 由于测量前电桥的初始状态满足平衡条件，桥路的输出电压Uo即为电桥输出电压的变化量Uo，故有,4直流不平衡电桥的灵敏度,当直流不平衡电桥的输出端连接的负载电阻为有限值时，通过负载电阻的电流即为电路的输出电流Io，这时用电流灵敏度Ki来衡量电桥的测量灵敏度。 所谓电流灵敏度Ki是指电桥输出电流的变化量Io与引起输出电流变化的桥臂电阻相对变化量rRR的比值。,4直流不平衡电桥的灵敏度,由于测量前电桥的初始状态满足平衡条件，桥路的输出电流Io即为电桥输出电流的变化量Io，故有,4直流不平衡电桥的灵敏度,将各种工作方式下的输出电压Uo或输出电流Io代入上面两式，

35、即可求得各种工作方式下的电压灵敏度或电流灵敏度。,5直流不平衡电桥的非线性,（1）直流不平衡电桥的非线性误差 （2）减小非线性误差的方法,（1）直流不平衡电桥的非线性误差,由上面的分析可见，大多数情况下电桥的输出电压Uo或输出电流Io与桥臂电阻相对变化rRR之间的关系是非线性的。 当各个桥臂电阻变化远小于本身值，即Ri Ri时，ri0，这时电桥的输出电压Uo或输出电流Io与桥臂电阻相对变化r之间的关系可近似认为是线性的，这是理想的线性特性。,（1）直流不平衡电桥的非线性误差,实际的非线性特性与理想的线性特性的偏差称为直流不平衡电桥的非线性误差。 非线性误差常以相对误差的形式表示，即非线性误差

36、或,（1）直流不平衡电桥的非线性误差,上面式中，Uo和Io为理想的线性特性时的输出电压和输出电流，Uo和Io为实际的非线性特性时的输出电压和输出电流。,（1）直流不平衡电桥的非线性误差,以等臂电桥单臂桥工作方式为例计算非线性误差的大小。 将桥臂电阻变化远小于本身值这时电桥的输出电压作为Uo，实际的输出电压作为Uo代入上面式子，可得,（1）直流不平衡电桥的非线性误差,设桥臂电阻相对变化r10%，则有 由此可见，一般电桥的非线性误差是比较大的，而且桥臂电阻相对变化r越大，非线性误差就越大。 非线性误差是限制电桥测量范围的一个主要因素，为此应设法减小非线性误差。,（2）减小非线性误差的方法,减小非线

37、性误差的方法主要有： 1）采用差动电桥 2）采用高内阻恒流源电桥,1）采用差动电桥,若电桥相邻两桥臂电阻发生差动变化，即使一个桥臂电阻增大，而相邻的一个桥臂电阻减小，这样的电桥称为差动电桥。,1）采用差动电桥,图所示为差动半桥,1）采用差动电桥,图所示为差动全桥,1）采用差动电桥,由以上分析知，无论是在半桥还是在全桥的工作方式下，相邻两桥臂电阻发生差动变化，且相对变化的绝对值相等，则电桥的输出电压UO或输出电流Io与桥臂电阻相对变化r之间的关系是线性的。,1）采用差动电桥,由于以上分析作了近似处理，加上相邻两桥臂电阻相对变化的绝对值不完全相等，实际的差动电桥仍存在一定的非线性误差，但非线性误差

38、已大为减小。 采用差动电桥不仅可减小非线性误差，而且还可提高灵敏度，在实际测量中应尽可能采用差动电桥。,2）采用高内阻恒流源电桥,通过电桥各桥臂的电流不恒定，也是产生非线性的重要原因。 若电桥采用高内阻恒流源供电，如图所示，则可以大大减小非线性。,2）采用高内阻恒流源电桥,设供桥电流为I0，通过两支路的电流分别为I1和I2。 若负载电阻较大，则有：,2）采用高内阻恒流源电桥,解此方程组，得： 输出电压为：,2）采用高内阻恒流源电桥,设电桥初始处于平衡状态，即R1R3R2R4。 当电桥各桥臂电阻发生变化时，电桥的输出电压为,2）采用高内阻恒流源电桥,当各个桥臂电阻变化远小于本身阻值，即Ri Ri

