电阻应变式传感器的测量电路

图1 电子秤平剖图
1 台面壳体２均压框架３电阻应变片４弹性体５补偿电阻６可调支撑脚７底
座
如图１所示，底座通过贴有电阻应变片的双孔型等强度弹性体梁与均压框架相接，均压框架用螺钉与壳体相联。

弹性体是应变式力传感器将力转换为应变量的关键部件。

研究结果表明，双孔梁弹性体按刚架计算比按平行梁计算精确，而且桥路输出和载荷之间的线形好、灵敏度高。

非线性和灵敏度与竖梁的长度和刚度无关。

由于采用陶材料设计制作弹性梁，其灵敏度结构系数不仅取决于弹性体结构形式和应变区的选择，而且和陶瓷材料的微结构、质量及机械强度等因素密切相关。

为此，进行了双孔梁的应力分析、抗冲击载荷分析、额定载荷计量等，并用计算机进行了有限元分析。

经模拟验证分析，选用图1a所示的双孔梁结构形式。

该梁的应力分布均匀对称，其应力最大点在弹性梁的最薄偏离两端处。

根据图1a所示的结构形式：
ε＝M／W．E （1）
式中：ε为应变量；M为弯矩；W为抗弯模数；E为弹性模量。

对于这类应变式弹性体上的全等臂电桥，其输出电压V
0和桥压V
i
有如下关
系：
V 0＝G
F
．ε．V
i
（2）
式中：G
F
为应变电阻的应变系数。

将式（1）代入式（2），可得：
V 0＝G
F
．M．V
i
／W．E （3）
对于矩形截面，
W＝1／6b．h2
式中：b为弹性体承载面宽度；h为弹性体承载梁厚度。

由A—A剖面分析，负荷F必须由一对剪力F／2与之平衡。

若取一应变电阻进行分析，F／2对应变电阻中心点的弯距为M
：
M
＝F（L／2－X）／2 （4）
以式（4）代入式（3），可得：
V 0＝3F（L／2－X）G
F
．V
i
／b．h2．E （5）
由式（5）可见，双孔梁的桥路输出和载荷F之间具有良好的线形，而且灵敏度高。

)(4
34211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-•
电阻应变式传感器的测量电路
电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。

电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R 后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。

因此，要采用转换电路把应变片的△R/R 变化转换成电压或电流变化。

其转换电路常用测量电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大。

下图为一直流供电的平衡电阻电桥，in E 接直流电源E ：
图2.6 传感器结构原理图
当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，此时直流电桥称为电压桥，即只有电压输出。

当忽略电源的内阻时，由分压原理有：
AD AB BD o u u u u -==
= （2.2）
当满足条件R 1R 3=R 2R 4时，即
3
421
R R R R =[]
[][])()()()()()(22R R R R R R R R E R R R R uo ∆-+∆+∆-+∆+∆--∆+=E R
R •∆=（2.3） o u =0，即电桥平衡。

式（2.3）称平衡条件。

应变片测量电桥在测量前使电桥平衡，从而使测量时电桥输出电压只与应变片感受的应变所引起的电阻变化有关。

若差动工作，即R1=R -△R,R2=R+△R,R3=R-△R ，R4=R+△R,按式（2.2），则电桥输出为
E k ε= (2.4)
常规的电阻应变片K 值很小，约为2，机械应变度约为0.000001—0.001，所以，电阻应变片的电阻变化范围为0.0005—0.1欧姆。

所以测量电路应当能精确测量出很小的电阻变化，在电阻应变传感器中做常用的是桥式测量电路。

桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E ，另一个对角线为输出电压Uo 。

其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，或则就有电压输出，可利用灵敏检
流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。

常用的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片，本设计中采用的是电阻丝应变片，为获得高电阻值，电阻丝排成网状，并贴在绝缘的基片上，电阻丝两端引出导线，线栅上面粘有覆盖层，起保护作用。

电阻应变片也会有误差，产生的因素很多，因此测量时必须要注意。

其中温度的影响最重要，环境温度影响电阻值变化的原因主要是：
U 0
A.电阻丝温度系数引起的。

B.电阻丝与被测元件材料的线膨胀系数的不同引起的。

对于因温度变化对桥接零点和输出，灵敏度的影响，即使采用同一批应变片，也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差，所以对要求精度较高的传感器，必须进行温度补偿，解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片，并从外部对它加以适当的补偿。

非线性误差是传感器特性中最重要的一点。

产生非线性误差的原因很多，一般来说主要是由结构设计决定，通过线性补偿，也可得到改善。

滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。

由于粘合剂为高分子材料，其特性随温度变化较大，所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。

测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，当应变片初始阻值：R1＝R2＝R3＝R4，其变化值ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4时，其桥路输出电压U out ＝KEε。

