目录
一、摘要 (1)
二、设计目的意义 (1)
三、应变式荷重传感器的原理 (2)
四、传感器形状设计 (3)
4.1轮辐式传感器 (3)
4.2梁式传感器 (4)
4.3环式传感器 (5)
4.4柱式传感器 (5)
五、弹性元件设计 (8)
5.1弹性元件的材料要求 (8)
5.2弹性元件的选择 (8)
5.2.1常见的弹性元件 (8)
5.2.2硬化不锈钢材料介绍 (8)
5.3弹性元件的分析和计算 (9)
5.3.1弹性元件的参数计算 (9)
5.3.2截面积的计算 (10)
5.3.3柱高H及其他尺寸的确定 (11)
六、电阻应变片设计 (12)
6.1电阻应变片类型的选择 (12)
6.2应变片的材料 (13)
6.2.1应变片敏感栅的材料 (13)
6.3应变片主要参数的确定 (14)
6.3.1几何尺寸 (14)
6.3.2金属箔式应变片 (15)
七、转换电路原理及设计 (16)
7.1电桥电路设计 (16)
7.1.1电桥电路原理 (16)
7.1.2非线性误差 (17)
7.2转换电路和信号放大电路 (17)
7.3各部件之间的输入输出关系 (18)
八、总结 (20)
九、参考文献 (21)
十、附录 (21)
一、摘要
传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。
本次设计了一个应变式荷重传感器。应变式荷重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，应变片变形后，它的阻值将发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
应变式荷重传感器是目前应用最广泛地传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩、以及位移、加速度等参量的测量。
二、设计目的意义
应变式荷重传感器用于静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动测量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中，由于受到原材料及制造工艺、安装方法、使用条件及外部环境的影响，很容易发生故障，影响电子衡器计量数据的准确及稳定的运行。因此，了解应变式荷重传感器的基本原理及故障原因，熟练掌握故障的分析判断技术，是快速准确地处理电子衡器的故障，保证其准确、稳定运行的关键。
三、应变式荷重传感器的原理
应变式传感器也称应变片。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应,将测量物体的变形转换为电阻变化的传感器。现已广泛应用于工程测量和科学实验中。
当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻将发生变化，这种现象称为金属电阻的电阻应变效应。
设有一根长度为L 的，截面积为S ，电阻率为ρ的金属丝，在未受力时，原始电阻为：
R=ρS L
当金属电阻丝受到轴向拉力F 作用时，将伸长ΔL ，横截面积相应减小ΔS ， 电阻值ΔR 的变化引起电阻的相对变化为：
由材料力学知： 其中： ---沿某径向的压阻系数，与材料及径向有关； E----弹性模量； ---材料所受应力。
忽略压阻效应，并根据有关的力学应变关系可得到公式如下：
εεπμεπμεε0)21(2k E E R
R =++=++=?=0k
L L ? 可见在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。 应变式传感器类型有：金属丝式应变片，金属箔式应变片，金属薄膜应变片三种。 特点：① 可测微应变1-2μm ，且精度高、性能稳定；
② 尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；
③ 测量范围大； ④环境要求不高； ⑤ 便于多点测量。
εππσρ
ρεE L L ==?=? πσ
电阻应变片组成图
四、传感器形状设计
此次荷重传感器课程设计选用应变式传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小。应变式测力传感器一般由弹性体，应变计和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础，应变计是传感器的核心。根据弹性体的结构形式的不同可分为：轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压力上主要用到以上四种。
4.1轮辐式传感器
