傳感技術(shù)精實(shí)用教案

1、電阻電阻(dinz)(dinz)應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 目前自動(dòng)(zdng)測(cè)力或稱重中應(yīng)用最普遍的是應(yīng)變式傳感器，應(yīng)變式傳感器有下列優(yōu)點(diǎn)： 1.精確度，線性度好，靈敏度高 2.滯后和蠕變都較小，壽命高 3.容易與二次儀表相匹配實(shí)現(xiàn)自動(dòng)(zdng)檢測(cè) 4.結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小應(yīng)用靈活 5.工作穩(wěn)定和保養(yǎng)方便應(yīng)變式傳感器除可用于測(cè)量力參數(shù)外，還可用于測(cè)量加速度，振幅等其他物理量。 電阻(dinz)應(yīng)變式傳感器是利用金屬或半導(dǎo)體的電阻(dinz)應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。第1頁/共70頁第一頁，共71頁。一、工作(gngzu)原理（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下

2、發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。取一根長度為L，截面積為S，電阻率為 的金屬絲，未受力時(shí)其電阻R為.LRS第2頁/共70頁第二頁，共71頁。 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí), 將伸長L, 橫截面積相應(yīng)(xingyng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變, 故引起電阻值相對(duì)變化量為SSLLRR式中L/L是長度相對(duì)變化量, 用應(yīng)變(yngbin)表示LLS/S為圓形電阻絲的截面積相對(duì)(xingdu)變化量, 即 rrSS2第3頁/共70頁第三頁，共71頁。由材料力學(xué)可知(k zh), 在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉力時(shí), 沿軸向伸長, 沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為LLrr式

3、中: 電阻絲材料(cilio)的泊松比, 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。 或)21 (RR)21 (RR第4頁/共70頁第四頁，共71頁。 通常把單位應(yīng)變(yngbin)能引起的電阻值變化稱為金屬電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變(yngbin)所引起的電阻相對(duì)變化量, 其表達(dá)式為012K 0RkR因此(ync)靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響: 受力后材料幾何尺寸的變化(binhu), 即（1+2）; 受力后材料的電阻率發(fā)生的變化(binhu), 即/ 。第5頁/共70頁第五頁，共71頁。 用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，將其貼在被測(cè)對(duì)象表面上。當(dāng)被測(cè)對(duì)象受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通

4、過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，這是用來直接測(cè)量應(yīng)變。 通過彈性敏感元件將位移、力、力矩、加速度、壓力(yl)等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，則可用應(yīng)變片測(cè)量上述各量，而做成各種應(yīng)變式傳感器。( (二二) )應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)及測(cè)量原及測(cè)量原理理第6頁/共70頁第六頁，共71頁。（1）敏感柵 感受應(yīng)變(yngbin)，并將應(yīng)變(yngbin)轉(zhuǎn)換為電阻的變化。敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。（2）基底 絕緣及傳遞應(yīng)變(yngbin)。測(cè)量是應(yīng)變(yngbin)片的基底提高粘結(jié)劑粘在試件上，要求基底準(zhǔn)確地把試件應(yīng)變(yngbin)傳遞給敏感柵。同時(shí)基片絕緣性能要好，

5、否則應(yīng)變(yngbin)片微小電信號(hào)就要漏掉。 由紙薄、膠質(zhì)膜等制成。第7頁/共70頁第七頁，共71頁。（3）粘結(jié)劑 敏感柵與基底、基底與試件、基底與覆蓋層之間的粘結(jié)。（4）覆蓋層保護(hù)作用。防濕、蝕、塵。（5）引線(ynxin)連接電阻絲與測(cè)量電路，輸出電參量。第8頁/共70頁第八頁，共71頁。二、應(yīng)變二、應(yīng)變(yngbin)片的類型和材料片的類型和材料（一）應(yīng)變片的類型和材料1.金屬絲式應(yīng)變片回線式：橫向(hn xin)效應(yīng)較大短接式：克服橫向(hn xin)效應(yīng)金屬絲式應(yīng)變片材料要求第9頁/共70頁第九頁，共71頁。2.金屬(jnsh)箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為0.003

