2.1.3應變式傳感器的信號測量（調節(jié)）電路1.測量電橋的工作原理

1)平衡電橋的工作原理圖2-7直流電橋R1R3R2R4UoUab當電橋平衡時，Uo=0，則有

R1R4=R2R312.1.3應變式傳感器的信號測量（調節(jié)）電路1.測量電初始時，把R1用應變片代替，未發(fā)生應變時，通過選擇R2，R3，R4的阻值使電橋平衡。當應變片發(fā)生應變時，由于應變片的阻值由R1變?yōu)椋≧1+ΔR1），電橋不再平衡，固定R3，R4的阻值，可以通過調節(jié)R2，使電橋再次達到平衡。（R1+ΔR1

）R4≠R2R3（R1+ΔR1

）R4=（R2+ΔR2）R3R1R4+ΔR1R4=R2R3+ΔR2R3ΔR1R4=ΔR2R3（1）兩次平衡（2）通過改變橋臂比，可以改變量程應用：求出了ΔR1，，就可以求出相應的應變。2初始時，把R1用應變片代替，未發(fā)生應變時，通過選擇R2，R32）不平衡電橋的工作原理初始平衡，若應變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為初始平衡條件，假設n=R2/R1＝R4/R3，R1R4=R2R3略去分母中的微小項ΔR1/R1，則有32）不平衡電橋的工作原理初始平衡條件電橋的電壓靈敏度為：分析：①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受兩方面的限制：一是應變片的允許溫升；二是電橋電阻的溫度誤差。所以一般供電電壓為1～3V。②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數，恰當地選擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。4電橋的電壓靈敏度為：4分析：由,可求Su的最大值

可知n=1時，Su為最大值。即在供橋電壓確定后，當R1=R2，R3=R4時，電橋電壓靈敏度最高，(一般取R1=R2=R3=R4)，此時有？當U值確定后，n取何值時才能使Su最高？應用：根據上式，如果已知應變，就可以求出輸出電壓；反之依然。5分析：由,

2.非線性誤差及其補償方法

U0與ΔR1/R1的關系是非線性的，非線性誤差為

理想情況（略去分母中的ΔR1/R1項）：實際情況（保留分母中的ΔR1/R1項）：若n=1：若n=1：若n=1：62.非線性誤差及其補償方法U0與ΔR1/R1例如：對于一般應變片：所受應變ε通常在5000μ以下，若取應變片靈敏系數K=2，則ΔR1/R1=Kε=0.01，計算得非線性誤差為0.5%；若K=100，ε=1000μ時，ΔR1/R1=0.1，則得到非線性誤差為5%，故當非線性誤差不能滿足測量要求時，必須予以消除。7例如：7圖2-9差動電橋減小和消除非線性誤差的方法(1)差動電橋8圖2-9差動電橋減小和消除非線性誤差的方法8R4R3ACBUDUo半橋差動：在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂。該電橋輸出電壓為

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得可知：Uo與ΔR1/R1成線性關系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Su=U/2，是單臂工作時的2倍。9R4R3ACBUDUo半橋差動：在試件上安裝兩個工作應變片，全橋差動：在試件上安裝四個工作應變片，兩個受拉應變，兩個受壓應變，接入橋路時，將兩個變形符號相同的應變片接在相對臂內，符號不同的接在相鄰臂內。該電橋輸出電壓為若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，R1=R2=R3=R4，則得可知：Uo與ΔR1/R1成線性關系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度Su=U，是單臂工作時的4倍。ACBUDUo10全橋差動：在試件上安裝四個工作應變片，兩個受拉應變，兩個受壓（2）采用高內阻的恒流源電橋1.電橋輸出電壓與電阻變化量的關系解此方程組得：輸出電壓為：圖2-10恒流源電橋R1+R3R2R4UoIabI1I211（2）采用高內阻的恒流源電橋解此方程組得：輸出電壓為：圖2-若當第一橋臂電阻變?yōu)闀r，電橋輸出電壓為：若忽略，則此時2.非線性誤差恒流源與恒壓源電路相比，非線性誤差減少一倍。12若當第一橋臂電阻變?yōu)闀r，電橋輸出電壓2.1.4應變式傳感器的應用

