电阻应变式传感器

本文格式为Word版，下载可任意编辑电阻应变式传感器 电阻应变式传感器 1 引 言 把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器1】它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门举行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不成缺少的工具之一 2 电阻应变式传感器 以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据概括测量要求设计成多种布局形式弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量常用的电阻应变式传感器有应变 式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,布局简朴，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取确定的补偿措施因此它广泛应用于自动测试和操纵技术中 3 金属箔式电阻应变片 电阻丝在外力作用下发活力械变形时，其电阻发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：△R/R=Kε式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△l/l为电阻丝相对长度变化，电阻箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4 4 电阻应变式传感器的测量 4.1 测验原理 （1）直流电桥 由图1（a）桥电路可知：当电源电压为U，其内阻为零，桥臂电阻为R1、R2、R3及R4，负载电阻为R根据等效电压源定理可计算出负载电流与电桥各参数间的关系为: I=（R1 R4- R2 R3）/[R(R1+ R2)( R3+ R4)+ R1R2 ( R3+ R4)+ R3R4 ( R1+ R2)]; （9-1-10） 当I=0时成电桥平衡，其条件为 R1 R4=R2 R3或R1/R2 =R3/R4 （9-1-11） 平衡条件可以表述为电桥相对两臂电阻的乘积相等，或相邻两臂的电阻比相等。

电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，电桥相应的输出电压也很小要推动检测或记录仪器工作，务必将电桥输出电压举行放大，为此务必了解△R/R与电桥输出电压的关系 在四臂电桥中，如只有R1为工作应变片，由于应变而产生那个的电阻变化为R1，而R2、R3及 图1 电桥电路 R4为固定电阻，那么此电桥称为单臂电桥U0为电桥输出电压，并设负载电阻R开路，电桥电路如图1（b）所示无应变时，△R1=0，电桥处于平衡状态，U0=0；若应变片受力产生应变，那么该臂阻值为R1+△R1时，电桥就有输出电压U0为 U0=U(R1+R2)/(R1+△R1+R2)-R3U/(R3+R4) =U(R3/R4)( △R1/R1)/[1+(△ R1/R1)+(R2/R1)][1+(R4/R3)] （9-1-12） 设电桥初始平衡时R2/R1=R4/R3=n时且若△R1/R1<

KV = nU/[（1+n）（1+n）] （9-1-14） 由此可以看出KV值的大小由电桥电源电压U和桥臂n抉择电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高，但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度误差增大，一般电源电压取2~4V为宜桥臂比n取何值时KV最大？KV是n的函数，取dKV/dn=0时有KV最大值，鲜明n=1，R1=R2=R3=R4，可求的最大电压灵敏度为 KV1=U/4 （9-1-15） 式（9-1-13）中求出的输出电压值是近似值，实际值应按（9-1-12）计算，其结果为 U01=nU(△R1/R1)/[(1+n)(1+n+△R1/R1)] （9-1-16） 因此有非线性误差 δ=（U0-U01）/U0=(△R1/R1)/(1+n+△R1/R1) （9-1-17） 为了减小和抑制非线性误差，常用的方法就是采用差动电桥，如图1（c）所示，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉力，一片受压力。

两者应变符号相反，接入点桥相邻桥臂，称作半桥差动电桥输出电压为 U02=[U(R1+△R1)]/[(R1+△R1+R2-△R2)-R3/(R3+R4)] (9-1-18) 设电桥平衡时R1=R2=R3=R4, △R1=△R2，那么 U02=(U/2)*（△R1/R1） （9-1-19） 因此，输出电压U02与电阻变化△R1/R1呈线性关系，没有线性误差，并且电桥灵敏度KV2=U/2比单臂电桥时提高1倍，还具有温度补偿作用 为了提高输出电压的灵敏度或举行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变内 片电桥也可采用四臂电桥或称为全桥差动电桥，如图1（d）所示电桥平衡时R1=R2=R3=R4，若疏忽高阶微小量，可得 U02=U*(△R1/R1) （9-1-20） 可见此时没有非线性误差，而且输出电压为单臂的4倍 （2）交流电桥 采用直流电桥的优点是稳定性高，直流电源易于获得，电桥调理平衡电路简朴，连接导线分布参数影响小。

