应变式传感器应用举例精品PPT课件

传感器原理与应用——第二章
② 采用差动电桥
a.半桥差动
R1+ΔR1
R2-ΔR2
如果桥臂电阻R1和邻边桥臂电 阻R2都由应变片替代，且使一
RL U0
R3
R4
E
个应变片受拉，另一个受压，
这种接法称为半桥差动工作电 图2-12 半桥差动电路
路。
传感器原理与应用——第二章
当电桥开路时，不平衡电桥输出的电压为：
b. 全桥差动 若满足 ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 则输出电压为：
R1+ΔR1 R3 -ΔR3
R2-ΔR2
RL
U0
R4+ΔR4
U0
E
R1
R1
E 图2-12 全桥差动电路
可见：全桥差动电桥也无非线性误差；电压敏度
SV=E 是使用单只应变片的4倍，比半桥差动提高了 一倍。
传感器原理与应用——第二章
偏差称为绝对非线性误差； 绝对非线性误差与理想的线性特性曲线 的比称为相对非线性误差，用r 表示。
传感器原理与应用——第二章
( R4 )( R1 )E R3 R1
r
U0
U
' 0
U
' 0
U0
U
' 0
1
1
(
R1 R1
)
(
R2 R1
)(1
( R4 )( R1 )E
R4 ) R3
1
R3 R1
(1 R2 )(1 R4 )
传感器原理与应用——第二章
2.4.3 恒流源电桥
半导体应变电桥的非线性误差很大，故半导体应变
电桥除了提高桥臂比、采用差动电桥等措施外，一般
还采用恒流源.
1. 电桥输出电压与电阻变化量的关系
若右图所示的电路输入
R1
I1 R2
阻抗较高，则有：
USC
R3 I2
R4
I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 )
1 4
E
R1 R1
1
1 1 R1
2 R1
（2 29）
U
0
1 4
E
R1 R1
（2 30）
SV
1E 4
（2 31）
结论：当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输
出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无
关。
传感器原理与应用——第二章
3．非线性误差及其补偿方法
（1）非线性误差 实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的
R4
)
E
(1
R1 R1
R3 R2 )(1
R4
)
E
R1 R1
R3
(2-26)
传感器原理与应用——第二章
设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1<<R1 ,可得:
U0
E
n
1 n2
R1 R1
U
0
（2 27）
SV
U0 R1
n
E 1 n2
R1
分析(2-28)式：
（2 28）
①电桥的灵敏度SV 正比于供桥电压E。 ②电桥的灵敏度SV 是桥臂比的函数。
U0
E
R1
R1 R1 R1 R2
R2
R3 R3 R4
（2 33）
若 R1 R2，R1 R2，R3 R4 ， 则：
U0
1 2
E
R1 R1
（2 34）
结论：U0 与ΔR1/R1 成线性关系，差动电桥无非线性
误差；电压灵敏度SV= E/2 ，比使用单只应变片提 高了一倍。
传感器原理与应用——第二章
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2.4.2 交流电桥 1．交流电桥平衡条件
交流电桥输出电压为：
U SC
U SR
Z1 Z1 Z2
Z3 Z3 Z4
Z1Z 4
Z1 Z2
Z2Z3
Z3 Z4
（2 36）
Z1
Z2
USC
Z3
Z4
USR ~
图2-14 交流电桥
所以桥路平衡条件为：
Z1Z4 Z2Z3 ，或
Z1 Z3 Z2 Z4
(2-39) (2-40)
传感器原理与应用——第二章
2. 交流电桥的不平衡状态
① 单臂交流电桥 ② 半桥差动电路
U SC
1 4
U
SR
Z1 Z1
U SC
1 2
U
SR
Z1 Z1
③ 全桥差动电路
U SC
U SR
Z1 Z1
（2 41）
（2 42） （2 43）
传感器原理与应用——第二章
3. 交流电桥的调平方法 由于引线产生的分布电容的容抗(引线电感忽略)、供 电电源的频率及被测应变片的性能差异，交流电桥的 初始平衡条件和输出特性都将受到严重影响，因此必 须对电桥预调平衡。
（2 37）
传感器原理与应用——第二章
设各桥臂阻抗为: Z1= r1+jx1 = z1exp(jφ1) Z2= r2+jx2 = z2exp(jφ2) Z3= r3+jx3 = z3exp(jφ3) Z4= r4+jx4 = z4exp(jφ4)
(2-38)
得交流电桥平衡条件的另一形式：
或：
z1z4=z2z3 φ 1+ φ 4= φ 2+ φ 3 r1r4-r2r3=x1x4-x2x3 r1x4+r4x1=r2x3+r3x2
(2-25)
传感器原理与应用——第二章
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输
出的电压为:
U0
E( R1 R1 R1 R1 R2
R3 R3 R4
)
E
R1R4 R2R3 RR4 (R1 R1 R2 )(R3 R4 )
R`1 R4
(R1
R1R4 R1 R2 )(R3
交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整或阻容调 整的方法。
传感器原理与应用——第二章
直流电桥的调平方法
R1
R2
R3
R4
W （a）
R1
R2
R3
R4
W1
W2
（b）
R1
R2
R3
R4
W （c）
传感器原理与应用——第二章
C1
C2
R1 R2
USC
R3 R4
C3
C4
USR
~
R1
R2
USC
R3
R4
USR
~
图2-15 交流电桥平衡调节
传感器原理与应用——第二章
2.4 电阻应变片的测量电路
2.4.1 直流电桥
R1
R2
1．平衡条件
RL
U0
当RL→∞时，电桥输出电压:
R3
R4
E
U0
E
R1 R1 R2
R3 R3 R4
（2
24）
图2-11 直流测量电桥
当电桥平衡时,U0=0，所以:R1 R4 = R2 R3
或 :R1/R2 =R3/R4
传感器原理与应用——第二章
当供桥电压E 确定后，由
SV n
1 n2 0 (1 n)4
0
求得n=1时，SV为最大。即：在当供桥电压E确定后， 当R1= R2、R3= R4 时，电桥的灵敏度最高。
传感器原理与应用——第二章
此时，可分别将（2-26）式、（2-27）式、（2-28）
式简化为
：
U0
R1
R3
1
1 R1 R2
1 R2
R1
R1 1
R1
1
1
R1 R1
R2
1
1
R1 R1
R2
1 R2
R1 R1
R1 R1
R1
（2-32）
传感器原理与应用——第二章
（2）减小或消除非线性误差的方法
① 提高桥臂比 从（2-32）式可知，提高桥臂比n可使非线性误差减 小；但电桥电压灵敏度SV 将降低。为了不降低SV ， 必须适当提高供桥电压E。