传感器第二章 02

主要内容测量电路差动半桥差动全桥电阻式传感器的应用应变式压阻式第三节电阻传感器测量及接口电路测量过程力、压力等非电量应变变化(微小)电阻变化(微小)电压或电流的变化敏感元件应变片测量电路测量电路直流电桥第三节电阻传感器测量及接口电路交流电桥一、直流电桥电桥平衡条件为：R1R4=R2R343213241RRRRRRRRE当RL∞时，电桥的输出电压：电桥平衡时，ＵＯ＝０，那么ＤＲ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＢＡＣＲＬＵＯＩＬＥ直流电桥设Ｒ１由应变片来替代，当R１R１+R１时，U0相应变化设3412RRRRn11211)1(RRnnEURRO时，》当ORRRRERRRUERRRRRRR14231311223344OOOUUUr非线性误差：灵敏度RRRRERRRRRRRR41311241313111同除()OVUnERnRS2111RREUO140nSV0)1(142nnnSV由来求灵敏度的最大值求得n=1时，灵敏度为最大灵敏度最大？()VOUnESERnR211114单臂工作时。差动半桥将两个应变片接入电桥的相邻臂中，若使一个应变片受拉，另一个受压，则应变符号相反，称为半桥差动电路。21RRR1=R2，R3=R4，ESV21消除非线性,提高了灵敏度ＤＲ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＢＡＣＲＬＵＯＩＬＥ直流电桥ORRUERRRR311234433221111RRRRRRRRREUO当R１R１+R１，R2R2+R2时RR12RRRRRREERRR1122若将电桥四臂接入四片应变片，两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂中，就构成全桥差动电路。RREUO1ESV全桥差动：4321RRRRR1=R2=R3=R4，ＤＲ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＢＡＣＲＬＵＯＩＬＥ直流电桥ORRUERRRR311234RR22消除非线性,提高了灵敏度443333221111RRRRRRRRRRRREUO有应变时：差动全桥直流电桥小结S单臂：S半桥差动：S全桥差动=1：2：4差动电桥可以消除非线性误差、提高灵敏度、温度补偿假设R1=R2=R3=R4根据参与工作的桥臂数单臂半桥差动全桥差动三、传感器电路1、恒压源供电直流电桥阻值增加的对接，减小的对接恒压源不能完全消除温度的影响，且有非线性当△RT=0时因此，电桥的输出为ToTTURRRURRRRRRTTTURRRRRRRRRoTURURRoURURUoR－ΔR+ΔRT图恒流源供电ACDBR－ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTEI2、恒流源供电为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电，如图所示。假设RABC=RADC=2（R+ΔRT），故有IIIADCABC21TTBDoRRRIRRRIUU2121与温度无关，因此不受温度的影响。整理后得Uo=IΔR因此，电桥的输出为UoR－ΔR+ΔRT图恒流源供电ACDBR－ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTII-200204060-10010恒流源恒压源温度/℃灵敏度变化值/%灵敏度与温度的关系不同电源下，灵敏度与温度关系非线性补偿灵敏度温度补偿温度升高，灵敏度下降，提高电源电压来补偿。在电源回路中串联负温度系数的二极管。当压力增大，膜片输出饱和时，可以采用正反馈，提高电源电压来补偿。常用的零位补偿Ｒ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＵＵoＲ5Ｒ7Ｒ6ＵoＲ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４ＵＵoＲ１Ｒ２Ｒ３Ｒ４Ｕ(c)并联零位补偿(b)大电阻串联零位补偿(a)小电阻串联零位补偿其中(c)较常用二、典型接口电路VPRRAR3411由模电知识，A2A3A4A5A1R5R7R6R8RP1R3R4RP2-++-+-+-+-RR恒流源应变片234Uo+VAv已知AV，RP1,可求出R3、R4RRRR5678第二级放大要求第一级放大VRAR725二、典型接口电路实例UO第四节电阻传感器的医学应用1.应变式传感器弹簧片膜片血压应变片支架连杆弹簧片b应变片hP2l简支梁结构的血压传感器（a）应变变化图;（b）应变片粘贴一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。trxhRpR2R1R4R3rt膜片式应变压力传感器2.压阻式传感器导线扩散硅膜片硅橡胶硅油注入管道扩散硅型脉搏传感器绝缘材料扩散电阻25号注射针导线注射针型压阻传感器扩散型压力传感器金属支座导管硅橡胶心导管式扩散硅压阻传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器L应变片质量块m等强度梁外壳基座a惯性系统：aFmFa/压阻式加速度传感器扩散电阻硅梁质量块基座压阻式加速度传感器梁式力传感器电子称柱式力传感器(b)空心圆柱F面积S-ε1+ε2(a)实心圆柱F-ε2+ε1截面积SFF轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变构成差动对。SEF＝1SEF＝－＝－12E：弹性元件的杨氏模量ε1——沿轴向的应变；μ——弹性元件的泊松比。采用四片相同的金属丝应变片（k=2)，将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。力F=1000kg，圆柱断面半径r=1cm，杨氏模量E=2X107N/cm2，泊松比u=0.3。求（1）测量原理图；（2）各应变片的应变？电阻的相对变化△R/R?(3)若E=6V，求U0?(4)此种测量能否补偿温度对测量的影响？Ｒ１Ｒ２Ｒ4Ｒ3ＢＤＡＣＲＬＵＯＩＬE测量电桥FFR1R3R2R4解：（1）FSE13156FSE24471=k.RRRR13413312102=k.RRRR2442409410（2）FFR1R3R2R4ORRUERRRR141234ＡＤＲ１Ｒ２Ｒ4Ｒ3ＢＣＲＬＵＯＩＬE（3）RRRRERRRR13241234()()()()()()ORRRRRRRRUURRRRRRRR1133224411223344()1234012344ERRRRURRRR().mV12122122ERRRR（3）tttott()1234123404ERRRRRRRRUtttttRRRRRRRRRR12341234ＡＤＲ１Ｒ２Ｒ4Ｒ3ＢＣＲＬＵＯＩＬE测量电桥（4）将机械的线位移或角位移的变化电阻或电压的变化一定函数关系变阻器式分压器式补充内容：电位器式电阻传感器电位器式传感器分类：按结构形式线绕式—在传感器中应用较多薄膜式—具有较高的精度和线性特性光电式—无摩擦和磨损，分辨率高一、线绕电位计的结构二、线绕电位计的工作原理据欧姆定律：lRA以线位移型为例：若变阻器式：xRxRRSxLSR电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量若分压器式：oiVxUUSxLSV电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量SR、SV均是常数原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化总结(12)xdRdRdRdLdAdRLA物理现象灵敏度金属应变片尺寸效应2-4半导体压阻式压阻效应50-2001金属和半导体应变片异同12EkRRRRk2.灵敏度3.温度补偿桥路，恒压源4直流电桥小结S单臂：S半桥差动：S全桥差动=1：2：4差动电桥可以消除非线性误差假设R1=R2=R3=R4根据参与工作的桥臂数单臂半桥差动全桥差动作业P41，1，3，5，6，8，9电桥补偿法测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形,如图（a）；也可采用差动，如图（b）。电桥补偿法粘贴示意图试件R1补偿块RB(a)补偿块不承受应变(b)差动MM1ERBR4R1R3图桥路补偿法U0工程上,一般按R1=R2=R3=R4选取桥臂电阻。把R1与RB接入电桥相邻臂上.初始时，电桥平衡，输出电压为零，即：0))((4313410ERRRRRRRRUBB0])()[34110RRRRRRUBtBt温度变化时，不受影响：