电阻式传感器

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持第五章电阻式传感器金属应变式传感器半导体压阻应变式传感器5.3测量电路原理电阻式传感器的基本原理将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化，再经过转换电路变成点信号输出。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。传感元件有应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等§5.1金属应变式传感器5.1.1工作原理应变片的基本结构和测量原理5.1.3电阻应变片的主要特性§5.1.1工作原理：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。设有一段长为。设有一段长为I,截面积为A，电阻率为，电阻率为p的导体（如金属丝），它具有的电阻为:R=pl式中：p—电阻丝的电阻率；I—电阻丝的长度；A—电阻丝的截面积。当它受到轴向力F而被拉伸（或压缩）时，其I、A和p均发变化，导体的电阻随之发生变化，电阻相对变化率推导为：对（5—1）两端取对数得：InR=lnp+lnI-InA等式两边微分有:dR~RdldAdp(5-2)材料的轴向线应变dl(5-3)在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为drdl(5—4)□为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反，则dRT=(1+2“)皆Lp(5—5)应变灵敏系数:(5—6)（1+2卩）决定于导体几何形状发生的变化dp/p决定于导体变形后所引起的电阻率的变化（压阻效应）金属导体应变灵敏系数，物理含义:是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。是单位纵向应变引起电阻的相对变化量J晋=心(5-7)Ks还与敏感栅的横向效应、粘结剂及粘粘结剂及粘贴工艺等诸多因素有关。电阻应变片灵敏系数略小于系数略小于Ks。§5.1.2应变计的结构主要有丝式、箔式和半导体等三种(a)丝式(b)箔式(c)半导体1—基底2—敏感栅3—盖层4—引线图典型应变计的结构型式基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。一般为0.02〜0.04mm敏感栅应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100Q以上盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。丝式应变片-敏感栅材料为直径约为0.025mn的高电阻率的电阻应变丝，弯成栅状电阻体，粘结在绝缘基片和覆盖片之间。文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持箔式应变片：利用照像制板或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（厚度为1－10微米）做在绝缘基底上，制成各种形状的应变片。具有尺寸准确，线条均匀，适合不同的测量要求，传递试件应变性能好，横向效应小，散热性能好，允许通过的电流较大，易于批量生产等诸多优点。应用较多，已经基本取代了丝式应变片。2.测量原理用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。应变片之所以应用得比较广泛，是由于它有如下的优点：测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测，误差小于1%。应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1%-2%适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用便于多点测量、远距离测量和遥测。价格便宜，品种多，工艺较成熟。§5.1.31.灵敏系数k当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：NR式中:(5-9)为应变计的灵敏系数必须指出，应变计的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，一般情况下，kvkO。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，k除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，通常采用从批量生产中每批抽样，在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 条件下通过实测确定即应变计的标定。故又称标定灵敏系数。上述规定条件是：试件材料取泊松比卩=0.285的钢；试件单向受力；应变计轴向与主应力方向一致。横向效应及横向效应系数H金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图5.3(a)5.3(a)所示。图5.3应变片轴向受力及横向效应(a)应变片及轴向受力图(b)横向效应由于试件承受单向应力。时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸£x和横向收缩£y。粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感主要分别敏感£xffi£y(如图5.3(b))，从而引起总的电阻相对变化为—=k*+k£nXXVIR=kx(l+aH)sx(5-10)式中:kx为纵向灵敏系数，它表示当£y=0时，单位轴向应变£x引起的电阻相对变化；ky为横向灵敏系数，它表示当£x=0时，单位横向应变£y引起的电阻相对变化。文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持双向应变比—双向应变灵敏系数比机械滞后实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载、过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后（zj）来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增（加载）、减（卸载）试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）之差值。通常在室温条件下，要求机械滞后zjv3—10卩£。实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。蠕变和零漂粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变，用B表示。当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂P。。蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求BV3—15卩£。引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的滑文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持移”所致。图5。4应变计的机械滞后特性图5。5应变计的蠕变和零飘特性选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。5应变极限应变计的线性（灵敏系数为常数）特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%寸的真实应变值，称为应变极限。如图5.6所示。图5。6应变计的应变极限特性应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标，通常要求£恤n80°0皿影响的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同§5.2半导体压阻应变式传感器文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持521基本工作原理522压阻式传感器的典型结构523压阻式传感器的特点§5.2.11.1.压阻效应和压阻系数对于半导体，由欧姆定律,微分后得引入式中，p—电阻率，—压阻系数，。一加载半导体上的应力dR(1R式中kE12-jI2)(E12)kL，半导体的压阻系数—(40—80)x10-11mi/N,弹性模量E=1.67x1011mi/N,其E值为（50-100）,远大于1+2卩。所以，硅压阻式传感器的灵敏系数远大于金属敏感栅的电阻灵敏系数。因而可直接用于测量。注意：在弹性变形范围内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻变化，而当应力去除时，硅的电阻由恢复到原来的数值。半导体的k值取决于半导体材料、导电类型、晶轴方向和杂质浓度等。压阻式传感器的弹性敏感元件通常都是由单晶硅制作的圆膜单晶硅是各向异性材料，取向不同时，特性不同，而取向是用晶文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持向表示的。所谓晶向就是晶面的法线方向。晶向确定之后，晶面就是确定的。1．2晶向、晶面的表示 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 结晶体是具有多面体形态的固体，由分子、原子或离子有规则排列而成。这种多面体的表面由称为晶面的许多平面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某一晶面为单位晶面，如图所示。此晶面与坐标轴上的截距为OAOBOC若己知某晶面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz,它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成式中p、q、r没有公约数（1除外）的简单整数（p、q、r互质）。为了方便取其倒数得：式中h、k、l没有公约数（1除外）的简单整数（h、k、l互质）。图5.7晶体晶面的截距表示依据上述关系式，可以看出截距为OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k、l来表示。h、k、l称为密勒指数。而晶向是晶面的法线方向，根据有关的规定，晶面符号为（hkl），晶面全集符号为{hkl},晶向符号为［hkl］，晶向全集符号为＜hkl＞。晶面所截的线段对于X轴,12文档收集于互联网，如有不妥请联系删除.文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持0点之前为正，0点之后为负；对于y轴,0点右边为正，0点左边为负；对于Z轴，在0点之上为正，0点之下为负。依据上述规定的晶体符号的表示方法，可用来分析立方晶体中的晶面、晶向。在立方晶体中，所有的原子可以看成是分布在与上下晶面相平行的一簇晶面上，也可以看做是分布在与两侧晶面相平行的一簇晶面上。