传感及微传感基础--电阻式传感器 (2)分析

电阻式传感器小组成员：电阻式传感器电阻式传感器是一种能把非物理量（如位移，力，压力，加速度，扭矩等）转换成与之有确定关系的电阻量，再经过转换元件转换成便于记录的电压（电流）信号的一种装置。电阻式传感器种类较多，主要有变阻器式，电阻应变式和固态压阻式传感器等三种类型。变阻式传感器结构简单，价格便宜，输出信号功率大，被测量与转换量间容易实现线性或某些确定的函数关系。但由于电位器可靠性差，干扰（噪声）大，寿命短，比其它类型的电阻式传感器性能要差一些，故其应用范围在逐渐缩小。应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量为电量输出的一种传感器。这类传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能可靠，分辨力高，灵敏度高，价格便宜，工艺成熟，因此在航空航天，机械，化工，建筑，医学等领域有广泛应用。测量电路根据电源的不同，电桥分为：直流电桥与交流电桥直流电桥只接入电阻交流电桥可接入LC直流电桥输出电压U0：U0=0时电桥平衡所以电桥平衡的条件：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。142301234RRRRUURRRR1423RRRR直流电桥输出电压灵敏度应变片工作时，其电阻变化为ΔR，此时有不平衡电压输出。4131032111411RRRRUURRRRRR设桥臂比n=R2/R1，由于电桥初始平衡时有R2/R1=R4/R3，略去分母中的ΔR1/R1。可得10211RnUURn电桥灵敏度定义为011uUkRR可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为21unkUnku与电桥电源电压成正比，电源电压的提高，受应变片允许功耗的限制。ku与桥臂比n有关。取dku/dn=0时,ku为最大,得(1-n)2/(1+n)4=0,所以n=1时,即R1=R2,R3=R4时ku为最大。当n=1时，得1014RUUR4uUk当电源电压U及电阻相对值一定时,电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值的大小无关.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。交流电桥引入原因：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。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。由于低漂移集成运算放大器的发展，直流电桥得到了广泛应用。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。交流电桥的平衡条件我们先看看交流电桥的一般形式，如图：Z1、Z2、Z3、Z4为复阻抗，U为交流电压源，开路输出电压为U0。其输出为：01441(/4)RRRUIIRRRR平衡条件为：Z1Z4=Z2Z3交流平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且幅角之和相等应变片的温度效应及补偿用应变片测量时，由于环境温度变化所引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称应变片的温度误差，又称热输出。温度误差产生的原因温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变温度补偿方法：温度误差自补偿法：（1）单丝自补偿法从上式可以看出，对于给定的试件,αg一定，适当选取栅丝的温度系数αt及膨胀系数αs，使αt=-k(αg-αs)，可补偿温度误差。双丝自补偿应变片：应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。通过试验与计算，调整R1与R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化桥路补偿法：双丝半桥式补偿块法差动电桥补偿热敏电阻补偿：热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。此方法的缺点是不能补偿因温度变化引起的电桥不平衡。应变片的选用与粘贴应变片的种类：金属电阻应变片和半导体应变片两大类常见的为：金属丝式应变片金属箔式应变片金属薄膜应变片半导体应变片：体型半导体应变片，薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片应变片粘贴工艺试件的表面处理，应变片位置确定，贴片、干燥固化，质量检查，引线的焊接和固定，应变片的防护屏蔽。应变片传感器的种类：应变式测力传感器应变式压力传感器应变式位移传感器其他应变式传感器