傳感器結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)---第二章電阻式傳感器(編輯修改稿)
2025-01-04 07:25 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (012012021???????1s i n00 ????????????llp山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （ 5） 結(jié)論： ? 測(cè)量誤差 γ 與應(yīng)變波長(zhǎng)對(duì)基長(zhǎng)的相對(duì)比值 λ/l 有關(guān)，其關(guān)系曲線見圖 2－ 7（ b），一般可取 λ/l ＝ 10～ 20，其誤差 γ 小于 ～ ％。 ? 根據(jù)上式，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量時(shí)的誤差計(jì)算或選擇應(yīng)變片柵長(zhǎng)以滿足某種頻率范圍內(nèi)的誤差要求。 （ 6） 實(shí)際舉例： 表 2－ 1給出了對(duì)于鋼材 v＝ 5000m/s，取不同基長(zhǎng) λ/l ＝ 20時(shí)，不同基長(zhǎng)應(yīng)變片的最高工作頻率。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 四、轉(zhuǎn)換電路 電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化 ΔR/R 后，還要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，便于電測(cè)儀表的測(cè)量。通常采用 電橋電路 實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分 直流電橋 和 交流電橋 。 （一）直流電橋 工作原理 四臂電橋如 a圖，應(yīng)變片阻值變化較小，可假定電源為電壓源，內(nèi)阻為零，流過負(fù)載 RL的電流如下： URRRRRRRRRRRRR RRRRILL ?????????)()())(( 2143432143214231山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 電橋平衡條件： a) b) R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4 （ 2－ 5） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片阻值變化的獲取方法： 偏轉(zhuǎn)法 ——用檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電流 IL的大小表示； 零讀法 ——用改變相鄰橋臂阻值的方法，使 IL恢復(fù)到零，然后根據(jù)相鄰橋臂阻值的變化來(lái)確定應(yīng)變片的阻值變化。 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，可以把電橋輸出端看成開路，見圖 2－9(b)。電橋的輸出式為： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 應(yīng)變片工作，電阻變化 ΔR ，不平衡電壓輸出值： 設(shè)橋臂比 n＝ R2/R1,由于電橋初始平衡時(shí)有 R2/R1＝ R4/R3，略去分母中的 ΔR 1/R1。可得 （ 2－ 6） （ 2－ 7） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 電橋靈敏度 定義為 ，可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為 討論： ku與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應(yīng)變片允許功耗的限制。 ku與橋臂比 n有關(guān)。當(dāng)電橋電源電壓 U一定時(shí)， n應(yīng)取何值時(shí)，電橋靈敏度最高。 取 dku/dn＝ 0時(shí)， ku為最大，得 (1n)2/(1+n)4＝ 0，所以 n＝ 1時(shí)，即 R1＝ R2，R3＝ R4時(shí) ku為最大。 當(dāng) n＝ 1時(shí)，由式（ 27）得 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （ 2－ 8） （ 2－ 9） 結(jié)論： ?當(dāng)電源電壓 U及電阻相對(duì)值一定時(shí)，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小無(wú)關(guān)。 n＝ 1時(shí)的電橋，稱 對(duì)稱電橋 ，常采用這種電橋的形式。 ?直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)定度直流電源易于獲得，電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡(jiǎn)單，傳感器及測(cè)量電路分布參數(shù)影響小，在測(cè)量中常用直流電橋。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （二）電橋的非線性誤差 式 2－ 6的實(shí)際表達(dá)式如下： 則非線性誤差為： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 對(duì)于對(duì)稱電橋， n=1，則非線性誤差為 略去高階量，得 （ 2－ 10） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 結(jié)論： ? 非線性誤差 γ L與 Δ R1/R1成正比； ? 對(duì)金屬電阻絲應(yīng)變片，因?yàn)?Δ R非常小，電橋非線性誤差可以忽略； ? 對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片，因?yàn)殪`敏度比金屬絲式大得多，受應(yīng)變時(shí) Δ R很大，非線性誤差將不可忽略。 減小非線性誤差的措施： （ 1）差動(dòng)電橋 （圖 2－ 10） 圖 2－ 10a為雙臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 設(shè)初始時(shí)為 R1＝ R2＝ R3＝ R4=R， Δ R1＝ Δ R2=Δ R，則上式可簡(jiǎn)化為 （ 2－ 11） 結(jié)論： ?輸出電壓 U0與 Δ R/R成嚴(yán)格的線性關(guān)系； ?電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍； ?此外還具有溫度補(bǔ)償作用。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 圖 2－ 10b為四臂差動(dòng)電橋，其輸出電壓： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （ 2）恒流源電橋 供電電流為 I，通過各臂的電流為 I1和 I2， Δ R1=0時(shí)： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且 R1＝ R2＝ R3＝ R4=R當(dāng)?shù)谝槐垭娮?R1變?yōu)? R＋△ R時(shí)，電橋輸出電壓為 結(jié)論： 與恒流源相比，非線性誤差減小 1/2。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 （二）交流電橋 交流電橋平衡條件 交流電橋的一般形式如圖 2－ 12（ a） ,Z Z Z Z4為復(fù)阻抗， U為交流電壓源，開路輸出電壓為 U0。其電壓輸出為 平衡條件： 或 （ 2－ 12） （ 2－ 13） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 設(shè)各臂阻抗為 代入式 2－ 13得 交流電橋平衡條件 ： （ 2－ 14） ???????????32413241 ZZZZ山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 交流電橋的輸出特性及預(yù)平衡調(diào)節(jié) ? 單臂電橋的情況 ：設(shè)交流電橋的 初始狀態(tài)是平衡 的，當(dāng)工作應(yīng)變片 R1改變△ R1后，使 Z1變化了△ Z1，根據(jù)（ 2－ 12）可得 略去分母中△ Z1項(xiàng)得 （ 2－ 16） （ 2－ 15） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 考慮導(dǎo)線寄生電容 C1的存在 (圖 2－ 12(b)) 討論 ： 當(dāng)導(dǎo)線電容很小，電源頻率不高時(shí)， Z1=R1， ΔZ1= ΔR1交流電橋仍可看作純電阻電橋 。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 ? 雙臂電橋的情況 ：如圖 2－ 12b， C2亦為應(yīng)變片導(dǎo)線或電纜分布電容。Z3＝ R3， Z4＝ R4， Z1＝ R1/(1+jωR 1C1), Z2=R2/(1+jωR 2C2)，按式（ 2－14）可求出 ： 整理可得該交流電橋的平衡條件為 此種交流電橋，既要滿足電阻平衡條件，還要滿足電容平衡條件。實(shí)際上，由于應(yīng)變片粘貼、引線等引起初始阻抗的不相等，為此，一般要設(shè)置 預(yù)調(diào)平衡線路 ，如圖 2－ 13(a)所示。 及 或 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 第二章 電阻式傳感器 五、溫度誤差及其補(bǔ)償 溫度變化 ?電阻變化 ?測(cè)量誤差 （一）溫度誤差 敏感柵電阻隨溫度變化引起的誤差。 α t——敏感柵材料電阻溫度系數(shù)。
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