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對于金屬應變片式傳感器而言，為安全起見，要對于金屬應變片式傳感器而言，為安全起見，要求金屬材料的軸向應變最好不要大于求金屬材料的軸向應變最好不要大于1 10-3 即：要求其機械應變小即：要求其機械應變小 要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來；要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來； 同時要把電阻相對變化同時要把電阻相對變化R/ R轉換為電壓或電流的轉換為電壓或電流的變化。變化。惠斯頓電橋惠斯頓電橋ABCD當被測量無變化，四橋臂滿足一定的關系，輸出為零，電橋處于平衡狀態；當被測量發生變化時，測量電橋平衡被破壞，有電壓

2、輸出。n戴維南定理：任何線性含源一端口網絡對于外戴維南定理：任何線性含源一端口網絡對于外部性能來說，可以用一個電壓源等效代替。其部性能來說，可以用一個電壓源等效代替。其電壓源的電壓等于原一端口網絡的開路電壓電壓源的電壓等于原一端口網絡的開路電壓U UO O，其內阻等于原一端口網絡變為無源一端口網絡其內阻等于原一端口網絡變為無源一端口網絡后的入端電阻后的入端電阻R Rk k。應用戴維南定理的關鍵是求。應用戴維南定理的關鍵是求開路電壓和入端電阻開路電壓和入端電阻Uo等于等于輸出輸出兩端將負載開路后的電壓；兩端將負載開路后的電壓；Rk等于含源二端網絡變為無源二端網絡時等于含源二端網絡變為無源二端網絡

3、時（將獨立源置零）的入端電阻。（將獨立源置零）的入端電阻。ABCD開路電壓開路電壓電阻電阻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 負載開路時的輸入電阻負載開路時的輸入電阻R Rabab f1234123423143124abf12341324RRRRRR R RR R RR R RR R RRRRRRRRRRR 負

4、載電阻為負載電阻為R Rf f時的輸入電阻時的輸入電阻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內阻為零時的輸出電阻內阻為零時的輸出電阻R Rcdcd內阻為內阻為R RO O時的輸出電阻時的輸出電阻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量臂的單位相電橋測量臂的單位相對變化量對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表示來表示UI00SSuiRRRR或對于等臂電橋對于等臂電橋對于等臂電橋I = 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、橋補償雙橋補償U2直流電橋的溫漂補償直流電橋的溫漂補償n由于電橋各元件的溫度系數不一致，電橋由于電橋各元件的溫度系數不一致，電橋結構零件熱膨脹系數的不一致，焊點及引結構零件熱膨脹系數的不一致，焊點及引出線電阻值不對稱或不穩定而引起的電橋出線電阻值不對稱或不穩定而引起的電橋輸出隨溫度變化而變化的現象輸出隨溫度變化而變化的現象n溫漂補償包括：溫漂補償包括：熱敏補償法熱敏補償法非熱敏補償法非熱敏補償法熱敏補償法熱敏補償法在電橋的某一個臂在電橋的某一個臂串接阻值串接阻值較小而溫度系數較大較小而溫度系數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非熱敏的小電阻并接一個非熱敏的小電阻r r1 1，使得使得r r1 1與熱敏電阻與熱敏電阻R Rt t并聯后并聯后達到實際所需的補償范圍達到實際所需的補償范圍1t21tr RrrR 熱敏補償法熱敏補償法箔式補償片采用溫度箔式補償片采用溫度系數較大的金屬箔光系數較大的金屬箔光刻成型，在補償調節刻成型，在補償調節過程中通過實際試驗過程中通過實際試驗觀察，用小刀切去補觀察，用小刀切去補償片的一些網絡，以償片的一些網絡，以此使補償片的有效電此使補償片的有效電阻發生變化，直到達阻發生變化，直到達到所希望的補償范圍到所希望的補償范圍非熱敏補償法非熱敏補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比溫度系數比R R2 2大，即大，即1 12 2。當我們在。當我們在R R1 1橋橋臂中串入了臂中串入了R Rs s，又并聯了，又并聯了R Rc c這兩個電阻之后，則這兩個電阻之后，則R R1 1所在橋臂的阻值發生變化，所在橋臂的阻值發生變化， 直流電橋的非線性補償直流電橋的非線性補償一般通過控制電橋電源隨輸入信號變化來進行補償一般通過控制電橋電源隨輸入信號變化來進行補償非線性補償非線性補償一般來說，電橋的輸入一般來說，電橋的輸入輸出關系曲線容易出現拋輸出關系曲線容易出現拋物線狀，因此我們可以選物線狀，因此我們可以選擇一種半導體應變片，將擇一種半導體應變片，將