39、时，ri0，输出电压Uo可近似为： 式中的Uo即为理想的线性特性时的输出电压。,2）采用高内阻恒流源电桥,将上式作为Uo，实际的输出电压作为Uo，可得电桥采用高内阻恒流源供电时的非线性误差,2）采用高内阻恒流源电桥,以等臂电桥单臂桥工作方式为例计算非线性误差的大小。 对于等臂电桥单臂桥工作方式，n1、m1，r1r0，r2r3r40。代入上式得,2）采用高内阻恒流源电桥,设桥臂电阻相对变化r10%，则有 显然，这个计算结果要比采用电压源供电时的非线性误差要小。,6直流不平衡电桥的特性,根据以上分析，可归纳出直流不平衡电桥的以下特性： 电桥电路的输出电压、输出电流和灵敏度与桥臂电阻的相对变化r的大

40、小有关，r越大，则电桥的输出电压或输出电流越大，灵敏度越高。 电桥电路的输出电压与桥臂电阻值无直接关系。,6直流不平衡电桥的特性,参与工作的桥臂越多，则输出电压或输出电流越大，灵敏度越高。 在同样的电源电压Us和桥臂电阻相对变化r下，半桥的输出电压、输出电流和灵敏度约为单臂桥的输出电压、输出电流和灵敏度的两倍；全桥的输出电压、输出电流和灵敏度约为半桥的输出电压、输出电流和灵敏度的两倍。 传感器电路多采用全桥工作方式以提高灵敏度。,6直流不平衡电桥的特性,电桥的电源电压Us越高，则输出电压或输出电流越大，灵敏度越高。 电桥电路可用提高电桥的电源电压来提高灵敏度。 在实际测量中，检测元件通常作为桥

41、臂电阻，电源电压越高，通过检测元件的电流越大，检测元件的耗散功率也越大，因此，电源电压的提高要受到检测元件的允许耗散功率PTg的限制。,6直流不平衡电桥的特性,电桥电源电压Us可按下面式子来确定： 对等臂电桥和第一对称电桥 对第二对称电桥,6直流不平衡电桥的特性,大多数情况下，电桥的输出电压Uo或输出电流Io与桥臂电阻相对变化r之间的关系是非线性的。 r越大，非线性误差就越大。 第一对称电桥的输出电流与桥臂比m有关。m越小，电路的输出电流Io越大。而输出电压与桥臂比m无关。,6直流不平衡电桥的特性,第二对称电桥（单臂桥）的输出电压、输出电流和灵敏度，不仅与r有关，而且与桥臂比n有关。 当n1时

42、，输出电压UO为最大值；当n1时，UO将随着n的增大而减小；当n1时，UO将随着n的减小而减小。 n越小，输出电流Io越大。,6直流不平衡电桥的特性,若相邻两桥臂电阻发生大小相等、符号相同的相对变化时，如r1r2r，则电桥的输出电压Uo或输出电流Io不改变。,7直流不平衡电桥的设计原则,优先采用第一对称电桥（除采用全桥工作方式外）。 第一对称电桥在单臂桥和半桥工作方式下的输出电压与等臂电桥相同，但桥臂电阻选配较等臂电桥方便，且在m1时，在同样的桥臂电阻相对变化r下，输出电流比等臂电桥大。 在同样的桥臂电阻相对变化r下，第一对称电桥产生的非线性误差要比第二对称电桥小。,7直流不平衡电桥的设计原则

43、,若所接负载电阻不大时，应尽可能使负载电阻RL等于或接近于电桥等效内阻RTH，以便得到尽可能大的输出电流。 若采用第一对称电桥，应使桥臂比m取适当小的数值，即使R3、R4适当小些，以使负载电阻上得到较大的输出电流。 尽量采用多臂工作，以提高灵敏度。,7直流不平衡电桥的设计原则,选用较高的电源电压Us，可提高灵敏度，但Us的提高受检测元件的允许功耗PTg的限制。电源电压应按前述公式来确定。 桥臂电阻相对变化r越大，电桥的输出电压Uo或输出电流Io越大，即灵敏度越高，但非线性误差也越大。 电桥的量程（即桥臂电阻相对变化的最大值rmax）受允许的非线性误差的限制。,8平衡调零电路,不平衡电桥在测量前

