第2章_应变式传感器3.ppt

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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 若 半导体、单晶 2.2 压阻式传感器 用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感器。 2.2.1 压阻效应 半导体材料在沿某一轴向受外力作用时,其电阻率发生很大变化的现象,称为半导体的压阻效应。 2.2.2 工作原理 一个长为 ,横截面积为A,电阻率为ρ的均匀条形半导体材料,其电阻值为 当该均匀条形半导体材料受到一个沿长度方向的纵向应力时,它的几何形状和内部结构要发生变化,会引起电阻值的变化,通过对上式的全微分可求得它的电阻相对变化为: 实验表明,对半导体材料而言, 习题与思考题 1. P19-20 2. 解: 6. 解:(1)电阻相对变化量为: (3)若要减小非线性误差,应 (1)采用差动电桥 (2)采用高内阻的恒流源电桥 本章小结 概念:电阻应变效应;横向效应;压阻效应 公式:应变、泊松系数、胡克定律、电阻相对变化与应变的关系公式 计算:直流电桥的输出电压 推导:金属丝的电阻相对变化应变的关系 电阻变化量为: (2)电桥实际输出电压为: 电桥理想输出电压为: 非线性误差为: * * 2.1.3 应变式传感器的信号测量(调节)电路 1. 测量电桥的工作原理 1) 平衡电桥的工作原理 图2-7直流电桥 R 1 R 3 R2 R 4 U o U a b 当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 初始时,把R1用应变片代替,未发生应变时,通过选择R2,R3,R4的阻值使电桥平衡。当应变片发生应变时,由于应变片的阻值由R1变为(R1+ΔR1),电桥不再平衡, 固定R3,R4的阻值,可以通过调节R2,使电桥再次达到平衡。 ( R1+ΔR1 )R4≠R2R3 ( R1+ΔR1 )R4=(R2+ΔR2)R3 R1R4 +ΔR1 R4=R2R3+ΔR2R3 ΔR1 R4=ΔR2R3 (1)两次平衡 (2)通过改变桥臂比,可以改变量程 应用:求出了ΔR1,,就可以求出相应的应变。 2)不平衡电桥的工作原理 初始平衡,若应变片电阻变化为ΔR,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo≠0,则电桥不平衡,输出电压为 初始平衡条件 ,假设n=R2/R1=R4/R3, R1R4=R2R3 略去分母中的微小项ΔR1/R1,则有 电桥的电压灵敏度为: 分析:  ① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压, 供电电压越高, 电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受两方面的限制:一是应变片的允许温升;二是电桥电阻的温度误差。 所以一般供电电压为1~3V。 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。  分析:由 , 可求Su的最大值 可知n=1时,Su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, (一般取R1=R2=R3=R4),此时有 ?当U值确定后,n取何值时才能使Su最高? 应用:根据上式,如果已知应变,就可以求出输出电压;反之依然。 2.非线性误差及其补偿方法 U0与ΔR1/R1的关系是非线性的,非线性误差为 理想情况(略去分母中的ΔR1/R1项): 实际情况(保留分母中的ΔR1/R1项): 若n=1: 若n=1: 若n=1: 例如: 对于一般应变片:所受应变ε通常在5000μ以下,若取应变片灵敏系数K=2,则ΔR1/R1=Kε=0.01,计算得非线性误差为0.5%;若K=100,ε=1000μ时,ΔR1/R1=0.1,则得到非线性误差为5%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。 图2-9 差动电桥 减小和消除非线性误差的方法 (1)差动电桥 R 4 R 3 A C B U D U o 若ΔR1=ΔR2,R1=R2,R3=R4,则得 可知:Uo 与ΔR1/R1成线性关系,无非线性误差,而且电桥电压灵敏度Su=U/2,是单臂工作时的2倍。 全桥差动:在试件上安装四个工作应变片,两个受拉应变,两个受压应变, 接入桥路时,将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内,符号不同的接在相邻臂内。 该电桥输出电压为 若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 , R1=R2=R3=R4,则得 可知:Uo 与ΔR1/R1成线性关系,无非线性误差,而且电桥电压灵敏度Su=U,是单臂工作时的4倍。 A C B U D Uo (2)采用高内阻的恒流源电桥 1

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