电阻应变片的测量电路

2.4电阻应变片的测量电路1．平衡条件当RL→∞时，电桥输出电压:）（2424332110RRRRRREU当电桥平衡时,U0=0，所以:R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4(2-25)ERLR2R4R1R3U0图2-11直流测量电桥2.4.1直流电桥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:ERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1())(())(()(3412113411`43211414321143241433211110(2-26)设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1R1,可得:URRnnEU0）（27211120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。）（28212110nnERRUSV当供桥电压E确定后，由0)1(1042nnnSV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。）（29221114111110RRRREU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：）（30241110RREU）（31241ESV（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121111121112121211341211343412111134'00'0'001111111111)1)(1())(()1()()(1))((1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr（2-32）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②采用差动电桥a.半桥差动ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图2-12半桥差动电路如果桥臂电阻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。）（3324332211110RRRRRRRRREU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：）（34221110RREU若，则：432121RRRRRR，，b.全桥差动若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4则输出电压为：110RREU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-ΔR32.4.2交流电桥1．交流电桥平衡条件交流电桥输出电压为：）（36243213241433211ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC所以桥路平衡条件为：USRZ2Z4Z1Z3USC图2-14交流电桥~）（或，372213241ZZZZZZZZ43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=z2z3φ1+φ4=φ2+φ3或：r1r4-r2r3=x1x4-x2x3r1x4+r4x1=r2x3+r3x2(2-39)(2-40)2.交流电桥的不平衡状态①单臂交流电桥）（4124111ZZUUSRSC②半桥差动电路）（4222111ZZUUSRSC③全桥差动电路）（43211ZZUUSRSC3.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。USRR2R4R1R3USC~C1C2C3C4USRR2R4R3USC图2-15交流电桥平衡调节~R1C3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USRR2R4R1R3USC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IRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431解该方程组得:输出电压为: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：）（4424114140RRRIIRRRRU）（4524100URIU若满足ΔR1R1，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。）（46244144100RRRRRRRRRUUr'I使用恒流源的非线性误差为：2.非线性误差RRRRRRRRrE22112112111若采用恒压源，非线性误差为：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2.1.3中的半导体应变片的工作原理。2.5.2压阻系数）（11221dRdR21RdRxllE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。）（472E//xl压阻系数为: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1—N-Si膜片2—P-Si导电层3—粘贴剂4—硅底座5—引压管6—Si保护膜7—引线2.5.3固态压阻器件利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，再装上引线接点。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。1234567