第一章电阻式应变式传感器.ppt

① 单臂电桥 下图所示的静态应变仪测量范围：±19999ε； 分辨率： 1με；电桥电压：直流2.5V； ?应变片：120Ω或其他阻值； 测量点数：8/16点； 电桥电压灵敏度定义为 分析: (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？ 单臂电桥 求得n=1时，电桥电压灵敏度最高，此时有： 结论：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，与各桥臂电阻阻值大小无关。 单臂电桥 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）： 单臂电桥 如果桥臂比n=1， 则 ： 例如： 对于一般应变片：所受应变ε通常在5000μ以下，若取K=2，则ΔR1/R1=Kε=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若K=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。 单臂电桥 差动电桥 减小和消除非线性误差的方法 图1.14 差动电桥 ② 半桥差动 为提高电桥电压灵敏度 n=1 半桥差动 E RL R2-ΔR2 R4 R1+ΔR1 R3 U0 图1.15 半桥差动电路 + - 与单臂相比: 电桥电压灵敏度： Uo与ΔR1/R1成线性关系，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。 半桥差动 ③ 全桥差动 为提高电桥电压灵敏度 n=1 全桥差动 E R1-ΔR1 R1+ΔR1 U0 图1.16 全桥差动电路 + - R4-ΔR4 R4+ΔR4 Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差， 而且电桥电压灵敏度KU=E，是单臂工作时的四倍。 同时还具有温度补偿作用。 结论： 全桥差动 直流电桥 优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路； 缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。 交流电桥 优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便； 缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。 （二）交流电桥 交流电桥 电桥平衡条件：Uo=0，即： 交流电桥输出： Ui Z2 Z4 Z1 Z3 U0 图1.17 交流电桥 ~ 交流电桥 交流电桥需要满足两个方程式 电桥平衡条件 设各桥臂阻抗为： 交流电桥 交流电桥 Ui Z2 Z4 Z1 Z3 U0 图1.18 交流电桥 ~ 考虑单臂单臂情况，R1工作片, 交流电桥输出电压 交流电桥 一般情况下，由于导线寄生电容很小，电源频率也不很高。因此， 交流电桥输出电压 单臂交流电桥 半桥差动电路 全桥差动电路 交流电桥 （三）恒流源电桥 USR R2 R4 R1 R3 U0 图1.19 恒流源电桥 ← I1 I2 若右图所示的电路输入 阻抗较高，则有： I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 ) I = I1+ I2 1. 电桥输出电压与电阻变化量的关系 恒流源电桥 解该方程组得: 输出电压为: 若电桥初始平衡，且R1 =R2 =R3=R4=R 恒流源电桥 若满足ΔRR ，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。 单臂时，电桥输出电压为： 恒流源电桥 非线性误差 若采用恒压源，非线性误差为： 非线性误差减小了一倍。 恒流源电桥 （四）电阻应变仪 按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动 态应变仪，按应变力频率又可细分为： 静态 ——5Hz； 静动态——几百Hz； 动态 ——5KHz； 超动态——几十KHz； 交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、 放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。?? 电阻应变仪 电阻应变式传感器+放大指示仪表 应变仪 电阻应变仪 图1.20 电阻应变仪原理方框图 应变式传感器的应用 电阻应变式传感器的特点 1、优点 ① 应用和测量范围广 ② 精度和灵敏度高 ③ 频率响应特性好 对复杂环境的适应性强 商品化 ④ ⑤ 2、缺点 ① 大应变下的非线性 ② 屏蔽措施 ③ 不能测应力梯度的变化 0.1%~0.01% 几十~上百KHz 测定试件应力或应变时，直接将应变片粘贴在试件上 其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件 电阻应变式力传感器 应变式压力传感器 应变式加速度传感器 弹性元件 传感元件(应变片) 被测非电量 电阻 应变