电阻应变片的测量电路

1、2.4电阻应变片的测量电路2.4.1直流电桥1.平衡条件当尽->8时，电桥输岀电压:E|'|»/ 、卫1+人23 + 4 >(2 - 24)图2-11直流测量电桥当电桥平衡时Qo=O ,所以：/?1人4二人2®或=R3/R4 (2-25)2.电压灵敏度若Ri由应变片替代，当电桥开路时，不平衡 电桥输出的电压为：& +R、+ R2-)=ER3+R4R'Rq R2R3 + Al?7?4(R、+ A7?i + R2)(R3 + R4)j R4R R3E =E(/?! + A/?】+ 人2)(人3 + 人4)(1 +生 | 人2)(1| 鱼)弘心

2、 R3(2-26)设桥臂比力=尽/心由于鸟VV鸟，可得:5"為赞=6(2 27)Sy =(2-28)分析(228)式： 电桥的灵敏度Q正比于供桥电压風 电桥的灵敏度Q是桥臂比的函数。当供桥电压E确定后，由求得12=1时，&为最大。即：在当供桥电压E确定后，当R、=险 尽=尺时, 电桥的灵敏度最高。此时，可分别将(2-26)式、(2-27)式、 (2-28)式简化为：Uo=-E-(2-29)4& J觇2 R、丄E匹(2-30)04 Rx(2-31)结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时, 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。3.非线性误差及其补偿方

3、法(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。II+i+1 +IIK *+IIi+K *+1K *2i3IIU|Uo |oI1IIiK *+2(2)减小或消除非线性误差的方法提高桥臂比从(2-32)式可知，提高桥臂比12可使 非线性误差减小；但电桥电压灵敏度Q 将降低。为了不降低Q,必须适当提高 供桥电压凤§采用差动电桥a.半桥差动替代，且使一个应变片E|图2-12半桥差动电路如果桥臂电阻尽和邻边 桥臂电阻甩都由应变片 受拉，另一个受压，这 种接法称为半桥差动工 作电路。当

4、电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:R、+ A7?|U0 = E j R、+ A7?j + 7?2 A/?2 R3 + R4 丿(2-33)AR =A7?2，R = R” R3 = R4(2-34)结论：Q与力鸟/?1成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度Q=E/2、比使用单只应变片提高了一倍。b全桥差动若满足图2-12全桥差动电路*hR、=J?2 ='Rs =&Ra 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Q虫 是使用单只应变片的4倍,比半桥差动提高了倍O2.4.2交流电桥1.交流电桥平衡条件交流电桥输出电压为:(JZ3 USC=USRN+Z2 Z3+Z

5、4 丿Z1Z4 _ Z2Z30 G(z1+z2)(z3+z4)-ZiZ2图214交流电桥所以桥路平衡条件为:ZjZ4 = Z2Z3, 三二玉 (2-37) 乙乙设各桥臂阻抗为：乙=巧方西=NCXp(j0i) 爲=三方花=qex诫朗 今 方冯=?exp(j03)乙=卩方西=exp(j04)(2-39)得交流电桥平衡条件的另一形式:ZZZ2Z3或:01+ 04= 02十 03(2-40)巧西+好1=家+啦2交流电桥的不平衡状态单臂交流电桥AZ(2-41)半桥差动电路C 勺乌 (2-42)全桥差动电路AZ,Use = 5r(2-43)3.交流电桥的调平方法由于弓I线产生的分布电容的容抗（引线电感忽略

6、）、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。图2J5交流电桥平衡调节1（ R+R2）=【2（人3+人4）P丿SRR22.4.3恒流源电桥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.1.电桥输岀电压与电阻变化量的若右图所示的电路输入 阻抗较高，则有：图214恒流源电桥/ = Z1+Z2二7?3+人4解该方程组得:R、+ 7?2 + R3 + R4二 & + 7?2R、+ 7?2 + R3 + R4输

7、出电压为:_ R =R&4 - R2R32 37?1 + 7?2 + 尺3 + 尺4若电桥初始平衡，且R=R2=R3=R,=R,当第 一桥臂电阻尺变为尺松尺时，电桥输岀电压若满足ARi(2 45)输岀电压与尺成正比，即与被测量成正比。 输岀电压与恒流源供给的电流大小、精度有关, 与温度无关。2.非线性误差使用恒流源的非线性误差为:宀1二Uo 4R + AR观一竺(2-46) 竺 47?4若采用恒压源，非线性误差为:1 A7?2 R2 R2.5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，在硅片上制造岀四 个等值的薄膜电阻，组成电桥。当不受力时， 电桥无电

8、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 压阻效丿：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213中的半导体应变片的工作原理。2.5.2压阻系数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O电阻相对变化量对金属材料对半导体材料压阻系数为：些=丝 + (1 + 2 心(2-11)R P誓=(1 + 2“)£=71(7 =心见咕竺亠竺3(2-47)CF2.影响压阻系数的因素影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和压阻系数与表面杂质浓度弘的关系温度。扩散杂质 浓度傀增加时， 压阻系数就会减 小。压阻系数与 扩散电阻表面杂 质浓度弘的关系 如图。2.5.3固态压阻器件利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到