应变式传感器应用举例

应变式传感器应用举例第一页，共二十五页，2022年，8月28日2．电压灵敏度若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为:(2-26)第二页，共二十五页，2022年，8月28日设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1<<R1,可得:分析(2-28)式：①电桥的灵敏度SV正比于供桥电压E。②电桥的灵敏度SV

是桥臂比的函数。第三页，共二十五页，2022年，8月28日当供桥电压E确定后，由求得n=1时，SV为最大。即：在当供桥电压E确定后，当R1=R2、R3=R4

时，电桥的灵敏度最高。第四页，共二十五页，2022年，8月28日结论：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。此时，可分别将（2-26）式、（2-27）式、（2-28）式简化为：第五页，共二十五页，2022年，8月28日（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。

3．非线性误差及其补偿方法第六页，共二十五页，2022年，8月28日（2-32）第七页，共二十五页，2022年，8月28日①提高桥臂比从（2-32）式可知，提高桥臂比n可使非线性误差减小；但电桥电压灵敏度SV

将降低。为了不降低SV

，必须适当提高供桥电压E。

（2）减小或消除非线性误差的方法第八页，共二十五页，2022年，8月28日②采用差动电桥a.半桥差动

图2-12半桥差动电路ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电阻R2都由应变片替代，且使一个应变片受拉，另一个受压，这种接法称为半桥差动工作电路。第九页，共二十五页，2022年，8月28日结论：U0与ΔR1/R1

成线性关系，差动电桥无非线性误差；电压灵敏度SV=E/2，比使用单只应变片提高了一倍。当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：若，则：第十页，共二十五页，2022年，8月28日b.全桥差动若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4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SV=E

是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了一倍。ERLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0图2-12全桥差动电路R3-ΔR3第十一页，共二十五页，2022年，8月28日2.4.2交流电桥

1．交流电桥平衡条件

交流电桥输出电压为：

所以桥路平衡条件为：USRZ2Z4Z1Z3USC图2-14交流电桥~第十二页，共二十五页，2022年，8月28日设各桥臂阻抗为:

Z1=r1+jx1

=z1exp(jφ1)

Z2=r2+jx2=z2exp(jφ2)Z3=r3+jx3=z3exp(jφ3)Z4=r4+jx4

=z4exp(jφ4)(2-38)

得交流电桥平衡条件的另一形式：

z1z4=z2z3

φ

1+φ

4=φ

2+φ

3或：

r1r4-r2r3=x1x4-x2x3

r1x4+r4x1=r2x3+r3x2

(2-39)(2-40)第十三页，共二十五页，2022年，8月28日2.交流电桥的不平衡状态①单臂交流电桥②半桥差动电路③全桥差动电路第十四页，共二十五页，2022年，8月28日3.交流电桥的调平方法由于引线产生的分布电容的容抗(引线电感忽略)、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。第十五页，共二十五页，2022年，8月28日直流电桥的调平方法（a）（b）（c）WR2R3R4R1W2R2R3R4R1W1WR2R1R3R4第十六页，共二十五页，2022年，8月28日图2-15交流电桥平衡调节USRR2R4R1R3USC~C1C2C3C4USRR2R4R3USC~R1第十七页，共二十五页，2022年，8月28日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.2.4.3恒流源电桥

IR2R4R1R3USC图2-14

恒流源电桥←I1I2若右图所示的电路输入阻抗较高，则有：I1(R1+R2)=I2(R3+R4)I=I1+I21.电桥输出电压与电阻变化量的关系第十八页，共二十五页，2022年，8月28日解该方程组得:输出电压为:第十九页，共二十五页，2022年，8月28日若电桥初始平衡，且R

=R2=R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1

变为R1+ΔR1

时，电桥输出电压为：若满足ΔR1<<R1

，则输出电压与ΔR成正比，即与被测量成正比。输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，与温度无关。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日使用恒流源的非线性误差为：2.非线性误差若采用恒压源，非线性误差为：第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日2.5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，在硅片上制造出四个等值的薄膜电阻，组成电桥。当不受力时，电桥无电压输出；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应：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。详见本书中的半导体应变片的工作原理。第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日2.5.2

压阻系数对半导体材料对金属材料电阻相对变化量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压阻系数。压阻系数为:第二十三页，共二十五页，2022年，8月28日影响压阻系数因素：扩散电阻的表面杂质浓度和温度。扩散杂质浓度NS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NS的关系如图。2.影响压阻系数的因素

120140100806040201018101910201021表面杂质浓度NS(cm-3)P型Si(πl)N型Si(-πl)

πl(×10-11m2/N)T=24℃压阻系数与表面杂质浓度NS的关系第二十四页，共二十五页，2022年，8月28日1—N-Si膜片2—P-Si导电层3—粘贴剂4—硅底座5—引