電阻式傳感器

1、第三章第三章 電阻式傳感器電阻式傳感器第三章第三章 電阻式傳感器電阻式傳感器n對(duì)于金屬應(yīng)變片式傳感器而言，為安全起見(jiàn)，要對(duì)于金屬應(yīng)變片式傳感器而言，為安全起見(jiàn)，要求金屬材料的軸向應(yīng)變最好不要大于求金屬材料的軸向應(yīng)變最好不要大于1 10-3 即：要求其機(jī)械應(yīng)變小即：要求其機(jī)械應(yīng)變小 要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)；要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)； 同時(shí)要把電阻相對(duì)變化同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。變化。惠斯頓電橋惠斯頓電橋ABCD當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化，四橋臂滿足一定的關(guān)系，輸出為零，電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電橋平衡被破壞，有電壓

2、輸出。n戴維南定理：任何線性含源一端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)于外戴維南定理：任何線性含源一端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)于外部性能來(lái)說(shuō)，可以用一個(gè)電壓源等效代替。其部性能來(lái)說(shuō)，可以用一個(gè)電壓源等效代替。其電壓源的電壓等于原一端口網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓電壓源的電壓等于原一端口網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)路電壓U UO O，其內(nèi)阻等于原一端口網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闊o(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)其內(nèi)阻等于原一端口網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闊o(wú)源一端口網(wǎng)絡(luò)后的入端電阻后的入端電阻R Rk k。應(yīng)用戴維南定理的關(guān)鍵是求。應(yīng)用戴維南定理的關(guān)鍵是求開(kāi)路電壓和入端電阻開(kāi)路電壓和入端電阻Uo等于等于輸出輸出兩端將負(fù)載開(kāi)路后的電壓；兩端將負(fù)載開(kāi)路后的電壓；Rk等于含源二端網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闊o(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)時(shí)等于含源二端網(wǎng)絡(luò)變?yōu)闊o(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)

3、時(shí)（將獨(dú)立源置零）的入端電阻。（將獨(dú)立源置零）的入端電阻。ABCD開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓電阻電阻1.1 直流電橋的特性方直流電橋的特性方程程ofkf1423f123412343412UIRRR RR RUR (RR )(RR )R R (RR )R R (RR ) 1423R RR R 1.1 直流電橋的特性方直流電橋的特性方程程直流電橋的輸入電阻直流電橋的輸入電阻1234ab1234(RR )(RR )RRRRR 負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸入電阻負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸入電阻R Rabab f1234123423143124abf12341324RRRRRR R RR R RR R RR R RRRRRRRRRRR 負(fù)

4、載電阻為負(fù)載電阻為R Rf f時(shí)的輸入電阻時(shí)的輸入電阻R Rabab直流電橋的輸出電阻直流電橋的輸出電阻 o1234123423143124cdf12341234RRRRRR R RR R RR R RR R RRRRRRRRRRR 3412cd1234R RR RRRRRR內(nèi)阻為零時(shí)的輸出電阻內(nèi)阻為零時(shí)的輸出電阻R Rcdcd內(nèi)阻為內(nèi)阻為R RO O時(shí)的輸出電阻時(shí)的輸出電阻R Rcdcd橋臂電流橋臂電流11313112ff23f34f3IRRRRURRRRRI0RRRRR02f3f33134f4(RR )IR IR IUR I(RRR )IR I0R IR I(RR

5、R )I0 電流方程電流方程電流方程的矩陣形式電流方程的矩陣形式1.2 1.2 直流電橋的靈敏度直流電橋的靈敏度n直流電橋的靈敏度可以直流電橋的靈敏度可以用用電橋測(cè)量臂的單位相電橋測(cè)量臂的單位相對(duì)變化量對(duì)變化量引起引起輸出端電輸出端電壓或電流的變化壓或電流的變化來(lái)表示來(lái)表示UI00SSuiRRRR或?qū)τ诘缺垭姌驅(qū)τ诘缺垭姌驅(qū)τ诘缺垭姌騃 = I + IIRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431R+R +RTR-R +RTR-R +RTR+R +RT恒壓源供電恒壓源供電恒流源供電恒流源供電001RU0.25URUR4RU 雙

