电桥在应变式传感器中的应用研究与分析毕业论文(编辑修改稿)

电桥在应变式传感器中的应用研究与分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

两个应变 片，一片受拉力一片受压力，两者应变符号相反， 设初始状态为 R1=R2=R3=R4=R, Δ R1=Δ R2=Δ R，可以得到电压表 达式 URRV 21 ，半桥灵敏度表达式 Ukv 21，可见输出电压与电阻的变化严格呈线性关系，不存在线性误差， 灵敏度比单臂电桥提高了一倍。 （ 3） 全桥 全部电阻都使用应变电阻， 且相邻的两个臂的受力方向相反， 电桥平衡时，R1=R2=R3=R4=R 根据电桥性质可以得到电压及灵敏度的表达式 URRV  ， V VKURR， 可见差动电桥的灵敏度比单臂电桥提高了 4 倍，故广泛被使 用。 在 电桥电路 中， 将与工作电阻同侧的固定电阻更换成相同受力方向的补偿片， 且原始电阻值相等；这样在实际使用中，由于温度造成的电阻值变化被抵消，且补偿片不受力，故可以消除电压的漂移输出。 2 应变式传感器电桥 电路的理论分析 众所周知，将粘贴在弹性元件应变区上的电阻应变 片，按相对臂应变方向相同、相邻臂应变方向相反的原则，组成惠斯通电桥电路，即称重传感器的初始电路。 这一传感器虽然可以使用，但由于内在的各种影响因素和外部环境条件的影响，其输出特性将会较大地偏离理想的输出特性，主要性能指标均较差，达不到 高准确度称重传感器的技术要求。 为了提高称重传感器的综合性能指标和互换性，就必须采 5 用各种电路补偿和性能调整技术，对其进行逐个逐项的电路补偿与调整。 主要补偿与调整项目有 :零点温度补偿、 零点输出补偿、线性补偿、灵敏度温度补偿、灵敏度标准化调整、输出电阻标准化调整和输入电阻标准化调整等。 理论分析和实践经验表明，称重传感器的电路补偿与调整，应严格按照上述顺序进行。 电路补偿与调整技术是称重传感器研制和批量生产过程中的重点技术和关键工艺，应尽量配备比较先进的工艺装备和完善的检测手段，以保证取得准确可靠的测试结果，达到较高 的补偿精度要求。 零点温度补偿 称重传感器在无外载 负 荷作用时的输出称为零点输出。 零点输出受环境温度的影响，随环境温度的变化而变化，这称之为零点温度漂移。 引起称重传感器零点温度漂移的因素很多，归纳起来主要有如下几点 : ① 弹 性元件、电阻应变计、应变粘结剂的线膨胀系数不同，弹性元件的纵向和横向膨胀率不同，电阻应变计基底和应变粘结剂底膜的厚度不同，在环境温度发生变化时，都会产生不同程度的热胀冷缩，使电阻应变计敏感栅 变 长或缩短，引起电阻值变化。 ②电阻应变计敏感栅材料的电阻温度系数不为零 ，各电阻应变计之间又有一定的分散度，而且敏感栅材料的电阻率也随环境温度而变化，这都会引起电阻值的改变。 ③ 由于 各电阻应变计的引出线及连接导线的长度不同，温度变化可引起电桥导线的电 阻 变化。 ④不同材料焊点之间存在着较小的热电势，也可以引起电阻变化。 ⑤弹性元件与外壳的温度系数不同，弹性元件曲率的影响，大气压力波动等影响，虽然比上述各项影响小，但也会使电阻值稍有变化。 上述这些变化都直接影响着称重传感器 的 零点 输出，而产生较大的零点温度漂移。 为了消除上述因素的影响，减小零点温度漂移 ， 但由于其特点的分散以及粘贴、固化等工艺的影响 ， 即使采用温度自补偿电阻应变计，仍不能使引起温度漂移的因素全部抵消， 所以 零点输出在环境温度变化时还会有所变化。 减小零点温度漂移最有效的方法，就是对传感器逐个进行零点温度补偿。 引起传感器零点温度漂移的各种因素，都可以看成是因电桥电路四个桥臂的电阻温度系数不一致而造成的。 解决的方法就是找出电桥电路中电阻温度系数小的桥 6 臂，在其上串入一个电阻温度系数较大的零点温度补偿电阻 R,以提高这个桥臂的电阻温度系数。 只要选择合适的补偿电阻 R 值，就可以起到对零点温度漂移抵消 的作用。 零点输出补偿 应变式称重传感器多采用全桥式等臂电桥。 因为全桥式灵敏度最高，等臂电桥各桥臂参数基木一致 .所以便于抵消各种干扰 量的影响。 尽管称重传感器有严格的制造工艺规程，电阻应变计都经过认真测试筛选，但使其电阻值完全相同是不可能的，而且在粘贴、加压、固化工艺过程中，电阻值还会发生变化。 由于组成电桥的各桥臂的电阻应变计电阻值的不同和改变量的不一致，将导致传感器在无外载荷作用时产生较大的零点输出。 为了减小测量误差和便于各种测量仪器仪表的调零，应尽量使传感器的零点输出接近于零或控制在允许 的误差范围之内。 上述使零点输出近似为零所进行的调整，称之为零点输出 补 偿。 零点输出补偿的方法是 :在无外载 负 荷作用时，测出传感器的零点输出值，然后在某一桥臂中串接一个低电阻温度系数的零点输出 补 偿电阻 Rz。 对零点输出补偿电阻 Rz 的要求是 :电阻率 ρ 要高。 电阻温度系数 a 要小。 应变灵敏系数 K 要低。 一般多采用直径为 (^0. 12mm 的漆包锰铜丝， (a=0. 000015/ C )或漆包康铜丝 ((a=0. 00002/C). 零点输出补偿是很容易的工艺，但要长期保持传感器具有较高的零点输出稳定性 是十分困难的。 影响零点输出稳定性的因素很多 ,主要有 : (1） 弹性元件、应变计墓底胶膜、应变粘结剂涂层几何尺寸的改变。 (2） 弹性元件冷、热加工残余应力和电阻 (3） 应变计箔材加工残余应力的释放。 电阻应变计敏感栅残余腐蚀的影响。 (4） 应变粘结剂固化不完全 ,在使用过程中继续发生体积变化。 (5） 应变枯结剂的介电常数变化 ,改变了电阻应变计的寄生电容。 (6） 应变粘结剂因受潮而膨胀 ,引起应变计电解与腐蚀。 (7)传感器引出线与电阻应变计基底之间 的绝缘电阻及电阻应变计与弹性元件之间的绝缘电阻的变化。 (8)电阻材料的氧化而引起的电阻变化。 (9)由于弹性元件与电阻应变计的线膨胀系数不同 ,加之零点温度补偿不精确 ,环境温度变化将产生零点漂移。 7 以上这些影响传感器零点不稳定的因素 ,大多数是可以通过改进制造工艺、提高补偿精度、改善防潮密封等方法加以克服的 ,有些则需要有关基础元器件和密封填料制造厂家相互配。