外加载荷作用在轮的顶部和轮圈底部，轮辐上受到纯剪切力。每条轮辐上的剪切力和外加力F成正比。当外加力作用点发生偏移时，一面的剪切力减小，一面增加，其绝对值之和仍然是不变的常数。可以消除载荷偏心和侧向力对输出的影响。这是一种较新型的传感器，其优点是精度高、滞后小、重复性及线性度好。
轮辐式传感器
4.2梁式传感器
梁式力传感器有多种形式，有等截面梁，等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。等截面梁其特点为结构简单，易加工，灵敏度高。适合于测5000N 以下的载荷，也可以测量小的压力。等强度梁力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，故对粘贴应变片位置要求不严。另外梁的形式还有平
行双孔梁、工字梁、S型拉力梁等。
平行梁式传感器实物图
4.3环式传感器
环式常用于测几十千克以上的大载荷，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。环式弹性元件包括典型的圆环式、扁环式、柱环式等。
环式力传感器
其中（a ）为圆环式，（b ）为扁环式，（c ）为柱环式，（d ）为电桥电路
4.4柱式传感器
柱式传感器的弹性元件分为实心和空心两种。应变片粘贴在弹性体外壁应力均匀的中间部分，并均匀对称地粘贴多片。因为弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性有影响。所以对实心圆柱，一般取H ≥2D+L ，而空心圆柱一般取H ≥D-d+L ，式中H 为圆柱体高度，D 为圆柱外径，d 为空心圆柱内径，L 为应变片基长。
根据材料力学和惠斯顿电桥原理（均为全桥工作方式）。柱（筒）式弹性元件的参数可用下式计算：
()31021?+=AE
KF S μ 式中S ——传感器的灵敏度（mV/V ），静态使用时可取 1～1.5 mV/V 那；如进行灵敏度补尝及线性补偿等，上列值应再乘以 1.2～1.25 倍；μ——料的泊松比； F ——传感器的额定负
荷； K——应变计的灵敏系数； E——材料的弹性模量； A——弹性元件贴片部位的截面积：圆筒式：
圆柱式：
选择 D 与 d 时，要考虑到构件的稳定性及加工条件，圆筒式的壁不能太薄。两端的刚度要足够。当安装、紧固传感器时，不应使中段产生腰鼓变形。过渡部分的圆弧半径不可太小，以避免造成应力集中而影响疲劳寿命。为使贴片部位应力分布均匀，长度L不可太短，圆柱式一般取 L = ( 2～2.5 ) D ，圆筒式可适当短一些。
弹性元件中段的应力为：
σ=F/A
材料选定后，应检查是否满足σ≤[σ]。[σ]为许用应力，一般取：
σ=（1/3～1/4）σs（N/mm2）
式中，σs——材料的屈服点（N/mm2）
柱式力传感器的结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测1000
～500000N时，为了提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱式结构。
圆柱面展开及电桥
a)圆柱面展开图 b)电桥连接示意图
柱式传感器外形尺寸
柱式传感器实物图
综上所述，总结出四种弹性体的比较表如表4.1所示：
表4.1四种弹性元件的比较
结论：对以上各种形式的传感器进行比较，由于柱式传感器具有负载能力大，精度较高，加工工艺简单，线性度较好等特点，并根据题目的参数要求，测力范围：1×103～5×105N，称量精度：±1%和器件的应用性，加工性，本设计选用柱式传感器作为测量元件。
五、弹性元件设计
弹性敏感元件在传感器技术中占有极为重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件首先把各种形式的非电物理量变换成应变量或位移量等，然后配合各种形式的转换元件，把非电量转换成电量。所以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件。
5.1弹性元件的材料要求
在设计传感器以前，首先应选择好弹性元件材料。对弹性元件材料提出以下要求：
(1)强度高，弹性极限高；
(2)具有高的冲击韧性和疲劳极限；
(3)弹性模量温度系数小而稳定；
(4)热处理后应有均匀稳定的组织，且各向同性；
(5)热膨胀系数小；
(6)具有良好的机械加工和热处理性能；
(7)具有高的抗氧化、抗腐蚀性能；
(8)弹性滞后应尽量小。
5.2弹性元件的选择
5.2.1常见的弹性元件
（1）等截面梁（2）等强度梁（3）两端固定梁（4）环式弹性元件（5）平膜片
（6）垂链式膜片（7）波纹膜片和膜盒（8）圆柱式弹性元件（9）波纹管
5.2.2硬化不锈钢材料介绍
不锈钢称重传感器的弹性元件，多使用马氏体弥散硬化不锈钢。例如美国的17一4PH,