6、橋補(bǔ)償雙橋補(bǔ)償U(kuò)2直流電橋的溫漂補(bǔ)償直流電橋的溫漂補(bǔ)償n由于電橋各元件的溫度系數(shù)不一致，電橋由于電橋各元件的溫度系數(shù)不一致，電橋結(jié)構(gòu)零件熱膨脹系數(shù)的不一致，焊點(diǎn)及引結(jié)構(gòu)零件熱膨脹系數(shù)的不一致，焊點(diǎn)及引出線電阻值不對(duì)稱或不穩(wěn)定而引起的電橋出線電阻值不對(duì)稱或不穩(wěn)定而引起的電橋輸出隨溫度變化而變化的現(xiàn)象輸出隨溫度變化而變化的現(xiàn)象n溫漂補(bǔ)償包括：溫漂補(bǔ)償包括：熱敏補(bǔ)償法熱敏補(bǔ)償法非熱敏補(bǔ)償法非熱敏補(bǔ)償法熱敏補(bǔ)償法熱敏補(bǔ)償法在電橋的某一個(gè)臂在電橋的某一個(gè)臂串接阻值串接阻值較小而溫度系數(shù)較大較小而溫度系數(shù)較大的熱敏的熱敏元件元件, ,其其阻值也比需要量大得阻值也比需要量大得多多，因此常在熱敏電阻上再，因此

7、常在熱敏電阻上再并接一個(gè)非熱敏的小電阻并接一個(gè)非熱敏的小電阻r r1 1，使得使得r r1 1與熱敏電阻與熱敏電阻R Rt t并聯(lián)后并聯(lián)后達(dá)到實(shí)際所需的補(bǔ)償范圍達(dá)到實(shí)際所需的補(bǔ)償范圍1t21tr RrrR 熱敏補(bǔ)償法熱敏補(bǔ)償法箔式補(bǔ)償片采用溫度箔式補(bǔ)償片采用溫度系數(shù)較大的金屬箔光系數(shù)較大的金屬箔光刻成型，在補(bǔ)償調(diào)節(jié)刻成型，在補(bǔ)償調(diào)節(jié)過(guò)程中通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)觀察，用小刀切去補(bǔ)觀察，用小刀切去補(bǔ)償片的一些網(wǎng)絡(luò)，以償片的一些網(wǎng)絡(luò)，以此使補(bǔ)償片的有效電此使補(bǔ)償片的有效電阻發(fā)生變化，直到達(dá)阻發(fā)生變化，直到達(dá)到所希望的補(bǔ)償范圍到所希望的補(bǔ)償范圍非熱敏補(bǔ)償法非熱敏補(bǔ)償法如果傳感器橋臂如果傳感器橋

8、臂R R1 1的電阻的電阻溫度系數(shù)比溫度系數(shù)比R R2 2大，即大，即1 12 2。當(dāng)我們?cè)?。?dāng)我們?cè)赗 R1 1橋橋臂中串入了臂中串入了R Rs s，又并聯(lián)了，又并聯(lián)了R Rc c這兩個(gè)電阻之后，則這兩個(gè)電阻之后，則R R1 1所在橋臂的阻值發(fā)生變化，所在橋臂的阻值發(fā)生變化， 直流電橋的非線性補(bǔ)償直流電橋的非線性補(bǔ)償一般通過(guò)控制電橋電源隨輸入信號(hào)變化來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償一般通過(guò)控制電橋電源隨輸入信號(hào)變化來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償非線性補(bǔ)償非線性補(bǔ)償一般來(lái)說(shuō)，電橋的輸入一般來(lái)說(shuō)，電橋的輸入輸出關(guān)系曲線容易出現(xiàn)拋輸出關(guān)系曲線容易出現(xiàn)拋物線狀，因此我們可以選物線狀，因此我們可以選擇一種半導(dǎo)體應(yīng)變片，將擇一種半導(dǎo)體應(yīng)變片，將

9、它與傳感生理信號(hào)的橋臂它與傳感生理信號(hào)的橋臂元件安裝在一起。元件安裝在一起。 為了控制補(bǔ)償作用的大小，用一個(gè)小電阻為了控制補(bǔ)償作用的大小，用一個(gè)小電阻r r1 1與半導(dǎo)與半導(dǎo)體補(bǔ)償片并聯(lián)，仔細(xì)調(diào)節(jié)體補(bǔ)償片并聯(lián)，仔細(xì)調(diào)節(jié)r r1 1的數(shù)值，可以在較大的的數(shù)值，可以在較大的范圍內(nèi)補(bǔ)償電橋的非線性范圍內(nèi)補(bǔ)償電橋的非線性UUOBAC直流電橋的靈敏度溫漂補(bǔ)償直流電橋的靈敏度溫漂補(bǔ)償n由于電橋測(cè)量臂本身靈敏度、電橋相關(guān)機(jī)由于電橋測(cè)量臂本身靈敏度、電橋相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)的彈性模數(shù)、系統(tǒng)熱膨脹系數(shù)隨溫械結(jié)構(gòu)的彈性模數(shù)、系統(tǒng)熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而引起電橋靈敏度隨著溫度變化度的變化而引起電橋靈敏度隨著溫度變化而變化的

