传感器原理与电路设计第5讲

1、第3章 电阻式传感器 11.05.20151第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用测量电路用途目的：应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件，用于测量微小的机械变化量。机械应变一般都较小，而常规的电阻应变片的灵敏度系数值很小，所以其电阻变化范围小，要把微小的应变引起的微小的电阻变化精确地测量出来，需要采用特别设计的测量电路。解决方法：通常采用直流电桥或交流电桥。测量电路第3章 电阻式传感器 11.05.20152第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路R1R2R4R3EUo1.平衡条件：当RL时(开路)，电桥输出电压为：43321

2、1RRRRRREUo当电桥平衡时，Uo=0，则有： 4321RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。第3章 电阻式传感器 11.05.20153第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路2.电压灵敏度应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为： 341211113443211414332111111)(RRRRR

3、RRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo第3章 电阻式传感器 11.05.20154第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路2.电压灵敏度341211113411RRRRRRRRRREUo设桥臂比n =R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为： ERRnnUo112)1 (电桥电压灵敏度定义为 ：EnnRRUKoU211)1 ( 分析：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，电压越高，灵敏度越高，但供电电压受应变片允许功耗限制，须作适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择n的值，保证电

4、桥具有较高电压灵敏度。第3章 电阻式传感器 11.05.20155第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路2.电压灵敏度当E值确定后，dKU/dn = 0，可求KU的最大值 2410(1)UdKndnn求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有： 4411EKRREUUo结论：当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 第3章 电阻式传感器 11.05.20156第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路3.非线性

5、误差)1 (11111nRRnRRnEUo 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 oU11111RRnRRUUUoooLERRnnUo112)1 (理想情况(略去分母中的R1/R1项)实际情况(保留分母中的R1/R1项)如果桥臂比n=1，则 ：11112LRRRR第3章 电阻式传感器 11.05.20157第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路4.非线性误差减小或消除)1 (11111nRRnRRnEUo提高桥臂比n，可可减小非线性误差消除分母中的R1，可可消除非线性误差，采用差动电桥第3章 电阻式传感器 11.05.20158第5讲GMES 2008目录工

6、作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路4.非线性误差减小或消除半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。该电桥输出电压为： 433221111RRRRRRRRREUo若R1=R2，R1=R2=R3=R4，则得： 112 RREUo可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。第3章 电阻式传感器 11.05.20159第5讲GMES 2008目录工作原理测量电路典型应用直流电桥测量电路4.非线性误差减小或消除全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。该电桥输出电压为： 443333221111RRRRR