6、0.01mm電阻箔材，利用照相制版(zho xing zh bn)或光刻技術(shù)，制成各種需要的形狀。優(yōu)點(diǎn)：可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵；與被測(cè)件粘結(jié)面積大；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；橫向效應(yīng)小；蠕變和機(jī)械滯后(zh hu)小，壽命長。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大第10頁/共70頁第十頁，共71頁。3.金屬(jnsh)薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成(xngchng)厚度在0.1微米以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后再加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大。存在問題：溫度穩(wěn)定性差(二)應(yīng)變片的粘貼 應(yīng)變片是用粘合劑粘貼到被測(cè)件上的。粘合劑形成

7、(xngchng)的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將披測(cè)件應(yīng)變傳進(jìn)到敏感柵上。粘合劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應(yīng)變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)，線性以及它們受溫度變化影響的程度。對(duì)粘合劑和粘貼工藝有嚴(yán)格要求第11頁/共70頁第十一頁，共71頁。 電路的作用：將電阻(dinz)的變化量轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 通常采用直流電橋和交流電橋。 一、 直流電橋 1. 直流電橋工作原理 三、轉(zhuǎn)換(zhunhun)電路第12頁/共70頁第十二頁，共71頁。直流電橋電路(dinl)如圖所示，它的四個(gè)橋臂由電阻1,2,3,4R R R R組成(z chn)AC端接(dun ji)直流電壓UBD端輸出電壓0U一

8、般情況橋路應(yīng)接成等臂電橋,輸出為零。這樣無論哪個(gè)橋臂上受到外來信號(hào)作用后，橋路都將失去平衡，就會(huì)有信號(hào)輸出。第13頁/共70頁第十三頁，共71頁。電橋輸出端接入輸入阻抗很高的指示儀表或放大器時(shí)，可認(rèn)為電橋負(fù)載為無窮大，電橋輸出端相當(dāng)于開路，只能輸出電壓信號(hào)(xnho)，稱為電壓輸出。此時(shí)，橋路的電流為：112UIRR234UIRRAB之間和CD之間的電位差分別(fnbi)為：11ABUI R23ADUI R第14頁/共70頁第十四頁，共71頁。01123ABADUUUI RI R314231012341234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR311234URURRRRR空載(k

9、n zi)輸出當(dāng)電橋(din qio)平衡時(shí), Uo=0, 則有 R1R4 = R2R3 或4321RRRR電橋(din qio)平衡條件：相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等, 或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。第15頁/共70頁第十五頁，共71頁。電橋接入的是電阻應(yīng)變片時(shí)，即為應(yīng)變橋。當(dāng)一個(gè)(y )橋臂、兩個(gè)橋臂乃至四個(gè)橋臂接入應(yīng)變片時(shí)，相應(yīng)的電橋?yàn)閱伪蹣?、半橋和全臂橋?不平衡直流電橋的工作原理及電壓靈敏度 當(dāng)電橋后面(hu mian)接放大器時(shí)，放大器的輸入阻抗很高，比電橋輸出電阻大很多，可把電橋輸出端看成開路。R1為電阻(dinz)應(yīng)變片，RL 。311401123411234()()()RRR RUU

10、URRRRRRRRRR第16頁/共70頁第十六頁，共71頁。413113124113(1)(1)RRRRUR RRRRRRR同除以 設(shè)橋臂比n = R2/R1, 分母中R1/R1可忽略(hl)。 由電橋平衡條件R2/R1= R4/R3。 1021(1)RnUUnR電橋(din qio)電壓靈敏度定義為0211(1)UUnKURnR第17頁/共70頁第十七頁，共71頁。 提高靈敏度的措施 提高供電電源的電壓(diny)U（在功耗允許的范圍內(nèi)） n=1 R1=R2=R3=R4由dKU /dn = 0求KU的最大值, 得0)1 (132nndndKU n=1時(shí), KU為最大值。 當(dāng)R1=R2=R3=

11、R4時(shí), 電橋電壓(diny)靈敏度最高, 此時(shí)有第18頁/共70頁第十八頁，共71頁。1044URUURUK得出(d ch)單臂電橋電橋輸出為04UUK直流電橋(din qio)的優(yōu)點(diǎn)：高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋(din qio)調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小等。第19頁/共70頁第十九頁，共71頁。 （二）電橋的非線性誤差(wch)單臂橋?qū)嶋H輸出為：非線性誤差(wch)為11011(1)(1)RnRUURnnR 11110001RRnRRUUUL對(duì)于(duy)對(duì)稱電橋，n=1KKRRRRL211212121111第20頁/共70頁第二十頁，共71頁。（1）采用差動(dòng)電橋