10、現(xiàn)象而變化的現(xiàn)象n通常采用熱敏元件進(jìn)行補(bǔ)償通常采用熱敏元件進(jìn)行補(bǔ)償靈敏度溫漂補(bǔ)償靈敏度溫漂補(bǔ)償熱敏元件控制供給電橋的電熱敏元件控制供給電橋的電源電壓的變化，從而使電橋源電壓的變化，從而使電橋的測(cè)量靈敏度隨溫度的變化的測(cè)量靈敏度隨溫度的變化而變化。這一變化量經(jīng)過(guò)仔而變化。這一變化量經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)整之后可以與電橋本身細(xì)調(diào)整之后可以與電橋本身的靈敏度溫度漂移相抵消，的靈敏度溫度漂移相抵消，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康膹亩_(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康腢UO直流電橋的標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償直流電橋的標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償n對(duì)于由于電橋本身元件性能的不一致和加對(duì)于由于電橋本身元件性能的不一致和加工工藝的差別造成電橋靈敏度存在的差異工工藝的差別造成電橋靈敏度

11、存在的差異n通常采用標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償通常采用標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償R Rk k為靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償為靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償電阻，通常采用溫度系電阻，通常采用溫度系數(shù)很小的電阻，接入電數(shù)很小的電阻，接入電橋的輸入端用以微調(diào)電橋的輸入端用以微調(diào)電源的實(shí)際供給電橋的電源的實(shí)際供給電橋的電壓，從而達(dá)到微調(diào)電橋壓，從而達(dá)到微調(diào)電橋?qū)嶋H靈敏度的目的實(shí)際靈敏度的目的由由R Ri i與電橋的輸入等效電阻相并聯(lián)，從而得到了電與電橋的輸入等效電阻相并聯(lián)，從而得到了電橋的最終輸入電阻，微調(diào)橋的最終輸入電阻，微調(diào)R Ri i可以使電橋的輸入電阻可以使電橋的輸入電阻達(dá)到較好的一致性達(dá)到較好的一致性。綜

12、合補(bǔ)償方法綜合補(bǔ)償方法綜合補(bǔ)償方法綜合補(bǔ)償方法 21mm12gR KKR1TKK1T 21sm2R KKRRK tmst4XRRRR1000 T tmso4XRRRR1000 靈敏度溫靈敏度溫漂漂補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻靈敏度標(biāo)靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)償準(zhǔn)化補(bǔ)償電阻電阻溫漂溫漂補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻零位平衡零位平衡補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻K K1 1：溫度為：溫度為T(mén) T1 1時(shí)時(shí)的電橋靈敏度的電橋靈敏度K K2 2：溫度為：溫度為T(mén) T2 2時(shí)時(shí)的電橋靈敏度的電橋靈敏度m m：R Rm m的電阻的電阻溫度系數(shù)溫度系數(shù)g g：電橋敏感元：電橋敏感元件的電阻溫度系數(shù)件的電阻溫度系數(shù)：R Rt t的電阻溫度的電阻溫度系數(shù)系數(shù) b

13、Ph L/2彈簧片 應(yīng)變片 血壓 連桿 膜片 應(yīng)變片支架彈簧片 (a) (b)高靈敏度的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的血壓傳感器原理高靈敏度的簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的血壓傳感器原理EbhFl26 半導(dǎo)體壓阻應(yīng)變片彈簧片基座 敏感膜片 導(dǎo)桿 絕緣座外殼半導(dǎo)體壓阻型脈搏傳感器半導(dǎo)體壓阻型脈搏傳感器導(dǎo)管端部的側(cè)面開(kāi)有一膜片窗口，它將外界壓力變化傳遞到硅片上。導(dǎo)管端部的側(cè)面開(kāi)有一膜片窗口，它將外界壓力變化傳遞到硅片上。在兩硅片中間，用絕緣的膠合劑固定了一根金屬隔片，當(dāng)受到壓力在兩硅片中間，用絕緣的膠合劑固定了一根金屬隔片，當(dāng)受到壓力造成彎曲時(shí)，以中間金屬片為中心面，兩硅片產(chǎn)生相反的應(yīng)變變形，造成彎曲時(shí)，以中間金屬片為中心面，兩硅片

14、產(chǎn)生相反的應(yīng)變變形，兩硅片阻值的變化方向相反。以兩硅片阻值作為測(cè)量電橋相應(yīng)的橋兩硅片阻值的變化方向相反。以兩硅片阻值作為測(cè)量電橋相應(yīng)的橋臂，則可測(cè)出外界的壓力變化。臂，則可測(cè)出外界的壓力變化。例題例題例：一臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上面、下面例：一臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上面、下面各貼兩片相同的電阻應(yīng)變片（靈敏度為各貼兩片相同的電阻應(yīng)變片（靈敏度為K K2 2），如圖，已知），如圖，已知l=100mm,b=11mm,t=3mm,E=2l=100mm,b=11mm,t=3mm,E=2* *10104 4N/mmN/mm2 2, ,現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片接入圖（現(xiàn)將四個(gè)應(yīng)變片接入圖（b)b)直流橋路中，電源電壓直流橋路中，