電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路

1、 圖1 電子秤平剖圖1 臺面殼體 均壓框架 電阻應(yīng)變片 彈性體 補(bǔ)償電阻 可調(diào)支撐腳 底座 如圖所示，底座通過貼有電阻應(yīng)變片的雙孔型等強(qiáng)度彈性體梁與均壓框架相接，均壓框架用螺釘與殼體相聯(lián)。彈性體是應(yīng)變式力傳感器將力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變量的關(guān)鍵部件。研究結(jié)果表明，雙孔梁彈性體按剛架計算比按平行梁計算精確，而且橋路輸出和載荷之間的線形好、靈敏度高。非線性和靈敏度與豎梁的長度和剛度無關(guān)。由于采用陶材料設(shè)計制作彈性梁，其靈敏度結(jié)構(gòu)系數(shù)不僅取決于彈性體結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)變區(qū)的選擇，而且和陶瓷材料的微結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及機(jī)械強(qiáng)度等因素密切相關(guān)。為此，進(jìn)行了雙孔梁的應(yīng)力分析、抗沖擊載荷分析、額定載荷計量等，并用計算機(jī)進(jìn)行了有限元分

2、析。經(jīng)模擬驗證分析，選用圖1a所示的雙孔梁結(jié)構(gòu)形式。該梁的應(yīng)力分布均勻?qū)ΨQ，其應(yīng)力最大點在彈性梁的最薄偏離兩端處。根據(jù)圖1a所示的結(jié)構(gòu)形式：MWE（1）式中：為應(yīng)變量；M為彎矩；W為抗彎模數(shù)；E為彈性模量。對于這類應(yīng)變式彈性體上的全等臂電橋，其輸出電壓V0和橋壓Vi有如下關(guān)系：V0GFVi（2）式中：GF為應(yīng)變電阻的應(yīng)變系數(shù)。將式（1）代入式（2），可得：V0GFMViWE（3）對于矩形截面，W16bh2式中：b為彈性體承載面寬度；h為彈性體承載梁厚度。由AA剖面分析，負(fù)荷F必須由一對剪力F2與之平衡。若取一應(yīng)變電阻進(jìn)行分析，F(xiàn)2對應(yīng)變電阻中心點的彎距為M0：M0F（L2X）2（4）以式（4）

3、代入式（3），可得：V03F（L2X）GFVibh2E（5）由式（5）可見，雙孔梁的橋路輸出和載荷F之間具有良好的線形，而且靈敏度高。電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路電阻應(yīng)變式傳感器是一種利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將各種力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號的結(jié)構(gòu)型傳感器。電阻應(yīng)變片式電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)，電阻應(yīng)變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結(jié)合彈性元件構(gòu)成力學(xué)量傳感器。導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為R/R后，由于應(yīng)變量及相應(yīng)電阻變化一般都很微小，難以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉(zhuǎn)換電路把應(yīng)變片的R/R變化

4、轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。其轉(zhuǎn)換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導(dǎo)線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強(qiáng)，但因機(jī)械應(yīng)變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，接直流電源E： 圖2.6 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng)電橋輸出端接無窮大負(fù)載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻時，由分壓原理有： = （2.2）當(dāng)滿足條件R1R3=R2R4時，即（2.3）=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應(yīng)變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受的應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。若差動工作，即R

5、1=R-R,R2=R+R,R3=R-R，R4=R+R,按式（2.2），則電橋輸出為 (2.4) 常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很小，約為2，機(jī)械應(yīng)變度約為0.0000010.001，所以，電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍為0.00050.1歐姆。所以測量電路應(yīng)當(dāng)能精確測量出很小的電阻變化，在電阻應(yīng)變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應(yīng)變片電阻，電橋的一個對角線接入工作電壓E，另一個對角線為輸出電壓Uo。其特點是：當(dāng)四個橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。常用的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲

6、應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，本設(shè)計中采用的是電阻絲應(yīng)變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網(wǎng)狀，并貼在絕緣的基片上，電阻絲兩端引出導(dǎo)線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護(hù)作用。電阻應(yīng)變片也會有誤差，產(chǎn)生的因素很多，因此測量時必須要注意。其中溫度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補(bǔ)償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。非

7、線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補(bǔ)償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。 測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，?dāng)應(yīng)變片初始阻值：R1R2R3R4，其變化值R1R2R3R4時，其橋路輸出電壓UoutKE。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改善。前置大器部分經(jīng)由傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換后輸出的信號一般電平較低；經(jīng)由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為此，測量

8、電路中常設(shè)有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件構(gòu)成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號不僅電平低，內(nèi)阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求：1、輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源內(nèi)阻。否則，放大器的負(fù)載效應(yīng)會使所測電壓造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強(qiáng)。3、在預(yù)定的頻帶寬度內(nèi)有穩(wěn)定準(zhǔn)確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲應(yīng)足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。4、能附加一些適應(yīng)特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調(diào)整、方便準(zhǔn)確的量程切換、極性自動變換等。因此放大電路采用儀器放大器，如：AD620

9、，INA114等。此類芯片一般由3個運算放大器組成，其中A1，A2接成射級跟隨器形式，組成輸入阻抗高的差動輸入級，在兩個跟隨器之間的附加電阻Rg具有提高共模抑制比的作用，A3為雙端輸入，單端輸出的輸出級，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要，放大器的增益由電阻RG設(shè)定，典型儀器放大器的增益設(shè)置范圍從1到1000。 以AD620為例，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.8 AD620的內(nèi)部等效圖接口如下圖所示：圖2.9 AD620的接口圖電路的工作原理：A1、A2工作在負(fù)反饋狀態(tài)，其反向輸入端的電壓與同相輸入端的電壓相等。即Rg兩端的電壓分別為Vin+、Vin-。因此 （2.5）設(shè)圖（2.8）中電阻R1=R2=R，則A1

10、、A2兩輸出端的電壓差U12為 （2.6）將式（2.6）代入式（2.5）得 放大器的增益Av為 （2.7）可見，僅需調(diào)整一個電阻Rg，就能方便的調(diào)整放大器的增益。由于整個電路對稱，調(diào)整時不會造成共模抑制比的降低。在接口圖（2.9）中，通過改變可變電阻R3的阻值大小來改變放大器的增益，放大器增益計算公式如下： （2.8）AD620 具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。其最大輸入偏置電流為20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時，可實現(xiàn)11000范圍內(nèi)的任意增益；工作電源范圍為2.318V；最大電源電流為1.3mA；最大輸入失調(diào)電壓為125V；頻帶寬

11、度為120kHz（在G=100時）。AD620 是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個外接電阻即可得到11000范圍內(nèi)的任意增益；2.3V18V的電源電壓；低功耗，最大電源電流1.3mA ，最大輸入失調(diào)電壓125uV，最大溫度漂移1uV/，最大輸入偏移電流20nA；最小共模抑制比93dB（增益=10）；輸入電壓噪聲9nV（1KHz）；0.28uV噪聲 （0.1Hz10Hz）；帶寬120KHz（增益=100）；建立時間15us（0.01%）。AD620的增益是用電阻Rg來決定的，即用引腳1和8之間的阻抗來決定的。使用0.1%1%的電阻，AD620就能提供精確的增益。對G（增益）=1，Rg引腳不連接（即Rg為無窮大）。其他的任何增益可按： 計算。系統(tǒng)電源變壓器？設(shè)計電路時，選用LM317和LM337型號的芯片為核心來設(shè)計電源電路。 LM317特性簡介以及典型應(yīng)用電路如下：特性：可調(diào)整輸出電壓低到 1.25V；保證 1.5A 輸出電流；典型線性調(diào)整率 0.01%；典型負(fù)載調(diào)整率 0.1%；80dB 紋波抑制比；輸出短路保護(hù)；過流、過熱保護(hù)；調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)。典型應(yīng)用電路參考如下：圖3.13 LM