電阻應變式傳感器的測量電路

1、圖1電子秤平剖圖1臺面殼體 2均壓框架 3電阻應變片 4彈性體 5補償電阻 6可調支撐腳 7底座如圖1所示，底座通過貼有電阻應變片的雙孔型等強度彈性體梁與均壓框架相接，均壓框架用螺釘與殼體相聯(lián)。彈性體是應變式力傳感器將力轉換為應變量的關鍵部件。研究結果表明，雙孔梁彈性體按剛架計算比按平行梁計算精確，而且橋路輸出和載荷之間的線形好、靈 敏度高。非線性和靈敏度與豎梁的長度和剛度無關。由于采用陶材料設計制作彈性梁，其靈敏度結構系數(shù)不僅取決于彈性體結構形式和應變區(qū)的選擇，而且和陶瓷材料的微結構、質量及機械強度等因素密切相關。為此，進行了雙孔梁的應力 分析、抗沖擊載荷分析、額定載荷計量等，并用計算機進行

2、了有限元分析。經模 擬驗證分析，選用圖1a所示的雙孔梁結構形式。該梁的應力分布均勻對稱，其 應力最大點在彈性梁的最薄偏離兩端處。根據(jù)圖1a所示的結構形式：& = M W E(1)式中：&為應變量；M為彎矩；W為抗彎模數(shù)；E為彈性模量。對于這類應變式彈性體上的全等臂電橋，其輸出電壓 V。和橋壓V有如下關 系：G V(2)式中：G為應變電阻的應變系數(shù)。將式(1)代入式(2)，可得：Vo = GMV / WE(3)對于矩形截面，W 1/6b h2式中：b為彈性體承載面寬度；h為彈性體承載梁厚度。由A A剖面分析，負荷F必須由一對剪力F/2與之平衡。若取一應變電阻 進行分析，F(xiàn)/2對應變電阻中心點的彎

3、距為 M:F ( L/2-X)/ 2(4)以式(4)代入式(3)，可得：V)= 3F ( L/2-X) GV/ bh2. E(5)由式(5)可見，雙孔梁的橋路輸出和載荷 F之間具有良好的線形，而且靈 敏度咼。電阻應變式傳感器的測量電路電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應， 將各種力學量轉換為電信號的 結構型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件， 其工作原理是基于 材料的電阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用， 又能作為敏感元件 結合彈性元件構成力學量傳感器。導體的電阻隨著機械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做電阻應變效應。 電阻應變片 把機械應變信號轉換R/R后，由于應變量及相應電阻

4、變化一般都很微小， 難 以直接精確測量，且不便處理。因此，要采用轉換電路把應變片的厶 R/R變化轉 換成電壓或電流變化。其轉換電路常用測量電橋。直流電橋的特點是信號不會受各元件和導線的分布電感及電容的影響，抗干擾能力強，但因機械應變的輸出信號小，要求用高增益和高穩(wěn)定性的放大器放大。下圖為一直流供電的平衡電阻電橋，E接直流電源E:圖2.6傳感器結構原理圖當電橋輸出端接無窮大負載電阻時，可視輸出端為開路，此時直流電橋稱為電壓橋，即只有電壓輸出。當忽略電源的內阻時，由分壓原理有：Uo = U BD = Uab _ U ad=E( Rl)Ri R2 R3 R4(2.2)RjRs R2Rzt(Ri R2

5、HR3 R4)當滿足條件R1R3=R2R4時，即RiR2 二（2.3）Uo=0，即電橋平衡。式（2.3）稱平衡條件。應變片測量電橋在測量前使電橋平衡，從而使測量時電橋輸出電壓只與應變 片感受的應變所引起的電阻變化有關。_（R+也 R）2 （RAR）2E一 （R .：R） （R ：R）1I（R ：R） （R .：R） 1R二 k E（2.4）若差動工作，即 R1=R- R,R2=R+R,R3=R-AR, R4=R+ R,按式（2.2）,則 電橋輸出為常規(guī)的電阻應變片K值很小，約為2，機械應變度約為0.0000010.001，所 以，電阻應變片的電阻變化范圍為 0.0005 0.1歐姆。所以測量電

6、路應當能精確 測量出很小的電阻變化，在電阻應變傳感器中做常用的是橋式測量電路。橋式測量電路有四個電阻，其中任何一個都可以是電阻應變片電阻，電橋的 一個對角線接入工作電壓 E，另一個對角線為輸出電壓 Uo。其特點是：當四個 橋臂電阻達到相應的關系時，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出，可利用靈敏檢流計來測量，所以電橋能夠精確地測量微小的電阻變化。常用的電阻應變片有兩種：電阻絲應變片和半導體應變片，本設計中采用的 是電阻絲應變片，為獲得高電阻值，電阻絲排成網狀，并貼在絕緣的基片上，電 阻絲兩端引出導線，線柵上面粘有覆蓋層，起保護作用。電阻應變片也會有誤差，產生的因素很多，因此測量時必須要注意。其中溫