44、，往往都要求电桥满足电桥平衡条件，即电桥输出为零。 由于受连接导线的电阻的影响，桥臂电阻（检测元件）在起始电阻下电桥并不平衡，因此一般还需设置零点平衡调整电路，以便在测量前，通过调整使电桥输出为零。,8平衡调零电路,对于直流电桥，采用电阻平衡调零。 常用的电阻平衡调零电路有串联电阻平衡调零电路和并联电阻平衡调零电路两种。,8平衡调零电路,串联电阻平衡调零电路如图所示，它是在电桥两桥臂电阻之间接入一可调电阻R5，输出电压由可调电阻R5的滑动触点引出，通过调整R5使电桥输出为零。,8平衡调零电路,可调电阻R5的电阻值可按下式确定： 式中 r1桥臂电阻R1与R2的偏差； r3桥臂电阻R3与R4的偏差

45、。,8平衡调零电路,并联电阻平衡调零电路如图所示，它是在电桥两对角之间接入一可调电阻R5，在另一角与R5的滑动触点之间接入一固定电阻R6，通过调整R5使电桥输出为零。,8平衡调零电路,图所示单独画出电阻平衡调零电路，这里将R5分作R5a和R5b两部分。,8平衡调零电路,利用Y电路转换原理，又可用图所示来等效上图。,8平衡调零电路,由图可见，并联电阻平衡调零电路等效于在桥臂电阻R1和R2上分别并联可调电阻R1a和R2a。,8平衡调零电路,调零能力的大小取决于R6，R6越小，调零能力就越大，但R6太小会给测量带来较大的误差，因此只能在保证测量精确度的前提下，R6尽量选小一些。,8平衡调零电路,R6

46、的值可按下式确定： 式中，r1、r3的含义同上式。 R5的阻值大小可取与R6相同。,5.3.3 交流不平衡电桥,1交流不平衡电桥的构成和输出电压 2交流不平衡电桥与直流不平衡电桥的异同 3交流不平衡电桥的电源 4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,交流不平衡电桥见图所示，它在结构形式上与直流不平衡电桥相似，但由于采用的是交流电源，各个桥臂表现为阻抗性质，输出也为交流。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,交流不平衡电桥的输出电压为 为了使测量前电桥的初始状态满足平衡条件，即输出电压为零，应恰当地选择各桥臂阻抗的初始值，使桥臂阻抗的初始值满足,1交流不平衡电桥的构成

47、和输出电压,令 为同一支路的桥臂比， 为不同支路的桥臂比。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,电桥的输出端往往都连接有负载。 当交流不平衡电桥的输出端连接阻抗很大的负载时，电桥输出端近似于开路状态，负载阻抗上的电压降近似等于电桥的输出电压，这时用桥路的输出电压作为测量电路的输出，用电压灵敏度来衡量电桥的测量灵敏度。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,考虑单臂桥工作方式。 设电桥的负载阻抗为无限大，电桥的一个桥臂阻抗发生变化，如Z1变化了Z，这时电桥的输出电压为 式中，,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,当r较小时，即 上式可近似为 式中， 称为桥臂系数。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,由上

48、式可知，在电源电压Us和桥臂阻抗相对变化量r一定的条件下，要使输出电压Uo增大，必须设法提高桥臂系数K。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,电桥的电压灵敏度 桥臂比n是复数，可用指数形式表示，因此有,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,由上式有 即桥臂比的模n等于同一支路阻抗的幅值比；桥臂比的相角等于同一支路阻抗的相角差。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,桥臂系数K是桥臂比n的函数，也是复数，亦可用指数形式表示，由此有,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,由上式有,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,将K的表达式对n求一阶导数，并令其等于0，可得nl。 即当nl时，K有最大值Km，,1交流不平衡电

49、桥的构成和输出电压,由上式可知，Km随而变。 当0时，cos 1，Km0.25； 当90时，cos 0，Km0.5； 当180时，cos 1，Km，这时电桥一个支路达到谐振。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,要达到谐振，cos 1，意味着桥臂元件必须是纯电感和纯电容，这在实际上是难以做到的，因此Km也不可能达到无限大。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,总之在桥路电源电压Us和桥臂阻抗相对变化量r一定时，欲使电桥电压灵敏度最高，应使nl，即满足相邻两桥臂初始阻抗的模相等，Z1Z2，Z3Z4，并使两桥臂阻抗的相角差尽量大。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,由表达可知，对于不同的值，角随n而变

