应变片电桥压力传感器初步报告

课程设计初步报告

课题名称：应变片设计测力系统

一．电阻应变式压力传感器

电阻应变式压力传感器工作原理

电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把 4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

因全桥工作时候输出的电压信号较大，线性稳定性较好，所以我们采用全桥工作，用四臂工作的全桥接法时测量电桥有较高的灵敏度应变片式位移传感器测量精度也较高，能起到温度自动补偿的作用。

下图为悬梁式弹性体和全桥的基本结构：

电桥电阻失平衡

由工艺上的原因，扩散杂质通常在硅片上的分布是不均匀的。压力传感器芯片力敏屯阻之问往往肯一定的间距，其掺杂景也会出现筹别”1。在这种情况下，传感器制成后．使出现电桥的零点失平衡

电阻应变片的工作原理

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

传感器电路设计

如图为路三运放高共模抑制比放大电路的组合电路

电桥电压为5V，此时放大电路的输入电压(即电桥输如周围环境温度变化算成漂移为。通过选择时，使输出电压和的变化控制在额定输出以内，则容许放大电路的输入换的失调电压温度系数的一致性，这个数值是比较容易实现的。若输出电压为5V，则增益可600倍。

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二阶低通滤波器

这种二阶低通电路中，放大倍数H不能任意指定，当3-H<0时，滤波器电路不稳定。

一般的常取R1=R2，C1=C2 ,增益H=(R3+R4)/R3 , 滤波器低通截止频率W=1/R*C

下图为并联二极管包络检波电路

某些情况下，需在中频放大器与检波器间接入隔值电容,为防止中频放大器的集电极电压加到检波器上。可采用并联型检波电路。

C 为负载电容，并兼作隔直电容；RL 为负载电阻，与二极管并联，为二极管电流中的平均分量提供通路。•检波的物理过程与串联型相同。

D 导通时,向 C 充电τ充=RDC ; D截止时,C 通过RL 放电τ放=RLC ；达到动态平衡后，C 上产生与串联电路类似的锯齿状波动电压Uc ,该电压的平均值为Uav 。因输出U0 中还包括输入US 直接通过C 在输出端产生的高频电压，U0=US-UC所以需在检波器后继电路中另加低通滤波器滤除高频成分。•从能量观点：∴较串联型小

并联二极管包络检波电路

设计电路的计算公式

全桥上全桥电路输出电压为

U(k)=U1-U2=（变化的电阻/单个电阻R1）*E (1)

其中R1=R2=R3=R4

N1，N2输出电压差值为

U(L)=[1+(R5+R6)/R7](U1-U2) (2)

U(j)=-(R11/R13)U(L) (3) U(o)=-(R15/R16)U(J) (4) 综上（1）（2）（3）(4)可以计算出

U(o)=(R15/R16)(R11/R13)[1+(R5+R6)/R7]（变化的电阻/单个电阻）*E (5)

该电路还有增益调节能力，调节R7可以改变增益而不影响电路的对称性

N3的两端接入R8，R9，R10.的共模补偿电路，通过调节R10则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比

电路要求

（1），N1，N2的性能一致（主要指输入阻抗，共模抑制比和增益）

（2），N1，N2，N3具有低的输入失调电压和电流

（3）由于电路的对称性，要求R5=R6，R8=R9，R11=R12，R13=R14

具体参数初步设计

1. 其中设计要求为测力系统量程为0-1.999KG 采用悬梁式的弹性体，输出信号为0-5V的直流电压

2 由公式U(o)=(R15/R16)(R11/R13)[1+(R5+R6)/R7]（变化的电阻/单个电阻）*E

可设定R15=10*R16=100欧，R11=10*R13=100欧，R5=R6=50欧,R7全阻值=200欧，R1=R2=R3=R4=350欧

3R10 应为十几欧至几百欧

4 倍数约为600倍左右。

5 若增加电桥电压，放大电路本身长的漂移增大，受应变片允许功耗的限制。因此，电桥电压以不超过6V为宜。