9、它與傳感生理信號的橋臂它與傳感生理信號的橋臂元件安裝在一起。元件安裝在一起。 為了控制補償作用的大小，用一個小電阻為了控制補償作用的大小，用一個小電阻r r1 1與半導與半導體補償片并聯，仔細調節體補償片并聯，仔細調節r r1 1的數值，可以在較大的的數值，可以在較大的范圍內補償電橋的非線性范圍內補償電橋的非線性UUOBAC直流電橋的靈敏度溫漂補償直流電橋的靈敏度溫漂補償n由于電橋測量臂本身靈敏度、電橋相關機由于電橋測量臂本身靈敏度、電橋相關機械結構的彈性模數、系統熱膨脹系數隨溫械結構的彈性模數、系統熱膨脹系數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、現象而變化的現象n通常采用熱敏元件進行補償通常采用熱敏元件進行補償靈敏度溫漂補償靈敏度溫漂補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，從而使電橋的測量靈敏度隨溫度的變化的測量靈敏度隨溫度的變化而變化。這一變化量經過仔而變化。這一變化量經過仔細調整之后可以與電橋本身細調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，從而達到補償的目的從而達到補償的目的UUO直流電橋的標準化補償直流電橋的標準化補償n對于由于電橋本身元件性能的不一致和加對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通常采用標準化補償方法進行補償通常采用標準化補償方法進行補償標準化補償標準化補償R Rk k為靈敏度標準化補償為靈敏度標準化補償電阻，通常采用溫度系電阻，通常采用溫度系數很小的電阻，接入電數很小的電阻，接入電橋的輸入端用以微調電橋的輸入端用以微調電源的實際供給電橋的電源的實際供給電橋的電壓，從而達到微調電橋壓，從而達到微調電橋實際靈敏度的目的實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，從而得到了電與電橋的輸入等效電阻相并聯，從而得到了電橋的最終輸入電阻，微調橋的最終輸入電阻，微調R Ri i可以使電橋的輸入電阻可以使電橋的輸入電阻達到較好的一致性達到較好的一致性。綜

12、合補償方法綜合補償方法綜合補償方法綜合補償方法 21mm12gR KKR1TKK1T 21sm2R KKRRK tmst4XRRRR1000 T tmso4XRRRR1000 靈敏度溫靈敏度溫漂漂補償電阻補償電阻靈敏度標靈敏度標準化補償準化補償電阻電阻溫漂溫漂補償電阻補償電阻零位平衡零位平衡補償電阻補償電阻K K1 1：溫度為：溫度為T T1 1時時的電橋靈敏度的電橋靈敏度K K2 2：溫度為：溫度為T T2 2時時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溫度系數g g：電橋敏感元：電橋敏感元件的電阻溫度系數件的電阻溫度系數：R Rt t的電阻溫度的電阻溫度系數系數 b

13、Ph L/2彈簧片 應變片 血壓 連桿 膜片 應變片支架彈簧片 (a) (b)高靈敏度的簡支梁結構的血壓傳感器原理高靈敏度的簡支梁結構的血壓傳感器原理EbhFl26 半導體壓阻應變片彈簧片基座 敏感膜片 導桿 絕緣座外殼半導體壓阻型脈搏傳感器半導體壓阻型脈搏傳感器導管端部的側面開有一膜片窗口，它將外界壓力變化傳遞到硅片上。導管端部的側面開有一膜片窗口，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，當受到壓力造成彎曲時，以中間金屬片為中心面，兩硅片產生相反的應變變形，造成彎曲時，以中間金屬片為中心面，兩硅片

14、產生相反的應變變形，兩硅片阻值的變化方向相反。以兩硅片阻值作為測量電橋相應的橋兩硅片阻值的變化方向相反。以兩硅片阻值作為測量電橋相應的橋臂，則可測出外界的壓力變化。臂，則可測出外界的壓力變化。例題例題例：一臺用等強度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上面、下面例：一臺用等強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變片（靈敏度為各貼兩片相同的電阻應變片（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, ,現將四個應變片接入圖（現將四個應變片接入圖（b)b)直流橋路中，電源電壓直流橋路中，