1、2.4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路2.4.1直流電橋1.平衡條件當(dāng)盡->8時(shí)，電橋輸岀電壓:E|'|»/ 、衛(wèi)1+人23 + 4 >(2 - 24)圖2-11直流測(cè)量電橋當(dāng)電橋平衡時(shí)Qo=O ,所以：/?1人4二人2®或=R3/R4 (2-25)2.電壓靈敏度若Ri由應(yīng)變片替代，當(dāng)電橋開路時(shí)，不平衡 電橋輸出的電壓為：& +R、+ R2-)=ER3+R4R'Rq R2R3 + Al?7?4(R、+ A7?i + R2)(R3 + R4)j R4R R3E =E(/?! + A/?】+ 人2)(人3 + 人4)(1 +生 | 人2)(1| 魚)弘心

2、 R3(2-26)設(shè)橋臂比力=盡/心由于鳥VV鳥，可得:5"為贊=6(2 27)Sy =(2-28)分析(228)式： 電橋的靈敏度Q正比于供橋電壓風(fēng) 電橋的靈敏度Q是橋臂比的函數(shù)。當(dāng)供橋電壓E確定后，由求得12=1時(shí)，&為最大。即：在當(dāng)供橋電壓E確定后，當(dāng)R、=險(xiǎn) 盡=尺時(shí), 電橋的靈敏度最高。此時(shí)，可分別將(2-26)式、(2-27)式、 (2-28)式簡(jiǎn)化為：Uo=-E-(2-29)4& J覘2 R、丄E匹(2-30)04 Rx(2-31)結(jié)論：當(dāng)供橋電壓和電阻相對(duì)變化一定時(shí), 電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且 與各橋臂阻值大小無(wú)關(guān)。3.非線性誤差及其補(bǔ)償方

3、法(1)非線性誤差實(shí)際的非線性特性曲線與理想的線性 特性曲線的偏差稱為絕對(duì)非線性誤差； 絕對(duì)非線性誤差與理想的線性特性曲線 的比稱為相對(duì)非線性誤差，用r表示。II+i+1 +IIK *+IIi+K *+1K *2i3IIU|Uo |oI1IIiK *+2(2)減小或消除非線性誤差的方法提高橋臂比從(2-32)式可知，提高橋臂比12可使 非線性誤差減小；但電橋電壓靈敏度Q 將降低。為了不降低Q,必須適當(dāng)提高 供橋電壓鳳§采用差動(dòng)電橋a.半橋差動(dòng)替代，且使一個(gè)應(yīng)變片E|圖2-12半橋差動(dòng)電路如果橋臂電阻盡和鄰邊 橋臂電阻甩都由應(yīng)變片 受拉，另一個(gè)受壓，這 種接法稱為半橋差動(dòng)工 作電路。當(dāng)

4、電橋開路時(shí)，不平衡電橋輸出的電壓為:R、+ A7?|U0 = E j R、+ A7?j + 7?2 A/?2 R3 + R4 丿(2-33)AR =A7?2，R = R” R3 = R4(2-34)結(jié)論：Q與力鳥/?1成線性關(guān)系，差動(dòng)電橋無(wú)非線性誤差；電壓靈敏度Q=E/2、比使用單只應(yīng)變片提高了一倍。b全橋差動(dòng)若滿足圖2-12全橋差動(dòng)電路*hR、=J?2 ='Rs =&Ra 則輸出電壓為：可見：全橋差動(dòng)電橋也無(wú)非線性誤差;電壓敏度Q蟲 是使用單只應(yīng)變片的4倍,比半橋差動(dòng)提高了倍O2.4.2交流電橋1.交流電橋平衡條件交流電橋輸出電壓為:(JZ3 USC=USRN+Z2 Z3+Z