50、。 当nl时，0； n时，趋于最大值m，并且m等于； 0时，值均为零。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,因此在一般情况下电桥输出电压Uo与电源Us之间有相移，即0； 只有当同一支路桥臂阻抗的幅值相等，即Z1Z2或同一支路桥臂阻抗的相角差0时，无论n为何值，均零，此时输出电压Uo与电源Us同相位。,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,与直流不平衡电桥相同，交流不平衡电桥常采用相邻两桥臂阻抗发生差动变化的半桥工作方式。 设n1，即 相邻两桥臂阻抗发生差动变化， 这时电桥的输出电压为,1交流不平衡电桥的构成和输出电压,当交流不平衡电桥采用差动半桥工作方式时，输出电压约为单臂工作方式时的两倍。,2交流

51、不平衡电桥与直流不平衡电桥的异同,交流不平衡电桥在结构形式上与直流不平衡电桥相似，主要区别在于所采用的电源不同。 由于交流不平衡电桥采用的是交流电源，各个桥臂表现为阻抗性质，输出也为交流。,2交流不平衡电桥与直流不平衡电桥的异同,由以上的分析可见，前面对直流不平衡电桥的讨论，基本上都适用于交流不平衡电桥。 在有关的各个式子中，只要将一些量适当更改即可。 电阻R更改为阻抗 电阻相对变化r更改为阻抗相对变化 输出电压Uo更改为 电源电压Us更改为,2交流不平衡电桥与直流不平衡电桥的异同,在实际测量中，至于是采用直流不平衡电桥还是交流不平衡电桥，主要由检测元件的阻抗性质和使用环境条件来决定。 若检测

52、元件为阻抗元件（即包含有电感、电容），则必须采用交流不平衡电桥； 若检测元件为纯电阻元件，则既可采用直流不平衡电桥，也可采用交流不平衡电桥。,2交流不平衡电桥与直流不平衡电桥的异同,若采用直流不平衡电桥，电源为直流，桥路输出为直流信号，抗干扰性能较好，但必须采用直流放大器，电路较复杂； 若采用交流不平衡电桥，电源为交流，桥路输出为交流信号，可采用交流放大器，电路较简单，但抗干扰性能较差。,3交流不平衡电桥的电源,对于交流不平衡电桥，为了减小桥路的输出受电网电源波动的干扰，一般不采用的50Hz的工频电源，而由振荡器产生一定频率的交变电压作为桥路供电电源。 电源频率可根据检测元件的阻抗大小、频率特

53、性和周围环境条件等因素来决定，一般采用较高的频率。 要求交流电源有足够的功率，在频率、幅值上有相当的稳定性，波形不能产生太大的畸变。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,当电桥采用交流供电时，导线间存在寄生电容，该寄生电容相当于在桥臂阻抗上并联一个电容。 受此寄生电容的影响，使电桥输出产生相移分量，因而降低了电桥的灵敏度。 为了达到电桥零位平衡，需采用零点平衡调整电路。 交流不平衡电桥的零点平衡调整电路常采用电阻电容平衡调零电路和差动电容平衡调零电路。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,电阻电容平衡调零电路中，除使用电阻平衡元件外，还要使用电容平衡元件。 图所示为一种带有电阻电容平衡调零电路

54、的交流不平衡电桥。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,可调电阻R5和固定电阻R6构成电阻平衡调零电路，它的原理在前面已做了介绍。 电阻电容平衡调零电路由可调电阻R5、R7和固定电阻R6及固定电容C7组成。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,通过调整R5、R7中间触点的位置达到零点平衡调整。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,可调电阻R7和固定电容C7构成电容平衡调零电路，可看成由C7与R7a、R7b所组成，如图中的实线电路所示。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,利用Y电路转换原理，可用图中的虚线电路来等效电容平衡调零电路，它由Z1a、Z2a和Z7a三个阻抗所组成。,4交流不平衡电桥的