要区分这不同的晶面，需采用密勒指数来对晶面进行标记。晶面若在X、Y、Z轴上截取单位截距时，密勒指数就是1、1、1。故晶面、晶向、晶面全集及晶向全集分别表示为（111）、［111］、｛111｝、＜111＞。若晶面与任一晶轴平行，则晶面符号中相对于此铀的指数等于零，因此与X轴相交而平行于其余两轴的晶面用（100）表示，其晶向为［100］;与y轴相交而平行于其余两轴的晶面为（010），其晶向为［010］;与Z轴相交而平行于X、Y轴的晶面为（001），晶向为［001］。同理,与X、Y轴相交而平行于Z轴的品面为（110），其晶向为［110］；其余类推。硅立方晶体内几种不同晶向及符号表示如图所示tioo]图5.8单晶硅内几种不同的晶向与晶面文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工艺来制造硅杯形的压阻芯片。在压阻传感器的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中，有时要判断两晶向是否垂直，可将两晶向作为两向量来表示。A[h,k,l]与B[h1、k1、11]两向量点乘时，若A丄B,必有可根据上式判断两晶向垂直与否。有时需要求出与两晶向都垂直的第三晶向，这可根据两向量的叉乘求出，即满足AXB=（式的向量C必然与向量A及向量B都垂直。1．3压阻系数及其影响因素1.3.1应力张量由弹性理论，弹性体内某一点的应力，能用九个应力分量组成的一个二阶应力张量T（如上图）所示T11T12T13TT21T22T23T31T32T33(6)由力和力矩平衡条件知道：所以（7）式为二阶对称张量，它有六个独立应力分量，故可写成文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持•Ti■■T■■T6（7）式中：TlTl1，T2T22,T3T33称为法向分量，而T4T23,T5T31,T6T12称为切向分量。1.3.2压阻系数若将单晶硅沿3个晶轴方向取一正平行六面体，并以3个晶轴为坐标轴。由于单晶硅上受9个应力分量，其中只有6个独立应力分量，即T1,T2,T3,T4,T5,T6。这些应力将使半导体的电阻率变化，法向应力分量T1,T2,T3与切向分量T4,T5,T6引起垂直方向上的电阻率相对变化分别为（Ji（J（J>>>引起剪切方向上的电阻率相对变化分别为宀）4Ch円）6>>>分别用1,2,3,4,5,6来表示。它们之间的关系可以用矩阵表示为由于法向应力不能产生剪切压阻效应，则有4142435152536162630文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.，同样，由于剪切应力不能产生正向压阻效应，则有1415162425263435360并且，由于剪切应力也不能在该剪切应力面以外产生压阻效应，所以，4546545664650。由于单晶硅是正立方体，3个轴完全等效，所以硅的晶体坐标系中压阻系数矩阵可简化为：显然，独立压阻系数只有11,12,443个，分别为晶轴方向上的纵向压阻系数、横向压阻系数和切向压阻系数分量，并通称11,12,44为基本压阻系数分量。在晶体坐标系中，l－纵向应力t－横向应力S—与I、t垂直方向上的应力l、t、S—与I、t、s对应的压阻系数当坐标轴与晶轴方向有偏离时，在考虑到SS，一般扩散深度为微米量级，垂直应力小的可以忽略。因此，电阻率变化公式为如何利用基本压阻系数分量求任意晶向的压阻系数？设P为任意方向，其在晶轴坐标系中的方向余弦为l^msni，沿p方向施加纵向应力TII时，引起电阻率变化的纵向压阻系数II为:设Q方向与P垂直，称Q为P的横向，设其方向余弦为丨2，口2,门2。若有应力th（横向应力）沿c方向作用在单晶硅上，预求反映此横向16文档收集于互联网，如有不妥请联系删除.文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持•应力th在单晶硅纵向p引起的电阻率系数h变化的作用，可按下式计算2.测量原理硅压阻式传感器由外壳、硅膜片和引线组成，其核心部分是做成杯状的硅膜片，通常叫做硅杯。外壳则因不同用途而异。在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连，如图5.11所示。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相通，也有做成真空的。当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，其电压大小就反映了膜片所受的压力差值。图5.11固态压阻传感器在单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图5.12(a)所示，其电阻相对变化率为I—纵向应力t—横向应力I—纵向应力系数t—横向应力系数图5.12力敏电阻受力示意图在硅膜片上，根据扩散电阻的方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图5.12(b)所示。扩散电阻长边平行于膜片半径时，为径向电阻Rr,垂直于膜片半径时为切向电阻Rt。当圆形膜片半径比扩散电阻的尺寸大的多时，其电阻相对变化可表示如下：式中r—径向应力t—切向应力通常硅膜片在受压时的形变非常微小，其弯曲挠度远小于硅膜片的厚度，并且膜片常取圆形。因而求膜片上的应力分布，可以归结为弹性力学中的小挠度圆薄板应变问题。设均匀压力为P,则薄板上各点的径向应力。r和切向应力。t与其作用半径r有如下关系：式中:r0、h为膜片半径、厚度，r为计算点处的半径，□为泊松比(硅取口=0.35）o平面膜片的应力分布如图所示。