其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到改善。

前置大器部分
经由传感器或敏感元件转换后输出的信号一般电平较低；经由电桥等电路变换后的信号亦难以直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。

为此，测量电路中常设有模拟放大环节。

这一环节目前主要依靠由集成运算放大器的基本元件构成具有各种特性的放大器来完成。

放大器的输入信号一般是由传感器输出的。

传感器的输出信号不仅电平低，内阻高，还常伴有较高的共模电压。

因此，一般对放大器有如下一些要求：
1、输入阻抗应远大于信号源内阻。

否则，放大器的负载效应会使所测电压造成偏差。

2、抗共模电压干扰能力强。

3、在预定的频带宽度内有稳定准确的增益、良好的线性，输入漂移和噪声应足够小以保证要求的信噪比。

从而保证放大器输出性能稳定。

4、能附加一些适应特定要求的电路。

如放大器增益的外接电阻调整、方便准确的量程切换、极性自动变换等。

因此放大电路采用仪器放大器，如：AD620，INA114等。

此类芯片一般由3个运算放大器组成，其中A1，A2接成射级跟随器形式，组成输入阻抗高的差动输入级，在两个跟随器之间的附加电阻Rg具有提高共模抑制比的作用，A3为双端输入，单端输出的输出级，以适应接地负载的需要，
Rg V V i in in G -
+-=)21)((Rg R V V in in +-=-+))(21(12-+-+-=-=in in O V V Rg
R U V 放大器的增益由电阻RG 设定，典型仪器放大器的增益设置范围从1到1000。

以AD620为例，内部结构如下图所示：
图2.8 AD620的内部等效图
接口如下图所示：
图2.9 AD620的接口图
电路的工作原理：A1、A2工作在负反馈状态，其反向输入端的电压与同相输入端的电压相等。

即Rg 两端的电压分别为Vin+、Vin-。

因此
（2.5） 设图（2.8）中电阻R1=R2=R ，则A1、A2两输出端的电压差U 12为 )(2112Rg R R i U G ++=
（2.6） 将式（2.6）代入式（2.5）得
)
(-+-=in in O
V V V U A )21(Rg R +-=
放大器的增益Av 为
（2.7） 可见，仅需调整一个电阻Rg ，就能方便的调整放大器的增益。

由于整个电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低。

在接口图（2.9）中，通过改变可变电阻R3的阻值大小来改变放大器的增益，放大器增益计算公式如下：
49.413
K G R Ω=+ （2.8） AD620 具有体积小、功耗低、精度高、噪声低和输入偏置电流低的特点。

其最大输入偏置电流为20nA ，这一参数反映了它的高输入阻抗。

AD620在外接电阻Rg 时，可实现1~1000范围内的任意增益；工作电源范围为±2.3~±18V ；最大电源电流为1.3mA ；最大输入失调电压为125μV ；频带宽度为120kHz （在G=100时）。

AD620 是一种低耗高精度仪表放大器。

仅需一个外接电阻即可得到1～1000范围内的任意增益；±2.3V ～±18V 的电源电压；低功耗，最大电源电流1.3mA ，最大输入失调电压125uV ，最大温度漂移1uV/℃，最大输入偏移电流20nA ；最小共模抑制比93dB （增益=10）；输入电压噪声9nV （1KHz ）；0.28uV 噪声 （0.1Hz ～10Hz ）；带宽120KHz （增益=100）；建立时间15us （0.01%）。

AD620的增益是用电阻Rg 来决定的，即用引脚1和8之间的阻抗来决定的。

使用0.1%～1%的电阻，AD620就能提供精确的增益。

对G （增益）=1，Rg 引脚不连接（即Rg 为无穷大）。

其他的任何增益可按：
49.413
K G R Ω=+ 计算。

系统电源
变压器？设计电路时，选用LM317和LM337型号的芯片为核心来设计电源电路。

LM317特性简介以及典型应用电路如下：
特性：可调整输出电压低到 1.25V ；保证 1.5A 输出电流；典型线性调整率 0.01%；典型负载调整率 0.1%；80dB 纹波抑制比；输出短路保护；过流、过热保护；调整管安全工作区保护。

典型应用电路参考如下：
2)121(R Iadj R R Vref Vout •++•=)121(R R Vref Vout +•=)121(25.1R R Vout +•=
图3.13 LM317典型应用电路
其输出电压计算公式如下：
（3.5）
一般情况下电流Iadj 很小，忽略后可得： （3.6） 即：
（3.7）
最大输出电流为2.2A ，输出电压范围为1.25～37V ；1、2脚之间为1.25V 基准电压；为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆；改变R2阻值即可调整稳压电压值；二极管D1、D2用于保护LM317。

LM337基本特性功能和用法类似于LM317。