15-5PH, AIS1630，英国的630, 631和日本的SUS630等。这两种不锈钢具有良好的焊接性能，
无磁性汉材R 多介质有很强的抗腐蚀能力，抗微塑变形能力强，并具有较高的耐应力松弛性能。又由于这类不锈钢有非常好的塑性，便于加工，可用来制造形状复杂的弹性元件，所以被广泛应用。17 -4PH 和15 -5PH 不锈钢的主要物理常数完全相同，即弹性模量E = 2.0 *1110 Pa ，泊桑比μ=0.272，密度P=7. 8g/cm 3
。
结论：根据应变式拉/压传感器的使用特性和性能指标, 本次的传感器的要求又是要求精度不太高，并为保证弹性稳定性好，故弹性体选用硬化不锈纲材料。 5.3弹性元件的分析和计算
对于荷重测量，要求传感器弹性元件具有高的弹性极限、高的冲击韧性和疲劳极限，具有良好的机械加工和热处理性能，具有高的抗氧化、抗腐蚀性能，而且热膨胀系数和弹性滞后应尽量小。
对于本设计，比较圆柱式弹性元件与S 型弹性元件，由于S 型只适用于较低应力的场合，故选用圆柱式。
5.3.1弹性元件的参数计算
圆柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如下图所示。
实心圆柱可以承受较大的负荷，在弹性范围
内，则应力与应变成正比关系。
ε=SE
F E l l ==?σ (3-1) 式中：F ——作用在弹性元件上的集中力；
S ——圆柱的横截面积。
圆柱的直径根据材料的允许应力来计算。
图3.1实心圆柱与空心圆柱
由于 F / S ≤[σ] (3-2) 而 S=πd 2
/ 4 (3-3) 式中d 为实心圆柱直径。
则直径 d ]
[4σπF ≥ (3-4) 由上列各式知，若想提高变换灵敏度。必须减小横截面积S 。但S 减小其抗弯能力也减弱，对横向干扰力敏感。为了解决这个矛盾，在小集中力测量时多采用空心圆筒或采用承弯膜片，空心圆筒在同样横截面情况下，横向刚度大，横向稳定性好。同理，承弯膜片的横向刚度也大，横向力都由它承担，而其纵向刚度小。
空心圆柱弹性元件的直径也要根据允许应力计算。
由于 ][)(422σπ
F
d D ≥- (3-5)
所以 D 2]
[4d F +≥σπ (3-6) 式中：D ——空心圆柱外径； d ——空心圆柱内径。
弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性都有影响。由材料力学可知，高度对沿其横截面的变形有影响。当高度与直径的比值H / D 〉〉1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关。试验研究的结果建议采用
H >>2D+L (3-7) 式中L 为应变片的基长。对于空心的圆柱为
H ≥D-d+L (3-8) 因此，经比较分析选取空心圆柱作为弹性体。
5.3.2截面积的计算
根据上表可以比较, 本次的传感器采用不锈钢ICr18Ni9, 查表得σs =1200MPa ，E=200GPa 。 根据许用应力计算公式 [σ]=s s
n σ ，当安全系数s n 取2得：
[]MPa MPa n s
s
6002
1200===σσ 根据公式 (3-5) 得： []27max 2213.83310
60500000)(4mm F d D S =?=≥-=σπ
又因为应变片的应变比为800με--2000με,取ε0=1000με当弹性体的应变比ε1小于c 才不至于损坏应变片 ，得到以下关系式：
ε1=P
σ=ε0
2690max 2250010
100010200500000mm E F S =???=≥-ε 当弹性体的截面积同时大于S 1 ，S 2 时才能满足整体的设计要求。
S =max[S 1 ，S 2]= 22500mm
为了使传感器过载50%时不至于损坏可是当增大其面积：
()2237502500%501mm mm S ≈?+=
弹性元件的外径D 不能选择太小，否则会由于力的偏心造成很大的误差。在实际计算时先按照额定载荷F ，根据材料的参数求得[σ]=600MPa ，取D=4.0cm
并由式(3-6)得：
=-
≤][42σπF D d ()cm 3.210
60050000041030622=???-?-π 取d ＝2.3cm
这样空心管的壁厚为： t ＝cm d D 85.0)(2
1=- 5.3.3柱高H 及其他尺寸的确定
为了防止弹性元件受压时出现失稳现象，柱高H 应当选得小些，但又必须使应变片能够反映截面应变的平均值，这里选用弹性元件工作段的长度为：
cm D H 10~8)5.2~2(=≥
取H ＝9cm 由于壁很薄，还必须检验是否会出现局部失稳。薄壁管的失稳临界应力公式为：
)1(3)(212lim μσ-+=d D Et ()P =-??+???=--G 6.21)272.01(3103.20.421101.010*******