12、減小非線性誤差試件上安裝兩個(gè)(lin )應(yīng)變片，R1 受拉，R2受壓。接入電橋相鄰橋臂, 則電橋輸出電壓為 對(duì)于一般應(yīng)變片來說, 所受應(yīng)變通常在510-3以下, 若取KU=2, 則R1/R1=KU=0.01, 代入式（3 - 38）計(jì)算得非線性誤差(wch)為0.5%; 若KU=130, =10-3時(shí), R1/R1=0.130, 則得到非線性誤差(wch)為6%, 故當(dāng)非線性誤差(wch)不能滿足測(cè)量要求時(shí), 必須予以消除。 3110112234()RRRUURRRRRR第21頁/共70頁第二十一頁，共71頁。如果(rgu)R1=R2, R1=R2, R3=R4, 則得1012RUUR結(jié)論(j

13、iln)：差動(dòng)電橋消除了非線性誤差，靈敏度比單臂電橋提高了一倍。且具有溫度補(bǔ)償作用。全橋差動(dòng)電路(dinl)：R1R4受拉應(yīng)變, R2R3兩個(gè)受壓應(yīng)變, 將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上第22頁/共70頁第二十二頁，共71頁。3311011223344()RRRRUURRRRRRRR101RUURUKU 結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度為單臂橋的4倍，消除了非線性誤差，且具有溫度(wnd)補(bǔ)償作用。若R1=R2=R3=R4, 且R1=R2=R3=R4, 則(2)采用(ciyng)恒流源電橋減小非線性誤差第23頁/共70頁第二十三頁，共71頁。(二)交流電橋當(dāng)被測(cè)量為動(dòng)態(tài)量時(shí)，應(yīng)變電橋(din qio

14、)采用交流電橋(din qio)。 由于供橋電源為交流電源, 引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性, 相當(dāng)于二只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容, 則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為 11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ )()(432132410ZZZZZZZZUU輸出電壓第24頁/共70頁第二十四頁，共71頁。 要滿足(mnz)電橋平衡條件, 即U0=0, 則有 Z1 Z4 = Z2 Z3 將Z1 、Z4 、 Z2、 Z3值代入得3222411111RCjwRRRCjwRR 整理(zhngl)上式得24241313CjwRRRCjwRRR第25頁/共70頁第二十五頁，共71

15、頁。交流電橋的平衡條件為 3412RRRR2112CCRR結(jié)論： 交流電橋除了要滿足電阻(dinz)平衡條件外, 還必須滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻(dinz)平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。第26頁/共70頁第二十六頁，共71頁。當(dāng)被測(cè)應(yīng)力(yngl)變化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0Z變化時(shí), 則電橋輸出為：0001()22ZZUUZ第27頁/共70頁第二十七頁，共71頁。交流電橋平衡(pnghng)調(diào)節(jié)第28頁/共70頁第二十八頁，共71頁。四、溫度誤差(wch)及其補(bǔ)償環(huán)境溫度變化時(shí)，敏感柵電阻(dinz)隨溫度的變化引起 的誤差。環(huán)境溫度變化時(shí)，試件材料的線膨脹引起(y

16、nq)的誤差第29頁/共70頁第二十九頁，共71頁。 1. 應(yīng)變片的溫度誤差 由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來的附加誤差， 稱為應(yīng)變片的溫度誤差。 產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。 1) 電阻溫度系數(shù)的影響(yngxing) 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 第30頁/共70頁第三十頁，共71頁。式中: Rt溫度(wnd)為t時(shí)的電阻值； R0溫度(wnd)為t0時(shí)的電阻值； 0溫度(wnd)為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度(wnd)系數(shù)； t溫度(wnd)變化值，t=t-t0。 當(dāng)溫度(wnd)變化t時(shí)，電阻絲電阻的變化值為： R=Rt-R0

17、=R00t 第31頁/共70頁第三十一頁，共71頁。 2) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)，不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由(zyu)狀態(tài)一樣，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。 設(shè)電阻絲和試件在溫度為0時(shí)的長度均為l0, 它們的線膨脹系數(shù)分別為s和g，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 第32頁/共70頁第三十二頁，共71頁。 當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻(dinz)絲產(chǎn)生的附加變形l、附加應(yīng)變和附加電阻(di

18、nz)變化R分別為 tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(000000第33頁/共70頁第三十三頁，共71頁。由于溫度(wnd)變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對(duì)變化量為 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)(yugun)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0, 0, s）以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)g有關(guān)(yugun)。 第34頁/共70頁第三十四頁，共71頁。 2. 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法 電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 1) 線路補(bǔ)償法 電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。

