第2章电阻式传感器83326文档资料.ppt

2.4 电阻应变片的测量电路 ??? 电阻应变计把机械应变信号转换成ΔR/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。　 传感技术与信号处理 第2章 1.直流电桥平衡条件 电桥电路如图所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 当RL→∞时，电桥输出电压为 上两式这说明要使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等或相对两臂电阻的乘积相等。 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3 或 2.直流电桥电压灵敏度 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, 所以此时仍视电桥为开路情况。 当产生应变时, 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 设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则上式可写为 电桥电压灵敏度定义为 从灵敏度定义分析发现：  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。  当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。 由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 求得n=1时，KU为最大值。这就是说，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 从上述可知，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，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 3.非线性误差及其补偿的方法 2.4-2式是略去分母中的ΔR1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的。实际情况中分母中的△R1/R1不可忽略，此时输出电压u。与△R1/R1的关系是非线性的。实际的非线性特性曲线与理想的线性曲线的偏差称为绝对非线性误差。下面计算非线性误差。 由误差公式计算出非线性误差为 对于一般应变片来说，所受应变ε通常在5000μ以下，若取KU=2，则ΔR1/R1=KUε=0.01，代入式（2.4-3）计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示， 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，称为半桥差动电路， 如图 所示。 该电桥输出电压为 若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得 由式上式可知，Uo与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。(为何具有温度补偿作用？) 若将电桥四臂接入四片应变片，如图所示，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，构成全桥差动电路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 4.交流电桥的平衡条件 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。  上图为半桥差动交流电桥的一般形式，U为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为 式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。 由交流电路分析可得 要满足电桥平衡条件，即Uo=0，则有 Z1Z4=Z2Z3 2.4-5式 取Z1=Z2=Z3=Z4，将式（2.4-4）代入式（2.4-5），可得