在超过满量程150%的情况下，弹性元件截面中的应力为：
()
GPa A F 9.0103.2445000005.15.14
22=?-?==-πσ 因此，受力超过满量程的150%时的应力还远远小于材料的比例极限和临界应力这表明该元件不会出现弹性失稳。
此外，在两端需有螺纹孔，以便连接螺栓，选用螺孔为M12，它的许用载荷大于100000N 。
六、电阻应变片设计
6.1电阻应变片类型的选择
电阻应变片由四个部分组成。
第一是电阻丝（敏感栅），它是应变片的转换元件。
第二是基底和面胶（或覆盖层）。基底是将长肝气弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护电阻丝的作用。
第三是粘合剂，它将电阻丝与基底粘贴在一起。
第四是引出线，它作为联结测量导线之用。
电阻应变片主要分为电阻丝式应变片、金属箔式应变片和金属薄膜应变片。由于电阻丝式应变片有横向效应对测量的精度有影响，使灵敏度降低，而且耐疲劳性能不高。金属薄膜应变片尚难控制电阻与温度的变化关系，不常用。故选用金属箔式应变片。
箔式应变片的主要优点：
(1)本身性能稳定，受温度变化的影响小；
(2)使用温度范围比较宽，在-269—+350 度范围内稳定工作；
(3)适用于各种弹性体材料及弹性结构形式，粘贴操作简便；
(4)价格便宜。
(a)单轴的 (b)测扭矩的 (c)多轴的(应变花)
图4.1各种金属箔式应变片
6.2应变片的材料
6.2.1应变片敏感栅的材料
(1)材料的选用原则
应变片敏感栅合金材料的选择对制作应变片性能的好坏起着决定性的作用，因此对制作应变片所用的应变电阻合金有以下的要求：
a有较高的灵敏系数；
b电阻率高；
c电阻温度系数小，具有足够的热稳定性；
d机械强度高，压碾或拉伸性能好，高温时耐氧化性能要好，耐腐蚀性能强；
e与其它金属接触的热电势小；
f与引出线焊接容易。
(2)常用的应变计材料
目前国内还没有一种金属材料能满足上述全部要求，因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的有康铜、镍铬、卡玛合金、镍铬硅锰等合金。其各自性能分别如下：
a康铜:
电阻温度系数较小而且稳定，同时它的Ko值对应变值的稳定性非常高，不但在变形的弹性范围Ko保持为常熟，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的音变机，测量范围大，可用于大应变测量（达22％）。
对康铜用不同的方法进行加工、不同的热处理、或者改变合金成份的比例，可以改变它
的电阻温度系数（由负值到正值有较大的范围），利用这种特性可以制造温度自补偿应变计。在静态应变测量时，康铜的工作温度达300°C ，在动态测量时，可用到400°C 。它可以在高的流体径压力下和核辐射的环境下工作。
b 镍铬合金:
具有较高的电阻率，适于制造小标距的应变计。但电阻温度系数较大，主要用于动态应变测量，使用温度可达800°C 。
在镍铬合金中加入少量的其它金属或元素，可以改善合金的性能。例如掺入少量的铁、铝可制成卡玛合金（6J22），掺入少量的铜、铝可制成6J23，使电阻率提高和降低电阻温度系数，是指成为更好的适于静态测量的材料。
c 铁铬铝合金:
其电阻率较高，灵敏系数较大，而电阻温度系数比镍铬合金小得多，比铜镍合金大。 d 铁镍铬合金:
灵敏系数较高，可达3.6。但由于它的电阻温度系数大（比康铜大6倍以上），同时Ko 值在弹性范围和塑性范围时不一样（分别为3.6和2.5），使其应用范围受到限制，它值适用于动态测量。
结论：综上所述，本课程设计采用的材料是康铜。
6.3应变片主要参数的确定
6.3.1几何尺寸
几何尺寸在能够使得弹性元件的应变得到充分响应，即可选用。根据经验安全系数n s =2。因为所选的为塑性材料，
则许用应力 []MPa n s s
60021012006
=?==σσ 根据σ=E ε得：[][]41161103010
00.210600-?=??==E σε 因为756.010301201.241=???=??=?-εR S R g S
根据S
S S S R R K ?=ε，且S K =2，S R ?=0.756，S R =120Ω， 所以有4105.312120756.0-?=?=?=
S S S S K R R ε 所以[]42105.31-?==S εε
因为[]1ε＜ []2ε ；所以应取[]1ε4100.31-?= 进行计算。
传感器受压轴的截面面积为：
[][]2441111016.010
311000.210000m E F
F
A --?=???===εσ 因为受力面积较小，故受压轴使用圆筒(空心柱式)式结构。
传感器的灵敏系数的确定（检验应变片的灵敏度是否符合要求）
根据公式：())2(11E A KF
S ?+=μ310?
