應變式傳感器應用舉例第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二2．電壓靈敏度若R1由應變片替代，當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為:(2-26)第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二設橋臂比n=R2/R1,由于ΔR1<<R1,可得:分析(2-28)式：①電橋的靈敏度SV正比于供橋電壓E。②電橋的靈敏度SV

是橋臂比的函數(shù)。第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二當供橋電壓E確定后，由求得n=1時，SV為最大。即：在當供橋電壓E確定后，當R1=R2、R3=R4

時，電橋的靈敏度最高。第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二結(jié)論：當供橋電壓和電阻相對變化一定時，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關(guān)。此時，可分別將（2-26）式、（2-27）式、（2-28）式簡化為：第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二（1）非線性誤差

實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非線性誤差；絕對非線性誤差與理想的線性特性曲線

的比稱為相對非線性誤差，用r表示。

3．非線性誤差及其補償方法第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二（2-32）第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二①提高橋臂比從（2-32）式可知，提高橋臂比n可使非線性誤差減小；但電橋電壓靈敏度SV

將降低。為了不降低SV

，必須適當提高供橋電壓E。

（2）減小或消除非線性誤差的方法第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二②采用差動電橋a.半橋差動

圖2-12半橋差動電路ERLR2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0如果橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2都由應變片替代，且使一個應變片受拉，另一個受壓，這種接法稱為半橋差動工作電路。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二結(jié)論：U0與ΔR1/R1

成線性關(guān)系，差動電橋無非線性誤差；電壓靈敏度SV=E/2，比使用單只應變片提高了一倍。當電橋開路時，不平衡電橋輸出的電壓為：若，則：第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二b.全橋差動若滿足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4則輸出電壓為：

可見：全橋差動電橋也無非線性誤差；電壓敏度SV=E

是使用單只應變片的4倍，比半橋差動提高了一倍。ERLR2-ΔR2R4+ΔR4R1+ΔR1U0圖2-12全橋差動電路R3-ΔR3第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二2.4.2交流電橋

1．交流電橋平衡條件

交流電橋輸出電壓為：

所以橋路平衡條件為：USRZ2Z4Z1Z3USC圖2-14交流電橋~第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二設各橋臂阻抗為:

Z1=r1+jx1

=z1exp(jφ1)

Z2=r2+jx2=z2exp(jφ2)Z3=r3+jx3=z3exp(jφ3)Z4=r4+jx4

=z4exp(jφ4)(2-38)

得交流電橋平衡條件的另一形式：

z1z4=z2z3

φ

1+φ

4=φ

2+φ

3或：

r1r4-r2r3=x1x4-x2x3

r1x4+r4x1=r2x3+r3x2

(2-39)(2-40)第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二2.交流電橋的不平衡狀態(tài)①單臂交流電橋②半橋差動電路③全橋差動電路第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二3.交流電橋的調(diào)平方法由于引線產(chǎn)生的分布電容的容抗(引線電感忽略)、供電電源的頻率及被測應變片的性能差異，交流電橋的初始平衡條件和輸出特性都將受到嚴重影響，因此必須對電橋預調(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。第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二直流電橋的調(diào)平方法（a）（b）（c）WR2R3R4R1W2R2R3R4R1W1WR2R1R3R4第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二圖2-15交流電橋平衡調(diào)節(jié)USRR2R4R1R3USC~C1C2C3C4USRR2R4R3USC~R1第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二半導體應變電橋的非線性誤差很大，故半導體應變電橋除了提高橋臂比、采用差動電橋等措施外，一般還采用恒流源.2.4.3恒流源電橋

IR2R4R1R3USC圖2-14

恒流源電橋←I1I2若右圖所示的電路輸入阻抗較高，則有：I1(R1+R2)=I2(R3+R4)I=I1+I21.電橋輸出電壓與電阻變化量的關(guān)系第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二解該方程組得:輸出電壓為:第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二若電橋初始平衡，且R

=R2=R3=R4=R，當?shù)谝粯虮垭娮鑂1

變?yōu)镽1+ΔR1

時，電橋輸出電壓為：若滿足ΔR1<<R1

，則輸出電壓與ΔR成正比，即與被測量成正比。輸出電壓與恒流源供給的電流大小、精度有關(guān)，與溫度無關(guān)。第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二使用恒流源的非線性誤差為：2.非線性誤差若采用恒壓源，非線性誤差為：第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二2.5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)，在硅片上制造出四個等值的薄膜電阻，組成電橋。當不受力時，電橋無電壓輸出；受力時，電橋失去平衡，輸出與應力成正比的電壓。壓阻式傳感器的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應：當半導體（單晶硅）材料某一軸向受外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化。詳見本書2.1.3中的半導體應變片的工作原理。第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二2.5.2

壓阻系數(shù)對半導體材料對金屬材料電阻相對變化量1.壓阻系數(shù)的定義半導體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化，而電阻率的相對變化與應力成正比，二者的比例系數(shù)定義為壓阻系數(shù)。壓阻系數(shù)為:第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二影響壓阻系數(shù)因素：擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴散雜質(zhì)濃度NS增加時，壓阻系數(shù)就會減小。壓阻系數(shù)與擴散電阻表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系如圖。2.影響壓阻系數(shù)的因素

120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度NS(cm-3)P型Si(πl(wèi))N型Si(-πl(wèi))

πl(wèi)(×10-11m2/N)T=24℃壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系第二十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二1—N-Si膜片2—P-Si導電層3—粘貼劑4—硅底座5—