5、4 丿Z1Z4 _ Z2Z30 G(z1+z2)(z3+z4)-ZiZ2圖214交流電橋所以橋路平衡條件為:ZjZ4 = Z2Z3, 三二玉 (2-37) 乙乙設(shè)各橋臂阻抗為：乙=巧方西=NCXp(j0i) 爲(wèi)=三方花=qex誡朗 今 方馮=?exp(j03)乙=卩方西=exp(j04)(2-39)得交流電橋平衡條件的另一形式:ZZZ2Z3或:01+ 04= 02十 03(2-40)巧西+好1=家+啦2交流電橋的不平衡狀態(tài)單臂交流電橋AZ(2-41)半橋差動(dòng)電路C 勺烏 (2-42)全橋差動(dòng)電路AZ,Use = 5r(2-43)3.交流電橋的調(diào)平方法由于弓I線產(chǎn)生的分布電容的容抗（引線電感忽略

6、）、供電電源的頻率及被測(cè)應(yīng)變片 的性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性都將受到嚴(yán)重影響，因此必須對(duì)電橋預(yù)調(diào)平衡。交流電橋的平衡可用電阻調(diào)整和電容調(diào) 整或阻容調(diào)整的方法。圖2J5交流電橋平衡調(diào)節(jié)1（ R+R2）=【2（人3+人4）P丿SRR22.4.3恒流源電橋半導(dǎo)體應(yīng)變電橋的非線性誤差很大，故半導(dǎo)體 應(yīng)變電橋除了提高橋臂比、采用差動(dòng)電橋等措施外,一般還采用恒流源.1.電橋輸岀電壓與電阻變化量的若右圖所示的電路輸入 阻抗較高，則有：圖214恒流源電橋/ = Z1+Z2二7?3+人4解該方程組得:R、+ 7?2 + R3 + R4二 & + 7?2R、+ 7?2 + R3 + R4輸

7、出電壓為:_ R =R&4 - R2R32 37?1 + 7?2 + 尺3 + 尺4若電橋初始平衡，且R=R2=R3=R,=R,當(dāng)?shù)?一橋臂電阻尺變?yōu)槌咚沙邥r(shí)，電橋輸岀電壓若滿足ARi(2 45)輸岀電壓與尺成正比，即與被測(cè)量成正比。 輸岀電壓與恒流源供給的電流大小、精度有關(guān), 與溫度無(wú)關(guān)。2.非線性誤差使用恒流源的非線性誤差為:宀1二Uo 4R + AR觀一竺(2-46) 竺 47?4若采用恒壓源，非線性誤差為:1 A7?2 R2 R2.5固態(tài)壓阻式傳感器 2.5.1壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理 用集成電路工藝技術(shù)，在硅片上制造岀四 個(gè)等值的薄膜電阻，組成電橋。當(dāng)不受力時(shí)， 電橋無(wú)電

8、壓輸出；受力時(shí)，電橋失去平衡，輸. 出與應(yīng)力成正比的電壓。壓阻式傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的 壓阻效丿：當(dāng)半導(dǎo)體（單晶硅）材料某一軸向 受外力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。詳見本 書213中的半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理。2.5.2壓阻系數(shù)1.壓阻系數(shù)的定義半導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化近似等于電阻率的相對(duì)變化，而電阻率的相對(duì)變化與應(yīng)力成正比，二者的比例系數(shù)定義為O電阻相對(duì)變化量對(duì)金屬材料對(duì)半導(dǎo)體材料壓阻系數(shù)為：些=絲 + (1 + 2 心(2-11)R P誓=(1 + 2“)£=71(7 =心見咕竺亠竺3(2-47)CF2.影響壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度弘的關(guān)系溫度。擴(kuò)散雜質(zhì) 濃度傀增加時(shí)， 壓阻系數(shù)就會(huì)減 小。壓阻系數(shù)與 擴(kuò)散電阻表面雜 質(zhì)濃度弘的關(guān)系 如圖。2.5.3固態(tài)壓阻器件利用固體擴(kuò)散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到