其中：μ为材料的泊松比；F 为传感器的额定负荷；K 为应变片的灵敏系数；E 为材料的弹性模量；A 1为弹性元件贴片部位的截面积。有H D A ??=π1
得此传感器的灵敏系数为：
())2(11E A KF S ?+=μ ()698.0101000.2108.234/14.32100000.2272.01103114223=???-????+=?-）（ 因为S ＜Sg 所以应变片的灵敏度符合要求。
6.3.2金属箔式应变片
箔式应变计的敏感栅是用厚度为0.002～0.005毫米的铜镍合金或镍铬合金的金属箔，采用刻图、制版、光刻及腐蚀等工艺过程而制成。基底是在箔的另一面涂上树脂胶，经过加温聚合而成，基底的厚度一般为0.03～0.05mm 。
图4.2应变计的结构图4.3 敏感栅的尺寸
基于弹性体结构和测量要求选用应变片的参数：
表6.1 PB-5应变片参数
七、转换电路原理及设计
7.1电桥电路设计
7.1.1电桥电路原理
应变片将应变的变化转化成电阻的相对变化ΔR/R,还要把电阻的变化再转换成电压或电流的变化，才能用电测量仪表进行测量。
由于机械应变一般均很小，从而电阻应变式的电阻变化范围也很小，直接测量出这一微小变化比较困难，所以一般利用桥式测量电路来精确测量出这些小的电阻变化。
电桥电路的原理是：如下图的四臂电桥所示，因为应变片电阻值变化很小，可以认为电源供电电流为常数，即加在电桥上的电压也是定值，假定电源为电压源，内阻为零。当电桥平衡时，即电桥输出电压V0为零的条件是：R1R3=R2R4。
当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥的输出电阻大很多，因此可以把电桥输出端看成是开路。若电桥不平衡时，即R1R3≠R2R4时，电桥输出：
U R R R R R R R R U ))((43214
2310++-=
恰好选择各桥臂电阻，可消除电桥的恒定输出，使输出电压只与应变片输出有关。 单臂电桥时，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4为定值电阻，在应变片R1工作时，其电阻R1变化△R,此时电桥的灵敏度为：k u =U/4
电压输出为:
U O =(U/4)(△R1/R1)
7.1.2非线性误差
电桥电路的非线性误差为：γL =△R1/2R
上面各式表明，当电源电压U 及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻的大小无关。
直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小，测量中常用直流电桥。
为减少非线性误差，电桥电路常用的措施为：①采用差动电桥；②采用恒流源电桥。为了提高电桥灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置两个应变片，电桥也可采用四臂差动电桥，其输出电压为：
U O =U △R/R
所以，本设计所选用的是全桥形式的差动电桥，且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置两个应变片。
此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV 的不平衡输出，并且放大器有输入失调电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U 0=0V ，为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。
7.2转换电路和信号放大电路
来自传感器的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压）。一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器才具有理想特性。否则，放大器将有共模误差输出，其大小既与外接电阻对称精度有关，又与运算放大器本身的共模抑制能力有关。一般运算放大器共模抑制比可达80dB ，而采用由几个集成运算放大器
组成的测量放大电路，共模抑制比可达100～120dB 。
结合以上几点，采用了低漂移运算放大器构成的三运放高共模抑制比放大电路。具体的电路如图所示
本电路主要分为三个部分，第一就是调理调幅电路，二就是电桥转换电路，三就是增益放大电路，这里面还包括共模抑制电路。
7.3各部件之间的输入输出关系 根据上述对运算放大电路分析，其输入级的差模增益的14761R R R K d ++
=，10123R R K d -
=。 为使电桥放大电路的输出电压范围保证在0～10V 之间，以便后接仪表或为A/D 转换所用，则电桥放大电路的差模增益应该为Kd ＝Kd ×Kd3=180左右。由于根据本设计的技术要求与性能指标，可确定电桥放大电路各元件参数如下所示：
由上表计算可得出
180)25.21001001(2040)1(147610123≈++?-=++?-=?=K
K K K K R R R R R K K A d d 因此，当电桥供电电压U=12V 时，电桥放大电路的输出电压范围为：
专科毕业论文（设计） 题目：电阻应变式传感器的原理与应用 系院：电子工程系 学生姓名：王宇鹏 学号：0861520226 专业：应用电子 年级：3年级 完成日期：11月29日 指导教师：樊翠玲
电阻应变式传感器设计原理与应用 电阻应变式传感器概述 以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体
应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点。 关键词：应变片；电阻；组桥方式；误差补偿
目录 电阻应变式称重传感器原理 一、电阻应变片 二、弹性体 三、检测电路 称重传感器的选择 应变片的粘贴技术 电阻应变片选用方法与原则应变片的组桥方式 温度补偿
电阻应变式传感器 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。 应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 应变式传感器特点 ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。 1、应变式传感器的工作原理 (1) 金属的电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 公式推导： 若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则: (9.1)