图平膜片的应力分布均布压力P产生的应力是不均匀的，且有正应力区和负应力区。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接。这样既提高输出灵敏度，又部分地消除阻值随温度而变化的影响。因此，压阻式传感器广泛米用全等臂差动桥路。在圆心处，3p(1)(「0、2在边缘r|r0t|r0&(h'，在边缘处，r|rr03p（「0）24（h）为了保证膜片在工作时的线性，使膜片处于小变形范围内。一般硅膜片处的应变量500，其相当应力值8107Pa就可以满足要求。由于压阻材料的阻值和灵敏度受温度的影响比金属应变片大得多，因而若采用恒压源供电，则不易消除温度的影响；若采用恒流源供电，其输出为因为I不随温度变化而变化，因而可大大消弱温度影响。=1AR§522文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持.压阻式传感器是20世纪60年代初出现的，随着半导体工业和集成电路的迅速发展，目前，这种传感器已在航空、宇航、风洞及其他领域得到广泛应用，此传感器有如下显著优点：灵敏度高。其灵敏系数比金属丝式应变片高约50〜100倍。因此其输出信号大，可达200mV左右，有些压力传感器的灵敏度高达50mV/MPa,可不用放大器直接驱动记录仪表。固有频率高，响应快。由于这种传感器小而轻，膜片直径小，刚度大，机械滞后小，横向效应小，自振频率很高。目前频率一般可达到50OkHz，国外有些公司的产品可达150OKHz结构简单，可方便地实现微型化，易于批量生产。由于压阻元件的制造是采用半导体集成电路工艺，因此其尺寸可以最大限度地小型化。目前国内研制的硅杯直径为1mm,国外已有多种外径小于1mr的超小型产品。小尺寸可满足密集安装的要求，并能提供准确的“点”压力。还可将计算处理电路和传感器集成在一起，制成“智能传感器”。精度高。它没有一般传感器所具有的传动件、粘结剂，因此其非线性和滞后误差都非常小。目前，精度一般为0.1%〜0.05%，较高的可达0.01%。工作可靠，抗振、抗干扰能力强。工作可靠，抗振、抗干扰能力强。压阻式传感器主要缺点是电阻和灵敏系数的热稳定性差，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。其使用温度范围受到一定限制，国内都在100C以下，国外多用50C以下，如采用水冷或温度补偿措施，工作温度可达500C。此外，其量程小，在测量大应变时，非线性较严重。受腐蚀性气体影响大、工艺复杂、要性较严重，要求严格、成本较高等。§5.3测量电路231直流电桥232交流电桥电阻应变计把机械应变信号转换成△R/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此,必须采用转换电路或仪器，把应变计的△R/R变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。直流电桥图5.9直流电路§5.3.1电桥如图5.9(a)所示，其等效电路为II二？TOC\o"1-5"\h\z11RiI2R2U(1)I3R3I4R4UI4R4I2R2ILRlUILRLI2R2I3R3丨2IlIi⑵丨4IlI3(I2Il)R〔i2r2u(I4Il)R3I4R4U(3)I4R4I2R2IlRlUUU⑷UILRLI2R2I3R3I2(R1R2)ILR1I4(R3R4)IlR314R412R2IlRl（4）前2式代入第（3）式则平衡条件为：J_八2"4JJL&+仏）（凡+&）+人1心（仏+人4）+人„妁+（5-17）这说明要使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等或相对两臂电阻的乘积相等，即4呂二凡&或(5-19)直流电桥电压灵敏度应变片工作时，其电阻变化很小，电桥相应输出电压也很小。要推动记录仪工作，须将输出电压放大，为此必须了解厶R/R与电桥输出电压的关系。如图5.9(b)，设R1为工作应变片，由于应变使电阻变化厶R1、R2、R3R4为固定电阻。U(为输出电压。并设，初始状态电桥平衡,为,当有AR1时，电桥输出电压Uo(R1R)uR4u(R1RR2)(R3R4)R)(R3R4)R4(RRR2)口R4)尺R3RR4(1&£)(1區)R1RR4(R1R1R2)(R3R1R3(R1R1R2)(R3R4)R1R1(5-20)上式化简过程中应用到了电桥平衡条件设桥臂比，由于电桥初始平衡有，略去分母中的得电桥输出为:(1+n)2尽(5-21)单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为Su——UoR1/R1(1n)2显然，Su与电桥电源电压成正比，同时与桥臂比n有关U值的选择受应变片功耗的限制U值确定后，取dn，则有(1+?7)3n=1时，电桥灵敏度最咼为非线性误差及其补偿上二式说明，当电源电压U及应变片电阻相对变化一定时，电桥得输文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持出电压及其电压灵敏度与各桥臂的阻值无关。由式(5-20)、(5-21)得非线性误差为将分母式中:为实际输出。如果n=1，即为四等臂电桥，则1+M/2X按幕级数展开取一阶近似，有设初始时,，则(5—25)取一阶近似，有可见非线性误差谢与AR/R成正比，有时能够达到可观的程度。为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥。如图5.10(a)，试件上安装两个工作应变片，一片受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂，跨在电源二端。