但是输出电压采用直流放大器，易产生零点漂移，线路也较繁杂，因此应变电桥现在多采用交流电桥，用交流电桥时，其连接导线分布电容影响、平衡调理、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同 交流电桥线路与直流电桥好像，只是各桥臂均含有L、C、R或任意组合的复阻抗设交流电桥的四臂Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗，U为交流电源，开路输出电压为U0根据电路分析，同直流电桥一样有 U0=(U*Z1)/(Z1+Z2)-(U*Z3)/(Z3+Z4) =[U*(Z1Z4-Z2Z3)]/[(Z1+Z2)(Z3+Z4)] (9-1-21) 要得志电桥平衡条件，即U0=0.那么应有 Z1Z4-Z2Z3=0或Z1/Z2=Z3/Z4 （9-1-22） 设四桥臂阻抗分别为 Zi=Ri+jXi=Ziejsi，i=1，2，3，4 （9-1-23） 上式中Ri为各桥臂电阻，Xi为各桥臂的阻抗，Zi和Si分别为各桥臂复阻抗的模值和幅角。

将这些值代入式（9-1-22）中，的交流电桥的平衡条件是 Z1Z4=Z2Z3且S1+S4=S2+S3 （9-1-24） 上式说明交流电桥平衡条件为：相对桥臂阻抗模值积相等，相对桥臂阻抗幅角之和相等 设交流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片电阻Ri变更△Ri后，引起 阻抗Z1变化△Z1，代入式（9-1-21）中，有 U01=[(U*Z1/Z3)*（△Z1/Z1）]/[(1+Z3/Z1+△ Z1/Z1)(1+Z4/Z3)] (9-1-25) 略去上式分母中的△Z1/Z1项，并设初始Z1=Z2，Z3=Z4，那么有 U01=（U/4）*（△Z1/Z1） 五电桥的线路补偿 1）初始平衡补偿 对平衡位置（零点）的变更举行的补偿 假设某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻举行补偿，以得志电桥的初始平衡条件 （3）弹性模量补偿 弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。

对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE举行补偿 分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的应变ε增大，测量电路输出会增大 加上RE之后，由于RE升温增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温引起的输出增大 调零 温度补偿 弹性模量补偿 一新型电子天平 1．引言 电子天平具有测量速度快，精度高，操作简朴便当，能够实现自动校 准，自动去皮重等一系列优点，使得它广泛应用于国防、科研、工业、农业 及人们的日常生活之中 2、硬件设计 基于电阻应变式传感器的电子天平的布局框图如图l所示 2．1系统的工作过程 电阻应变式传感器输出信号很小，系统中使用了两级运算放大电路，第 一级选用仪表放大器AD620，AD620线性度好，增益设定便当，共模抑制 比高，直流漂移小，往往用来精确放大载于高共模电压上的小差动信号，第 二级运算放大电路采用低失调细致运算放大~OP07，两级放大电路均采用 ±12V 双电源供电，以提高系统精度，称重传感器在供桥电压鼓舞下输出 的电压信号经过放大，在进入ADC转换之前须举行滤波和负压养护处理； A／D 转换器选ADS1100，它是一款高精度自校正的差分输入转换器，l6 位转换精度，内置可编程增益放大器，采样速率可在8、l6、32、128SPS 之间选取，且功耗较低。

2_2比例测量技术 · 所谓比例测量技术，是指ADC参考电压与称重传感器的鼓舞电压由 同一电源供给以提高测量精度，如图2所示，设ADC 输出为OUT D ， 放大电路片面的总增益为A ，结合电阻应变式称重传感器的工作原理，我 们有 可见，采用比例测量方法，ADC 输出只与传感器的应变杼陛和运算放大 电路的总增益成正比，而与ADC的基准源和称重传感器的鼓舞源都没有关系。