電阻式傳感器ppt課件(2)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 限制； 3. Ku是橋臂比 n的函數 ， 恰當選擇橋臂比可提高電壓靈敏度； 顯然 n= R1=R R3=R4 時 Ku有最大值 ， 4. 單臂工作片的電橋輸出電壓及電壓靈敏度分別為 4uEK ?241 0(1 )udK nnn????等臂電橋 n=1時 非線性誤差及其方法補償 實際輸出值為 非線性誤差 ，忽略了分母中 前面計算中設 將分母按冪級數展開，略去高階量近似得到單橋非線性誤差 11RRD ?? 11/RRD39。 11011( / )( 1 / ) ( 1 )R R nUEn R R nD?? ? D ?? ?10 211RnUERnD? ? ??得到 39。00 110 1 1/1/LUU RRU n R R?? D??? ? D1111/1/ 212LRRRR?D??D?112LRR?D?? 對金屬電阻絲應變片，因靈敏系數 k0主要由幾何尺寸引起的， ΔR 非常小，電橋非線性誤差可以忽略。對于半導體應變片靈敏度系數 k0主要由電阻變化引起的，應變時ΔR1/R1 很大，非線性誤差不能忽略。 例：金屬應變片 半導體應變片 6%L? ?0 130k ? 0 .0 0 1e ? / 0 .1 3RRD?/ 0 . 0 1R R k eD ? ?0 2k ? 0 .5 %L? ?0 .0 0 5e ?由式 可見 ,非線性誤差與 ΔR1/R1成正比 非線性誤差及其方法補償 11/2L RR? ?D? 實際電路中非線性誤差總是存在的，為減小非線性誤差常采用 差動電橋。 ? 在試件上安裝兩個工作片，一個受拉、一個受壓，分別接在電橋的相鄰兩個臂。 當有作用力 F時電橋的輸出電壓為 非線性誤差的補償 –差動電橋 31101 1 2 2 3 4RRRUER R R R R R???D????? D ? ? D ???? 半橋電壓靈敏度為： ?半橋電路討論： 1. 輸出電壓 U0 與△ R/R呈線性關系， 無非線性誤差 ； 2. 半橋電路（兩個工作片）的電壓靈敏度 Ku是單臂電橋的兩倍； 3. 同時電路 具有溫度補償作用 。 電橋輸出： 按等臂電橋初始條件： 同時 非線性誤差的補償 –差動電橋 1 2 3 4R R R R R? ? ? ?12R R RD ? D ? D31101 1 2 2 3 4 2RRR ERUER R R R R R R???D D? ? ???? D ? ? D ???0/2uU EKRR??D? 全橋：將電橋四個橋臂按照對臂同性 、鄰 臂 異 性 原 則 連 接 四 個 工 作 片ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 全橋電壓輸出為 全橋電壓靈敏度為 ? 全橋輸出電壓靈敏度是單橋的 4倍 沒有非線性誤差。具有溫度補償作用 非線性誤差的補償 –差動電橋 uKE?331101 1 2 2 3 3 4 4RRRR RU E ER R R R R R R R R?? ?D?D D? ? ???? D ? ? D ? D ? ? D??傳感器原理及應用 第 3章 應變式傳感器 單 橋 半 橋 全 橋 交流電橋 ?直流電橋 優點：電源穩定、平衡電路簡單，仍是主要測量電路； 缺點：直流放大器較復雜，存在零漂和工頻干擾。 ?交流電橋 優點：放大電路簡單無零漂，不受干擾，為特定傳感器帶來方便； 缺點：需專用測量儀器或電路，不易取得高精度。 ? 交流電橋由于引線分布參數的影響以及平衡調節、后續放大的影響 與直流電橋有明顯的差別。 交流電橋 U?R1 R4 R3 R2 U0 ~ U?實際布線圖 半橋圖 用應變片組成傳感器時，實際測量中，電橋的橋臂都由應變片組成，但由于應變片連接導線間存在著分布電容，它與應變片的電阻并聯，形成一個阻容并聯阻抗。 C2 C1 U?R4 R3 U0 R1 R2 ~ U?Z4 Z3 U0 Z1 Z2 ~ C2 C1 U?R4 R3 U0 R1 R2 ~ 一般形式 全橋圖 C3 C4 ? 交流電橋由單頻交流電源供電，交流電橋各臂的電阻要考慮分布電容的影響，這時橋臂不再是純電阻了，可將橋臂視為復阻阻抗，分別為 ? 電源電壓、輸出電壓分別用復數表示 ? 交流電橋輸出特征方程為 交流電橋 交流電橋 1 4 2 301 2 3 4( ) ( )Z Z Z ZUUZ Z Z Z????1 2 3 4Z Z Z Z、 、 、已知 忽略分母項 交流半橋輸出： 交流單橋輸出： 其中 , Z1=R1 // XC1 交流電橋輸出： 交流電橋 4 3 1 101 1 2 1 4 3( / ) ( / )( 1 / / ) ( 1 / )Z Z Z ZUUZ Z Z Z Z Z?D?? D ? ? ?1 2 3 4Z Z Z Z? ? ? 1ZD10114ZUUZD?10112ZUUZD? 11 111 RZ j R C?? ? 11 211(1 )RZ j R C?DD? ?交流全橋輸出： 101ZUUZD?式中： x— 電抗、 r— 電阻、 Z— 復數的模、 φ— 幅角 用指數形式代入得到交流電橋平衡條件，需滿足兩個方程式： ? 對臂復數的模積相等，幅角之和相等。 交流電橋平衡條件： 設各橋臂阻抗 : jZ r j x Z e ?? ? ?1 4 2 3| || | | || |Z Z Z Z?1 4 2 3? ? ? ?? ? ?交流電橋 1 4 2 3 0Z Z Z Z?? 1 2 3 4//Z Z Z Z?? 若半橋 Z Z4為固定電阻， Z Z2為兩個應變片阻值為 RR2，分布電容為 C C2。 1 4 2 3R R R R? 3 1 4 2R C R C?