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S 变化dS，电阻率ρ变化，因而引起电阻R变化dR。将式(9.1)微分，整理可得: (9.2) 对于圆形截面有： (9.3) 为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而则为电阻丝径向相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符号相反，有: (9.9) 将式(9.9)代入(9.3)得: (9.5) 将式(9.5)代入(9.2)，并整理得： (9.6) (9.7) 或 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程： 由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响： 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成： (9.8) Array通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 (2) 应变片的基本结构及测量原理 距 用面积。应变片的规格 一般以使用面积和电 阻值表示，如 2 为 的电阻丝制成的。 高的阻值， 栅状， 在绝缘的基底上。 两端焊接引线。
电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。 一、电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （2—4） 从材料力学我们知道 Δr/r = -μΔL/L （2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L = K *ΔL/L （2--6） 其中 K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７） 式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在 1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便
电阻应变片式传感器 应变式传感器已成为目前非电量电测技术中非常重要的检测手段，广泛的应用于工程测量和科学实验中。它具有以下几个特点。 （1）精度高，测量范围广。对测力传感器而言，量程从零点几N 至几百kN ，精度可达0.05%F S ?（F S ?表示满量程）；对测压传感器，量程从几十Pa 至11 10Pa ，精度为0.1%F S ?。应变测量范围一般可由数με（微应变）至数千με（1με相当于长度为1m 的试件，其变形为1m μ时的相对变形量，即6 1110μεε-=?）。 （2）频率响应特性较好。一般电阻应变式传感器的响应时间为710s -，半导体应变式传感器可达1110 s -，若能在弹 性元件设计上采取措施，则应变式传感器可测几十甚至上百kHz 的动态过程。 （3）结构简单，尺寸小，质量轻。因此应变片粘贴在被测试件上对其工作状态和应力分布的影响很小。同时使用维修方便。 （4）可在高（低）温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作。 （5）易于实现小型化、固态化。随着大规模集成电路工艺的发展，目前已有将测量电路甚至A/D 转换器与传感器组成一个整体。传感器可直接接入计算机进行数据处理。 （6）价格低廉，品种多样，便于选择。 但是应变式传感器也存在一定缺点：在大应变状态中具有较明显的非线性，半导体应变式传感器的非线性更为严重；应变式传感器输出信号微弱，故它的抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；应变式传感器测出的只是一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等。 尽管应变式传感器存在上述缺点，但可采取一定补偿措施，因此它仍不失为非电量电测技术中应用最广和最有效的敏感元件。 一、电阻应变片的工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。其中半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象叫应变片的压阻效应。 导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的电阻L R S ρ=与电阻率及其几何尺寸
一、原理 由欧姆定律知，对于长为 、截面积为 、电阻率为 的导体， 其电阻 若 、 和 均发生变化，则其电阻也变化，对上式全微分， 有 设半径为的圆导体， = ，代入上式，电阻的相对变化为 因为 则 式中——导体的纵向应变。其数值一般很小，常以微应变 度量， 1 =10－6； ——材料泊桑比，一般金属=0.3-0.5； ——压阻系数，与材质有关； E——材料的弹性模量。 上式中， 表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量； 表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。
不同属性的导体，这两项所占的比例相差很大。 若定义导体产生单位纵向应变时，电阻值相对变化量为导体的灵敏度系数，则 显然，S S愈大，单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大，说明应变片愈灵敏。 可用不同的导体材料制成应变片，目前主要有金属电阻应变片和半导体应变片两类。 二、金属电阻应变片 １.结构形式
原理： 对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，得： 电阻丝应变片又称金属丝电阻应变片,其优点是制作方便,应变横向效应大. 选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电 流和应变极限等。市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化，主要规格有60Ω、120Ω、350Ω 600Ω和1000Ω等，其中120Ω用得最多。 应变片产品包装上标明的"标称灵敏系数"，出厂时测定的该批产品的平均灵敏度系数值。 2.其他结构形式