电桥输出电压：图5.10差动电路&=乩=R=A7?1=ARq1234•12可见输出电压U0WAR/R成严格的线性关系，没有非线性误差，而且电桥灵敏度Sj/_翠IR、(5—26)与式(5-23)比较，显然提高了一倍，还具有温度补偿作用。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在电桥臂中往往安置多个应变片。电桥也可采用二臂或四臂等电桥。如图5.10(b)为四臂，同理可得电桥输出电压为(5—27)电压灵敏度为:Sa=Uo为单臂情况下的四倍(二臂情况下为单臂时的二倍)利用电桥的特性不仅可以提高灵敏度，还可以抑制干扰信号，因为当电桥的各臂或相邻两臂同时有某一个增量时，对电桥的输出没有影响。直流电桥的优点：高稳定度的直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连线导线的分布参数影响小等。但是后续要采用直流放大器，容易产生零点漂移，线路也比较复杂。因此应变电桥现在多采用交流电桥。恒压源供电时的电桥输出如图所示U0UbdU(RRRt)U(RRRt)RRRtRRRtRRRtRRRtURRRt式中：R四个均值电阻的阻值；△F应力引起的电阻值变化；△Rr温度引起的扩散电阻的变化；当温度没有变化或米取温度补偿措施后，△Rr=0,贝卩，UURUR电桥电压与R成正比，并与电桥电压0rrtRRU也成正比。但若△RrM0,则电桥输出还与温度有关。5.恒流源供电时的电桥输出如图所示供电的恒流源供电，假设电桥的两个支路电阻相等，即那么每支路的电流相等，都等于总电流的1，即_Lo，因此电桥的输22出为上式表明，恒流源供电的电桥输出与应力引起的电阻变化量即R成正比，与恒流源的电流成正比，即输出与恒流源的供电电流的大小与精度有关，但是与温度无关，不受温度影响，这是恒流源供电的优点。§1.交流电桥的平衡条件的平衡条件图5.11交流电路图5.11中,为复阻抗,为交流电压源，开路输出电压为根据交流电路分析（和直流电路类似）可得平衡条件式中:为各桥臂电阻和电抗，为各桥臂复阻抗的模和幅角因此，交流电桥的平衡条件必须同时满足:或（5-28）设交流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片厶R1改变R1,引起Z1变化△Z1，可有乙AZ】(1+》+》)(1+冬)(5—30)略去分母中的△Z1/Z1，并设初始时，则右UAZ1c/o=(5-31)04Z\电桥的调平就是确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件（初始输出为零）。在实际的应变测量中，由于各桥臂应变计的性能参数不可能完全对称，加之应变计引出导线的分布电容，如图5.12（其容抗与供桥电源频率有关），严重影响着交流电桥的初始平衡和输出特性。因此必须进行预调平衡。则有由式（5-28）可知交流电桥的平衡条件为：对于全等臂电桥，交流电桥的平衡条件为2.2.交流电桥调平交流电桥调平上式表明：交流电桥平衡时，必须同时满足电阻和电容平衡两个条件。为此，在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节，即电阻调平法和电容调平法。①串联电阻法图5.13电阻调平桥路（a）串联法（b）并联法如图5.13（a）所示，图中R5由下式确定。"II&Imax(5—32)②并联电阻法如图5.15（b）所示。多圈电位器R5对应于电阻应变仪面板上的“电阻平衡”旋扭。调节旋扭。调节R5即可改变即可改变桥臂A餉CD勺阻值比，使电桥满足平衡条件。其可调平衡范围取决于R6的值：R6愈小,可调范围愈小，可调范围愈大，但测量误差也愈大。因此，要在保证精度的前提下选得小些。R5可采用R6相同的阻值。R6可按下式确定：件1+戶1\1\^\)max(5-33)(2)电容调平法图5.14电容调平桥路(a)差动法(b)阻容法差动电容法如图5.14(a)所示。C3和C4为同轴差动电容。调节时，两电容变化大小相等，极性相反，以此调整电容平衡。阻容调平法如图5.14(b)。其靠接入T形阻容电路起到电容预调平的作用。必须注意：在同时具有电阻、电容调平装置进行阻抗调平的过程中，两者应不断交替调整才能取得理想的平衡结果。5.4电阻式传感器的应用5.4.1应变测量对于四臂电桥，输出为对于应变片Ks：金属导体应变灵敏系数，物理含义：是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。MP(l1I2)MEWM仪-P仪EWEW，e若是全桥，有环形弹性元件上图中任意角度截面处的弯距M©、轴向力N©、和剪力Q©为零弯距截面角为PR2M（—sin）=02在90度处的应力为在全桥电路中（a）,在半桥桥电路中（b）,文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑•欢迎下载支持由输出信号即可得到应变值。可用于应变测量，结构应变测量可以 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 结构载荷。5.4.2电阻应变片式测力传感器5.4.2.1常用弹性元件的结构型式1.悬臂梁式弹性元件一一小量程，高灵敏度力作用点位置误差，会导致测量误差。为了消除作用点测量误差，采用下图测点布置。并按下列布置电桥。Pe,E仪，Pe仪EW文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持图中已经消除了截面内轴向力的影响。用于测量两向力的扁环式弹性元件通过力学分析，可得其左边与右边圆弧部分截面的弯距为:3时，M/20.1817PR，可见对称平面内弯距与水平力无关。测量电路为:同理，要求横截面内力矩不包含垂直载荷，仅为水平载荷的函数，即3954'，在此角度截面的弯距为MHRcos3954'0.386HR，测量电路为：2其指示应变值为