19、圖 (a)是電橋補(bǔ)償法的原理圖。電橋輸出(shch)電壓Uo與橋臂參數(shù)的關(guān)系為： Uo=A(R1R4-RBR3) 第35頁/共70頁第三十五頁，共71頁。式中, A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知， 當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反(xingfn)。 利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。 測(cè)量應(yīng)變時(shí)，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變, 如圖 (b)所示。 當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有 0)(341RR

20、RRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 選取(xunq)橋臂電阻。 第36頁/共70頁第三十六頁，共71頁。圖 電橋(din qio)補(bǔ)償法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工作應(yīng)變片；RB補(bǔ)償應(yīng)變片F(xiàn)FU第37頁/共70頁第三十七頁，共71頁。 當(dāng)溫度升高或降低t=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡(pnghng)狀態(tài)， 即 0)()(3411RRRRRRAUBtBto若此時(shí)被測(cè)試件有應(yīng)變的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量R1=R1K，而補(bǔ)償片因不承受(chngshu)應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量， 此時(shí)電橋輸出電壓為 KRAR

21、Uo41由上式可知，電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變有關(guān)(yugun)， 而與環(huán)境溫度無關(guān)。 第38頁/共70頁第三十八頁，共71頁。 應(yīng)當(dāng)指出，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，上述分析過程必須滿足以下4個(gè)條件： 在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。 R1和RB兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度(wnd)系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。 粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。 兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度(wnd)場(chǎng)。 第39頁/共70頁第三十九頁，共71頁。 2) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償(bchng)法 這種溫度補(bǔ)償(bchng)法是利用自身具有溫度補(bǔ)償(bc

22、hng)作用的應(yīng)變片(稱之為溫度自補(bǔ)償(bchng)應(yīng)變片)來補(bǔ)償(bchng)的。根據(jù)溫度自補(bǔ)償(bchng)應(yīng)變片的工作原理， 可由式（3-27）得出，要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償(bchng)，必須有 )(00sgK 上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料， 即其電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)s，滿足(mnz)式，則不論溫度如何變化，均有Rt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?第40頁/共70頁第四十頁，共71頁。二、 電阻應(yīng)變(yngbin)片的測(cè)量電路 直流電橋(din qio) 1. 直流電橋(din qio)平衡條件 電橋(din qio)電路如圖所

23、示，圖中E為電源電壓，R1、R2、R3及R4為橋臂電阻，RL為負(fù)載電阻。 當(dāng)RL時(shí)，電橋(din qio)輸出電壓為 433211RRRRRREUo第41頁/共70頁第四十一頁，共71頁。當(dāng)電橋(din qio)平衡時(shí)，Uo=0，則有 R1R4=R2R3或 4321RRRR 式為電橋平衡條件。 這說明欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對(duì)(xingdu)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 第42頁/共70頁第四十二頁，共71頁。圖 直流電橋 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo第43頁/共70頁第四十三頁，共71頁。 2. 電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小

24、，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路(kil)情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為 第44頁/共70頁第四十四頁，共71頁。341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo第45頁/共70頁第四十五頁，共71頁。 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于(yuy)R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3， 則式 可寫為 ERRnnUo112)1 ( 電橋(din qio)電壓靈敏度定

25、義為 EnnRRUKoU211)1 ( 第46頁/共70頁第四十六頁，共71頁。 從式分析發(fā)現(xiàn)： 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓， 供電電壓越高， 電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇； 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有(jyu)較高的電壓靈敏度。 當(dāng)E值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高。 第47頁/共70頁第四十七頁，共71頁。由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1時(shí)，KU為最大值。這就是說，在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋(din qio)電壓

26、靈敏度最高，此時(shí)有 4411EKRREUUo從上述可知，當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量R1/R1一定時(shí)， 電橋的輸出(shch)電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。 第48頁/共70頁第四十八頁，共71頁。 3. 非線性誤差及其補(bǔ)償方法 式 是略去分母中的R1/R1項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成正比的理想(lxing)情況下得到的，實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算， 即 )1 (11111nRRnRRnEUo 與R1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為 oU11111RRnRRUUUoooL第49頁/共70頁第四十九頁，共71頁。如果是四等(s dn)臂電橋，R1=R2=R3=R4，即n