三、半导体应变片 结构形式 对于半导体应变片，几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽略不计，可得 从而可得半导体应变片灵敏度系数为 半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ可达60～150， 能直接与记录仪器连接而不需放大器，使测量系统简化。 此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。 当应变较大时，非线性严重。由于受晶向、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。 学习时注意观察应变片粘贴的位置及方向。
1.一丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值100Ω，试求当试件受力后的应变为1.8?103 时该应变计的电阻变化ΔR。 2.一试件受力后的应变为2?10-3；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度 C0/，线膨胀系数为14?10-6C0/；试件的线膨胀系数为12?10-6C0/。试系数-50?10-6 求：温度升高20℃时，应变计输出的相对误差和相对热输出。 3.在悬臂梁的上下方各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2。若应变片的灵敏系数 k=2，电源电压U=2V，当悬臂梁顶端受到向下的力F时，电阻R1和R2的变化值ΔR1=ΔR2 =0.48Ω，试求电桥的输出电压。 4.图为一直流应变电桥，图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求： ①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U O。 ② R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻， 电桥输出电压U O。 ③题②中，如果R2与R1的感受应变的极性相反且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U O。 5.图3-6为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏 度系数K=2.05，未受应变时，R1=120Ω，当试件受力F时， 应变片承受平均应变ε=800μm/m，试求： ①应变片的电阻变化量R1和电阻相对变化量ΔR1/R ②将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电流电压为直流3V，求电桥输出电压及 电桥非线性误差。
③若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。 6.利用悬臂梁结构可以构成称重传感器。试就在悬臂梁的上下方各贴一片金属应变片组成 差动半桥和各贴二片金属应变片组成差动全桥时的应变电阻片的布贴方式、电桥连接方法和相应的输出电压大小做出说明, 并说明其差动和温度补偿的原理。 7.一个初始阻值为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用 总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度K’。 8.采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其粘贴在如图所示的实心圆柱形测力 弹性元件上。已知力F=10kN，圆柱横截面半径r=1cm，材料的弹性模量2 10-7 N/cm2，泊松比μ=0.3。 （1）画出应变片在圆柱上的粘贴位置及相应的测量桥路原理图。 （2）求各应变片得应变及电阻相对变化量。 （3）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压U o。 （4）此种测量方法能否补偿环境温度对测量的影响，说明理由。
大连理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院（系） 材料学院 专业 班级 姓 名 学号 实验台号 实验时间 年 月 日，第 周，星期 第 节 实验名称 电阻应变式传感器 教师评语 实验目的与要求： 1. 学习电阻应变式传感器的基本原理、 结构、 特性和使用方法 2. 测量比较几种应变式转换电路的输出特性和灵敏度 3. 了解温度变化对应变测试系统的影响和温度补偿方法 主要仪器设备： CSY 10A 型传感器系统实验仪 实验原理和内容： 1. 应变效应 导体或半导体在外力的作用下发生机械变形时， 其阻值也会发生相应的变化， 成为应变效应。 电阻应变片的工作原理即是基于这种效应， 将本身受力形变时发生的阻值变化通过测量电路转换为可使用的电压变化等以提供相关力的大小。 金属丝的电阻应变量可由以下算式表达： 金属丝的原始电阻值为S L R ρ= ， 收到轴向拉力时， 发生电阻值变化R ?， 变化比例的表达式为： S S L L R R ?-?+?=?ρρ， 根据金属丝在力学和材料学上的相关性质， 在弹性范围内可以对公式进行改写， 得到 L L k L L L L R R ?=??? ??????++=?ρρμ)21(， 其中系数k 称为电阻应变片的灵敏系数， 表示单位应变量引起的电阻值变化， 它与金属丝的几何尺寸变化和本身的材料特性有关； 一般半
