第3章--电阻式传感器-.ppt

1.直流电桥的平衡条件直流电桥如图所示，E为供电电源，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。当电桥平衡时，，则有或上式就是直流电桥的平衡条件。电阻应变式传感器2.电压灵敏度令R1为电阻应变片，R2，R3，R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以电桥输出近似开路情况。当产生应变时，若应变片电阻变化为ΔR1，其他桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡输出电压为：电阻应变式传感器式(1)设桥臂比n=R2/R1=R4/R3，通常ΔR1R1，忽略分母中的ΔR1/R1项，并考虑到电桥平衡条件R2/R1=R4/R3，则式(1)可写为电桥电压灵敏度定义为从上式可以看出：(1)电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，而供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。电阻应变式传感器令dKU/dn=0，即可求得n=1时，KU有最大值。即在电桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度KU最高，即等臂电桥，单臂工作：可以看出，当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，并且与各桥臂电阻值大小无关。电阻应变式传感器等臂电桥，双臂工作，一般接成差动电桥：如R1和R2同时为应变片，但是力的方向相反。其输出电压为等臂电桥，四臂工作，则构成全桥电路。其输出电压为（R1和R3同向，R2和R4同向，R1和R2反向）电阻应变式传感器图为一直流应变电桥，E=4V，R1=R2=R3=R4=350Ω，求：①R1为应变片其余为外接电阻，R1增量为△R1=3.5Ω时输出U0=?。②R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同其余为电阻，电压输出U0=?。③R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?。④R1、R2、R3、R4都是应变片,对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?。电阻应变式传感器解：1）2）3）4）电阻应变式传感器尽量保持恒温测量单臂电桥：例题：以阻值R=120Ω，灵敏系数K=2.0的电阻应变片与阻值120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2με和2000με时，分别求出单臂、双臂差动电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。说明，双臂是单臂工作灵敏度的2倍。应变越大，输出电压越大。例题：图示为热电阻桥式测温电路，测温范围为0℃～200℃，其中Rt=20(1+0.02t)kΩ为感温热电阻，Rs为常值电阻，R0=20kΩ，E为工作电压，M、N两点间的电位差为输出电压。问：(1)如果0℃时电路输出电压为零，常值电阻Rs取多少？(2)采用上述常值电阻值，如果该测温电路的平均灵敏度达到8mV/℃，其工作电压E应取多少？解：（1）在t＝0℃时，系统输出为0，说明系统此时处于平衡状态，那么由平衡电桥知：Rs=Rt=20(1+0.02t)=20kΩ（其中t＝0℃）（2）由题知道：系统灵敏度为8mv/℃，则说明系统温度每变化1℃，系统输出8mv。那么：3.2.3温度补偿应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的，因此工作时既能感受应变，又是温度的敏感元件。因为应变引起的电阻值变化很小，所以要提高测量精度，就必须消除或减小温度的影响。1.应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面。1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：电阻应变式传感器温度为t℃时的电阻值温度为t0℃时的电阻值温度为t0℃时金属丝的电阻温度系数2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若二者不粘贴，则它们的长度分别为折合成附加应变量或虚假的应变有电阻应变式传感器只要选择合适的材料，可以为0电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。式中KC——由桥臂电阻和电源电压决定的常数；R1——工作应变片；RB——补偿应变片。图电桥补偿法2.电阻应变片的温度补偿方法牺牲灵敏度、换取精度2）温度补偿法