27、=1， 則 1111212RRRRL對(duì)于一般應(yīng)變(yngbin)片來說，所受應(yīng)變(yngbin)通常在5000以下，若取KU=2，則R1/R1=KU=0.01，代入式計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若KU=130，=1000時(shí)，R1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。 第50頁/共70頁第五十頁，共71頁。 為了減小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋如圖所示， 在試件上安裝兩個(gè)工作(gngzu)應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變， 接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路， 如圖 (a) 所示。 該電橋輸出電壓為 433221111RRRRRRRRR

28、EUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，則得 112 RREUo由式可知，Uo與R1/R1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無非線性誤差，而且(r qi)電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍，同時(shí)還具有溫度補(bǔ)償作用。 第51頁/共70頁第五十一頁，共71頁。 若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，如圖 （b）所示，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)(xingdu)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，則 EKRREUUo11 此時(shí)全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍，同時(shí)仍具有溫度(wnd)補(bǔ)償作用。 第52頁/

29、共70頁第五十二頁，共71頁。圖 差動(dòng)電橋(din qio) R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4第53頁/共70頁第五十三頁，共71頁。 交流電橋 根據(jù)直流電橋分析可知，由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。 圖 為半橋差動(dòng)交流電橋的一般形式， 為交流電壓源， 由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容，則每一橋臂上復(fù)阻抗分別為 U第54頁/共70頁第五十四頁，共71頁。44312222111111RZ

30、RZCRjRZCRjRZ式中, C1、C2表示應(yīng)變(yngbin)片引線分布電容。 第55頁/共70頁第五十五頁，共71頁。圖 交流電橋 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)第56頁/共70頁第五十六頁，共71頁。由交流電路分析(fnx)可得 )(43213241ZZZZZZZZUUo要滿足(mnz)電橋平衡條件，即Uo=0，則有 Z1Z4=Z2Z3 取Z1=Z2=Z3=Z4，可得 3222411111RCRjRRCRjR第57頁/共70頁第五十七頁，共71頁。整理(zhngl)得 24241313CRjRRCRjRR其實(shí)部、虛部分別相等(xingdng)，并整理可

31、得交流電橋的平衡條件為 3412RRRR及 2112CCRR第58頁/共70頁第五十八頁，共71頁。R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD圖 交流電橋平衡(pnghng)調(diào)節(jié)第59頁/共70頁第五十九頁，共71頁。 當(dāng)被測(cè)應(yīng)力變化引起(ynq)Z1=Z10+Z, Z2=Z20-Z變化時(shí)（且Z10=Z20=Z0），則電橋輸出為 00021212ZZUZZZUUo第60頁/共70頁第六十頁，共71頁。壓阻式傳感器壓阻式傳感器壓阻效應(yīng)：固體受到作用力后，電阻率就要

32、發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體壓阻式傳感器的分類：粘貼式應(yīng)變(yngbin)片擴(kuò)散硅型壓阻傳感器特點(diǎn)：靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率影響高，體積小。主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等第61頁/共70頁第六十一頁，共71頁。一、半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及工作(gngzu)原理 1、半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作與結(jié)構(gòu)制作材料用單晶硅、鍺。P型單晶硅結(jié)構(gòu)如圖。在直角坐標(biāo)系中它有許多晶軸方向，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沿不同晶軸方向壓阻系數(shù)相差很大（電阻率變化相差很大）。第62頁/共70頁第六十二頁，共71頁。2、工作原理壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體沿某一軸向受到應(yīng)力而產(chǎn)生(chnshng)應(yīng)變時(shí)，其電阻率發(fā)生變化，此現(xiàn)象為壓阻效應(yīng)。 一、基本工作原理(12 )RlRl半導(dǎo)體電阻率的變化(binhu)為：llelEl 第63頁/共70頁第六十三頁，共71頁。半導(dǎo)體電阻材料有結(jié)晶的硅和鍺，摻入雜質(zhì)形成P型和N型半導(dǎo)體。當(dāng)硅膜比較薄時(shí)，在應(yīng)力(yngl)作用下的電阻相對(duì)變化為：lleeleleRR 縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力第64頁/共70頁第六十四頁，共71頁。二、溫度(wnd)誤差及其補(bǔ)償 壓阻式傳感器受到溫度影響后，要產(chǎn)生零位漂移(pio y)和靈敏度漂移(pio y)，因而會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。 傳感器靈敏度的溫漂是由