55、零点平衡调整电路,由图可见，电阻电容平衡调零电路相当于在桥臂阻抗Z1和Z2上分别并联可调电阻R1a及电容C1a和可调电阻R2a及电容C2a。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,改变并联到桥臂上的电阻值和电容值，即可改变桥臂阻抗的阻抗值及相角。,4交流不平衡电桥的零点平衡调整电路,图所示为一种差动电容平衡调零电路，它采用两只固定电容分别与桥臂电阻R1和R2并联，一只精密差动可变电容C3和C4接入AC间，通过调整两个差动电容C3和C4的值达到零点平衡调整。 其原理读者可自行分析。,5.3.4 应变电桥,电阻应变式传感器的测量电桥常称为应变电桥，它是将电阻应变片作为桥臂电阻接入不平衡电桥而构成的。

56、 应变电桥可采用直流不平衡电桥，也可采用交流不平衡电桥，但大多采用交流不平衡电桥。 为提高灵敏度，电阻应变式传感器往往采用两片或四片应变片，构成半桥或全桥差动电桥。,5.3.4 应变电桥,应变电桥的输出电压和负载上通过的电流可按相关公式进行计算，仅需令桥臂电阻的相对变化rK即可。 计算时应注意应变值的符号。,5.4 金属电阻应变式传感器的温度误差及其补偿,5.4.1 温度误差及其产生原因 5.4.2 温度补偿,5.4.1 温度误差及其产生原因,粘贴在测试件上的应变片，由于环境温度的变化，会引起应变片的电阻值随之发生变化。 这种由于环境温度变化而对测量造成的附加误差，称为温度误差，又称热输出。

57、温度误差的产生有下面两个主要原因。,5.4.1 温度误差及其产生原因,由于敏感栅的电阻丝存在电阻温度系数，使敏感栅的电阻值随环境温度的变化而变化。,5.4.1 温度误差及其产生原因,电阻丝的电阻值随温度变化的关系式为 式中 Rt温度为t时电阻丝应变片的电阻值，； R0温度为0时电阻丝应变片的电阻值，； s电阻丝材料的电阻温度系数，l。,5.4.1 温度误差及其产生原因,当环境温度变化t（t2t1）时，电阻丝电阻值的变化量Rt1为,5.4.1 温度误差及其产生原因,由于电阻丝与测试件材料的线膨胀系数的不同，当环境温度变化时，会使电阻丝产生附加变形，从而造成敏感栅的电阻值的变化，如图所示。,5.4

58、.1 温度误差及其产生原因,电阻丝与测试件的长度随温度变化的关系式分别为,5.4.1 温度误差及其产生原因,式中 Lst、Lgt分别为电阻丝和测试件在t时的长度； Ls0、Lg0分别为电阻丝和测试件在0时的长度；,5.4.1 温度误差及其产生原因,g测试件材料的线膨胀系数（1） s电阻丝材料的线膨胀系数（1）。,5.4.1 温度误差及其产生原因,设0时，电阻丝和测试件的长度相等，均为L0。,5.4.1 温度误差及其产生原因,当环境温度变化t时，电阻丝的变形为 测试件的变形为,5.4.1 温度误差及其产生原因,因电阻丝与测试件材料的线膨胀系数的不同而造成的附加变形为,5.4.1 温度误差及其产生

59、原因,由附加变形而产生的附加应变为,5.4.1 温度误差及其产生原因,由附加应变引起的电阻丝电阻值的变化Rt2为 式中 Ks电阻丝的应变灵敏系数。,5.4.1 温度误差及其产生原因,当环境温度变化t时，电阻丝电阻值总的变化为： 式中， 为应变片的电阻温度系数（1）。 越小，温度误差越小。,5.4.2 温度补偿,消除或减小温度误差所采用的方法，称为温度补偿。 温度补偿主要有以下几种方法：,1电桥补偿法,电桥补偿法是利用电桥相邻两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻变化量时，电桥的输出不发生变化这一特性来达到温度补偿的。,1电桥补偿法,图所示是桥路补偿法的原理图。 将两个特性相同的应变片，用同样方法将其中一片（R1）粘贴在测试件上，另一片（R2）粘贴在同样材质的补偿块上，再将它们置于相同的温度环境中。,1电桥补偿法,粘贴在测试件上的应变片R1承受被测应变，称为工作应变片； 粘贴在补偿块上的应变片R2不承受应变，称为补偿应变片。,1电桥补偿法,将两片应变片接在测量电桥的相邻两桥臂上，如图所示。 工程上，一般按R1