智能压力检测系统的设计本科毕业论文(3)

d???cdV (2.5) VdVdLdA???(1?2?)?将VLA式中 , c为常数(由一定的材料和加工方式决定)式 (2.5)代入 (2.4) ,且当ΔR=R时 ,可得

?R?[(1?2?)?c(1?2?)]??K? (2.6) R式中，k=(1+2μ)+c(1-2μ)为金属丝材料的应变灵敏系数。

上式表明 ,金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。

电阻变化率 △R/R 的表达式为：K=ΔR/Rμ/ε，式中μ—材料的泊松系数；ε—应变量。

当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。 2.1.3 电阻应变片的基本结构

电阻应变片主要由四部分组成。如图 2.2所示 ,电阻丝是应变片敏感元件;基片、覆盖片起定位和保护电阻丝的作用,并使电阻丝和被测试件之间绝缘;引 出线用以连接测量导线。

图 2.2 电阻应变片的基本结构

2.1.4 电阻应变片的测量电路

应变片可以将应变转换为电阻的变化，为了显示于记录应变的大小，还要将电阻的变化再转换为电压或电流的变化，因此需要有专用的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。

2.1.4.1电桥电路的工作原理

由于应变片的电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2.3所示。

图2.3直流电桥

设电桥的各臂的电阻分别为R1R3R2R4 它们可以全部或部分是应变片。由于直流放大器的输入电阻比电桥电阻大的多，因此可将电桥输出端看成开路，这种电桥成为电压输出桥，输出电压U0 为 U0= （2.7）

由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。

平衡电桥的平衡条件为：

R1R3=R2R4

应变片工作时，其电阻变化ΔR，此时有不平衡电压输出。 U0?8）

由式（2.8）表明：ΔR《 R1 时，电桥的输出电压于应变成线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变活压应变时，输出电压为两者之差，若

R1R3?R2R4US

(R1?R2)(R3?R4)U?R1 （2.4R1

不同时，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂的极性一直，输出电压为两者之和，反之则为两者之差。

电桥供电电压U越高，输出电压U0 越大，但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。基于这些原因可以合理的进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度。

2.1.4.2 非线性误差及温度补偿

由式（2.8）的线性关系是在应变片的参数变化很小，极ΔR《 R1 的情况下得出的，若应变片承受的压力太大，则上述假设不成立，电桥的输出电压应变之间成非线性关系。在在这种情况下，用按线性关系刻度的仪表进行测量必然带来非线性误差。为了消除非线性误差，在实际应用中，常采用半桥差动或全桥差动电路，如图2.4所示，以改善非线性误差和提高输出灵敏度。

U U

(a)半桥差动电路 （b） 全桥差动电路

图2.4 差动电桥

图2.4（a）为半桥差动电路，在传感器这中经常使用这种方法。粘贴应变片时，使两个应变片一个受压，一个受拉。应变符号相反，工作时将两个应变片接入电桥的相邻两臂。设电桥在初始时所示平衡的，且为等臂电桥，考虑到ΔR=ΔR1=ΔR2 则得半桥差动电路的输出电压为

U???RU2R?

（2.9）

由上式可见，半桥差动电路不仅可以消除非线性误差，而且还使电桥的输出灵敏度提高了一倍，同时还能起到温度补偿的作用。如果按图2.4（b）所示构成全桥差动电路同样考虑到 ΔR=ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时得全桥差动电路的输出电压为

U??（2.10）

可见，全桥的电压灵敏度比单臂工作时的灵敏度提高了4倍非线性误差也得到了消除，同时还具有温度补偿的作用，该电路也得到了广泛的应用。

?RU R?2.2 信号放大电路

2.1.2 放大器的选择

被测的非电量经传感器得到的电信号幅度很小，无法进行A/D转换，必须对这些模拟电信号进行放大处理。为使电路简单便于调试，本设计采用三运算放大器，因为在具有较大共模电压的条件下，仪表放大器能够对很微弱的差分电压信号进行放大，并且具有很高的输入阻抗。这些特性使其受到众多应用的欢迎，广泛用于测量压力和温度的应变仪电桥接口、热电耦温度检测和各种低边、高边电流检测。

2.2.4 三运放大电路

本次设计的放大器采用了三运放，因为它具有高共模抑制比的放大电路。它由三个集成运算放大器组成，如图2.5所示。

2.5 三运放高共摸抑制比放大电路

其中A1和A2为两个性能一致(主要指输入阻抗，共模抑制比和增益)的同相输入通用集成运算放大器，构成平衡对称差动放大输入级，A3构成双端输入单端输出的输出级，用来进一步抑制A1和A2的共模信号，并适应接地负载的需要。由于每个放大器求和点的电压等于施加在各自正输入端的电压，因此，整个差分输入电压现在都呈现在RG两端。因为输入电压经过放大后（在A1 和A2的输出端）的差分电压呈现在R5，RG和R6这三只电阻上，所以差分增益可以通过仅改变RG进行调整。 这种连接有另外一个优点：一旦这个减法器电路的增益用比率匹配的电阻器设定后，在改变增益时不再对电阻匹配有任何要求。如果R5 ＝ R6，R1＝ R3和R2 ＝ R4，则VOUT = (VIN2－VIN1)(1＋2R5/RG)（R2/R1）。

由于RG两端的电压等于VIN，所以流过RG的电流等于VIN/RG，因此输入信号将通过A1 和A2 获得增益并得到放大。然而须注意的是对加到放大器输入端的共模电压在RG两端具有相同的电位，从而不会在RG上产生电流。由于没有电流流过RG（也就无电流流过R5和R6），放大器A1 和A2 将作为单位增益跟随器而工作。因此，共模信号将以单位增益通过输入缓冲器，而差分电压将按〔1＋（2 RF/RG）〕的增益系数被放大。这也就意味着该电路的共模抑制比相比与原来的差分电路增大了〔1＋（2 RF/RG）〕倍。

在理论上表明，得到所要求的前端增益（由RG来决定），而不增加共模增益和误差，即差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则不然，所以比率〔增益（差分输入电压）/（共模误差电压）〕将增大。因此CMR理论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有用的特性。

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