交流電橋 12431 1 2 211RRRRj R C j R C?? ???121 2 3 3 4 41 1 2 211RRZ Z Z R Z Rj R C j R C??? ? ? ???電橋平衡時實部、虛部分別相等。 3 43 1 4 212R Rj R C j R CRR??? ? ?1 4 2 3R R R R? 2 2 1 1R C R C?電容平衡電路 調節交流高次諧波 電阻平衡電路調節直流基波成分 ?事實上交流電橋很難處于平衡狀態，只能使零輸出盡量小， 所以會產生零輸出，因此須設置平衡電路。 R5R6組成電阻平衡調節電路，改變 R6使 R1 R2 R5電阻值變化 C、 R組成電容平衡調節電路，改變 R使 Z1 Z2 阻抗變化 交流電橋平衡電路 交流電橋平衡電路 交流電橋 1111 1 CRjRZ???交流電橋輸出用以上參數代入（半橋） ? 當應變引起阻抗變化時 ,有（增、減）阻抗變化 1139。Z Z Z? ? D 2239。Z Z Z? ? D012ZUUZD? 101 1 1114 ( 1 )RUUR j R C?D? ? ??2111111111111 )1(1)(1 CRjRCRjRCRRjRRZ??? ?D???D??D??D? 當 ?R1C11（如 f=1000Hz， R1=120W， C1=1000pF時， ?R1C1≈ 1041)時，則 111111 41)1(141RRURRCRjUU o D?D???? ????（ 345） 當 ?R1C11時，交流電橋的計算與直流電橋基本一樣。 討論： ? 輸出電壓 U0有兩個分量： ? 前一個分量的相位與輸入電源電壓 U同相，叫同相分量； ? 后一個分量的相位與電源 U的相位相差 900，叫正交分量。 ? 兩個分量均是 ΔR 的調幅波，若采用普通二極管檢波電路無法檢測出調制信號 ΔR ，必須采用相敏檢波電路。 ? 相敏檢波器只檢出同相分量和反相的調制信號，對正交分量不起檢波作用，只起到濾除作用。 0 2 2 2 2 2 211 2 1 2R U C UU j RR C R R C???D? ? ? ?? ? D? ? ? ???? ? ? ?交流電橋 應變片溫度誤差及補償 ? 溫度誤差產生的原因 –敏感柵金屬絲電阻隨溫度發生變化 –試件材料與應變絲的線膨脹系數不一致 ? 溫度補償方法 –電橋補償發 –應變計自補償法 –熱敏電阻補償 應變片溫度誤差及補償 ? ?0 0 01t t tR R t R R t??? ? D ? ? D1 0 0t t tR R R R t?D ? ? ? D1. 應變片的溫度誤差 由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差， 稱為應變片的溫度誤差。 產生應變片溫度誤差的主要因素有下述兩個方面。 1) 電阻溫度系數的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示： tRRRR t D???D ?? 002) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響 ? 試件材料的線膨脹引起的誤差。當溫度變化△ t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數不同，應變片將產生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化 ? 設電阻絲和試件在溫度為 0℃ 時的長度均為 l0, 它們的線膨脹系數分別為 βs和 βg，若兩者不粘貼，則它們的長度分別為 ls=l0(1+βsΔt) lg=l0(1+βgΔt) 當兩者粘貼在一起時 ， 電阻絲產生的附加變形 Δl、 附加應變 eb和附加電阻變化 ΔRb分別為 t R K R K R t l l t l l l l s g s g s g s g D ? ? ? D D ? ? D ? D ? ? ? ? D ) ( ) ( ) ( 0 0 0 0 0 0 b b e b b e b b b b b 由于溫度變化而引起的應變片總電阻相對變化量為 tKtKtRRRRRsgsgtD???D??D?D?D?D)]([)(000000bb?bb?b?（ 327） 相應的虛假應變輸出 tK tK RR sgtt D??D?D? )(/000 bb?eet ↘ →→ K0 ↗ 且 bg ≈ bs 溫度補償 ? 溫度補償方法有：線路補償 、 自補償 、 輔助測量補償 、 熱敏電阻補償 、 計算機補償等 。 ? ?t g sk? b b? ? ?電阻應變片的溫度補償方法 實際中常用的補償方法有兩種： ① 橋路補償法，用于常溫下的測量； ② 使用溫度有補性應變片，用于高溫下的測量。 具有溫度補償作用的應變片稱為補償片 ,用特制的溫度補償片進行補償。當溫度變化時產生的附加應變相互抵消，補償片制作的原理是使 εt=0。 a. 選擇式自補償應變片 b. 雙金屬敏感柵自補償應變片 ? ?t g sk? b b? ? ?應變片溫度自補償法 a. 選擇式自補償應變片 優點：容易加工，成本低， 缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。 由式可知，實現溫度補償的條件為 當被測試件的線膨脹系數 βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立 即可達到溫度自補償的目的。 0))(( 00 ?D???D tKRR sgt bb?)(0 sgK bb? ??? 是由兩種不同電阻溫度系數 （ 一種為正值