應變片能將應變直接轉換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉換成應變－彈性元件應變式傳感器的組成：彈性元件、應變片、附件（補償元件、保護罩等）132.1.4應變式傳感器的應用應變片能將應變直接轉換成電1.應變式力傳感器被測物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等141.應變式力傳感器14圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連線圖1）柱（筒）式力傳感器15圓柱（筒）式力傳感器1）柱（筒）式力傳感器15

2）環(huán)式力傳感器圖環(huán)式力傳感器(a)環(huán)式傳感器結構圖；(b)應力分布162）環(huán)式力傳感器圖環(huán)式力傳感器16對R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應變。這樣，測出A、B處的應變，即可得到載荷F。內貼取“一”內貼取“＋”式中：h——圓環(huán)厚度；b——圓環(huán)寬度；E——材料彈性模量。17對R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應變。主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。應變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。在壓力p作用下，膜片產生徑向應變εr和切向應變εt，表達式分別為2.應變式壓力傳感器18主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力。2.應變式壓力傳感器圖膜片式壓力傳感器（a）應變變化圖;（b）應變片粘貼19圖膜片式壓力傳感器19應變變化曲線的特點：當x=0時，εrmax=εtmax；當x=R時，εt=0，εr=－2εrmax。

特點的應用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應變片，在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應變片，然后接成全橋測量電路。避開位置。20應變變化曲線的特點：當x=0時，εrmax=εtmax；感壓膜感受上面液體的壓力。當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時輸出電壓為Uo=U1＋U2=(K1＋K2)hρg

式中,K1，K2為傳感器傳輸系數。結論：電橋輸出電壓與柱式容器內感壓膜上面溶液的重量成線性關系，因此可以測量容器內儲存的溶液重量。3.應變式容器內液體重量傳感器21感壓膜感受上面液體的壓力。當容器中溶液增圖應變片容器內液體重量傳感器22圖應變片容器內液體重量傳感器22用于物體加速度的測量。依據：a=F/m。圖電阻應變式加速度傳感器結構圖4.應變式加速度傳感器23用于物體加速度的測量。圖電阻應變式加速度傳感器結構

測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應變片組成的橋路出現不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。

適用范圍：不適用于頻率較高的振動和沖擊場合，一般適用頻率為10~60Hz范圍。24測量原理：將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當半導體、單晶2.2壓阻式傳感器

用半導體應變片制作的傳感器稱為壓阻式傳感器。2.2.1壓阻效應半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率發(fā)生很大變化的現象，稱為半導體的壓阻效應。2.2.2工作原理一個長為，橫截面積為A,電阻率為ρ的均勻條形半導體材料，其電阻值為25半導體、單晶25當該均勻條形半導體材料受到一個沿長度方向的縱向應力時，它的幾何形狀和內部結構要發(fā)生變化，會引起電阻值的變化，通過對上式的全微分可求得它的電阻相對變化為：壓阻系數:半導體材料的電阻率的相對變化與應力成正比，二者的比例系數定義為壓阻系數。即式中為半導體材料的壓阻系數，它與半導體材料的種類及應力方向與晶軸方向之間的夾角有關：E為彈性模量，與晶向有關。26當該均勻條形半導體材料受到一個沿長度方向的縱向應力時，它實驗表明，對半導體材料而言，所以：半導體材料的應變靈敏系數為：27實驗表明，對半導體材料而言，所以：半導體材料的應變靈敏系數為ACBEDUo2.2.3測量橋路及溫度補償－－恒流源供電全橋差動電橋假設為溫度引起的電阻變化，則輸出電壓為：電橋的輸出電壓與電阻的變化成正比，與恒流源的電流成正比，但與溫度無關，因此不受溫度的影響。28ACBEDUo2.2.3測量橋路及溫度補償－－恒流源供電習題與思考題1.P19-202.解：RU無應變時：有應變時：3.P22-244.直流電橋：直流電源供電的電橋，由被連接成四邊形的四個電阻，其中一個對角線上接電源，另一個對角線上接電壓檢測器。29習題與思考題RU無應變時：有應變時：3.P22-2429按橋臂的工作方式可分為：（1）電橋單臂變化（2）電橋相鄰兩臂同向變化（3）電橋相鄰兩臂反向變化（半差動電橋）（4）電橋四臂差動變化（全差動電橋）輸出電壓：P26-285.解：輸出電壓分別為：(1)(2)(3)30按橋臂的工作方式可分為：5.解：輸出電壓分別為：(3)6.解：（1）電阻相對變化量為：電阻變化量為：