7、度的影響最重要，環(huán)境溫度影響電阻值變化的原因主要是：A. 電阻絲溫度系數(shù)引起的。B. 電阻絲與被測元件材料的線膨脹系數(shù)的不同引起的。對于因溫度變化對橋接零點和輸出， 靈敏度的影響，即使采用同一批應變片， 也會因應變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感 器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當溫度系數(shù)的自 動補償片，并從外部對它加以適當?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的 一點。產生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結構設計決定， 通過線性 補償，也可得到改善。 滯后和蠕變是關于應變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑 為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，

8、所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍 內使用。測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，當應變片初始阻值：Rl = R2= R3= R4，其變化值 Rl = R2 = R3=A R4時，其橋路輸出電壓 Uout =KE 。其輸出靈敏度比半橋又提高了一倍，非線性誤差和溫度誤差均得到改 善。前置大器部分經由傳感器或敏感元件轉換后輸出的信號一般電平較低；經由電橋等電路變換后的信號亦難以直接用來顯示、記錄、控制或進行A/D轉換。為此，測量電路中常設有模擬放大環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)目前主要依靠由集成運算放大器的基本元件 構成具有各種特性的放大器來完成。放大器的輸入信號一般是由傳感器輸出的。傳感器的輸出信號

9、不僅電平低， 內阻高，還常伴有較高的共模電壓。因此，一般對放大器有如下一些要求：1、輸入阻抗應遠大于信號源內阻。否則，放大器的負載效應會使所測電壓 造成偏差。2、抗共模電壓干擾能力強。3、在預定的頻帶寬度內有穩(wěn)定準確的增益、良好的線性，輸入漂移和噪聲 應足夠小以保證要求的信噪比。從而保證放大器輸出性能穩(wěn)定。4、能附加一些適應特定要求的電路。如放大器增益的外接電阻調整、方便 準確的量程切換、極性自動變換等。因此放大電路采用儀器放大器，如：AD620，INA114等。此類芯片一般由3個運算放大器組成，其中A1，A2接成射級跟隨器形式， 組成輸入阻抗高的差動輸入級，在兩個跟隨器之間的附加電阻 Rg具

10、有提高共模 抑制比的作用，A3為雙端輸入，單端輸出的輸出級，以適應接地負載的需要，放大器的增益由電阻RG設定，典型儀器放大器的增益設置范圍從 1到1000以AD620為例，內部結構如下圖所示:圖2.8 AD620 的內部等效圖接口如下圖所示:圖2.9 AD620 的接口圖電路的工作原理：A1、A2工作在負反饋狀態(tài)，其反向輸入端的電壓與同相 輸入端的電壓相等。即Rg兩端的電壓分別為Vin+、Vin-。因此Vin+Vin_Ig =Rg（ 2.5）設圖（2.8）中電阻R1=R2=R，則A1、A2兩輸出端的電壓差U12為2 %（RR2 Rg）2 RfVin J（1）Rg（ 2.6）將式（2.6）代入式

11、（2.5）得2rVo 二-Ui2 = 一（1）（Vm：Vin _）Rg放大器的增益Av為Uo(Vin 亠 VinRg)可見，僅需調整一個電阻 Rg,就能方便的調整放大器的增益。由于整個電路對稱，調整時不會造成共模抑制比的降低在接口圖（2.9）中，通過改變可變電阻R3的阻值大小來改變放大器的增益, 放大器增益計算公式如下：(2.8)49.4K11 G =1R3AD620具有體積小、功耗低、精度高、噪聲低和輸入偏置電流低的特點。 其最大輸入偏置電流為20nA，這一參數(shù)反映了它的高輸入阻抗。AD620在外接電阻Rg時，可實現(xiàn)11000范圍內的任意增益；工作電源范圍為土 2.3 18V; 最大電源電流

12、為1.3mA最大輸入失調電壓為125V;頻帶寬度為120kHz（在 G=100時）。AD620是一種低耗高精度儀表放大器。僅需一個外接電阻即可得到 11000范圍內的任意增益；2.3V一 18V的電源電壓；低功耗，最大電源電 流1.3mA，最大輸入失調電壓125uV，最大溫度漂移1uV/C，最大輸入偏移電 流20 nA;最小共模抑制比93dB（增益=10）;輸入電壓噪聲9n V （1KHz）; 0.28uV 噪聲 （0.1Hz10Hz）;帶寬 120KHz （增益=100）;建立時間 15us （0.01%）。 AD620的增益是用電阻Rg來決定的，即用引腳1和8之間的阻抗來決定的。使 用0.

13、1%1%的電阻，AD620就能提供精確的增益。對 G （增益）=1，Rg引腳 不連接（即Rg為無窮大）。其他的任何增益可按：49.4KR3計算。系統(tǒng)電源變壓器？設計電路時，選用LM317和 LM337型號的芯片為核心來設計電源電 路。LM317特性簡介以及典型應用電路如下：特性：可調整輸出電壓低到1.25V ;保證1.5A輸出電流；典型線性調整率 0.01%;典型負載調整率0.1% ; 80dB紋波抑制比；輸出短路保護；過流、過熱 保護；調整管安全工作區(qū)保護。典型應用電路參考如下：D2圖3.13 LM317典型應用電路其輸出電壓計算公式如下：(3.5)R2Vout =Vref (1) ladj