导体的灵敏系数要远大于金属的灵敏系数。 （由于受力会影响到半导体内部的载流子运动， 固可以非常灵敏地反映细微的变化） 2. 电阻式应变传感器的测量电路 转换电路的作用是将电阻变化转换成电压或电流输出， 电阻应变式传感器中常用的是桥式电路， 本实验使用直流电桥。 驳接阻抗极高的仪器时， 认为电桥的输出端断路， 只输出电压信号； 根据电桥的平衡原理， 只有当电桥上的应变电阻发生阻值变化时， 电压信号即发生变化； 电桥的灵敏度定义为 R R V k v /?= 根据电阻变化输入电桥的方法不同， 可以分为单臂、 半桥和全桥输入三种方式： 2.1 单臂电桥 只接入一个应变电阻片， 其余为固定电阻。 设电桥的桥臂比为 n R R R R ==2 314， 根据电桥的工作原理， 并忽略一些极小的无影响的量， 可以得到输出电压的表达式为11 )1(2R R n nU V ??? ?? ??+≈， 同时得到单臂电桥灵敏度表达式2 ) 1(/n nU R R V k v +=?= 单臂电桥的实际输出电压与电阻变化的关系是非线性的， 存在非线性误差， 故不常使用。 2.2 半桥 如图， 接入两个应变电阻和固定电阻， 设初始状态为R1=R2=R3=R4=R, ΔR1=ΔR2=ΔR ， 可以得到电压表达式U R R V ?= 21， 半桥灵敏度表达式U k v 2 1 =， 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。 2.3 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， 根据电桥性质可以得到电压及灵敏
2.3 应变片式传感器的测量电路 电阻应变计可把机械量变化转换成电阻变化，但电阻变化是很小的，用一般的电子仪表很难直接检测。例如，常规的金属应变计的灵敏系数k 值在1.8~4.8之间，机械应变在10~6000με之间，相对变化电阻 /R R k ε?=就比较小。 例1设某被测件在额定载荷下产生的应变为1000με，粘贴的应变计阻值120R =Ω，灵敏系数2k =，则其电阻的相对变化为 6/21000100.002R R k ε-?==??= 电阻变化率仅为0.2%。这样小的电阻变化，必须用专门的电路才能测量。测量电路把微弱的电阻变化转换为电压的变化，电桥电路就是这种转换的一种最常用的方法。 2.3.1 应变电桥 电桥电路即是惠斯通电桥，其结构如图所示。四个阻抗臂1234 ,,,Z Z Z Z 以顺时针排列，AC 是电源端，工作电压为U ；BD 为输出端，输出电压为0U 。在这个阻抗电桥的桥臂上接入应变计，就叫应变电桥。 应变电桥按不同的方式可分为不同的类型，主要有以下分类方式。 1 按工作臂分 单臂电桥：电桥的一个臂接入应变计。 双臂电桥：电桥的两个臂接入应变计。 全臂电桥：电桥的四个臂都接入应变计。 2 按电源分 按电源不同，可分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥的电源是直流电压，其桥臂只能接入阻性元件，主要用于应变电桥的输出，不需中间放大就可直接显示的情况。例如半导体应变计的输出灵敏度高，可采用直流应变电桥作为测量电路，直接输出并显示结果。 交流电桥的电源是交流电压，其桥臂可以是阻性（R ）、感性（L ）或容性（C ）元件。主要用于输出需放大的场合。例如金属应变计的输出灵敏度较低，应采用这种交流应变电桥作为测量电路，以进一步放大输出。 3 按工作方式分 按工作方式不同，可分为平衡桥式电路和不平衡桥式电路。 平衡桥式电路又叫零位测量法，它带有调整桥臂平衡的伺服反馈机构，当仪表指示测量值时，电桥处于平衡状态。零位测量法常用于高精度、长时间的静态应变测量。 不平衡桥式电路又称为偏差测量法，其输出的是与桥臂应变量成一定函数关系的不平衡电量，再作进一步放大和显示。当仪表指示测量值时，电桥处于不平衡状态。偏差测量法响应快，常用于动态应变测量。 4按桥臂关系分 按桥臂关系不同，可分为半等臂电桥和全等臂电桥。 半等臂电桥又可分为对电源端对称电桥（即1423,Z Z Z Z ==）和对输出端对称电桥（即 1234,Z Z Z Z ==）。 图2.3.1 电桥电路的结构
电阻应变式传感器的工作原理 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。 应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 应变式传感器特点 应变式传感器特点 ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。 1、应变式传感器的工作原理 (1) 金属的电阻应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 。 公式简化过程： 由式可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因素影响： 一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即项；另一个是受力后材 料的电阻率变化所引起的，即项。对于金属材料项比项
小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成： 通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。 (2) 应变片的基本结构及测量原理 l称为栅长(标距)，b称为栅宽(基宽)，b×l称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如3×20mm2，120Ω。 结构简介： 电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。 电阻应变式传感器的应用：数显电子秤 （一）工作原理 数显电子秤电路原理如图所示，其主要部分为电阻应变式传感器R1及IC2、IC3组成的测量放大电路，和IC1及外围元件组成的数显面板表。传感器R1采用 E350~ZAA箔式电阻应变片，其常态阻值为350O。测量电路将R1产生的电阻应变量转换成电压信号输出。IC3将经转换后的弱电压信号进行放大，作为A／D转换器的模拟电压输入。IC4提供l．22V基准电压，它同时经R5、R6及RP2分压后作为A/D转换器的参考电压。3-1/2位A/D，转换器ICL7126的参考电压输人
友情提示： 本公司致力于产品的不断创新与提高，如果您所得到的产品与本手册提供的信息有不符之处，请以光盘中的资料为准，恕不另行通知，敬请见谅。 本公司或经销商不对本手册中的错误或遗漏处负责，也不对任何可能导因于本手册之执行或使用的必然性损坏情形负责。 本手册只提供给产品操作者参考，学者的专业理论及实验原理没有必然性指导义务。 本手册由本公司著作。未经本公司书面授权，本手册中之任何部分皆不可以任何形式影印、复制或网络传播 北京杰创永恒科技有限公司
目录 一、产品简介 (3) 二、实验箱组成 (3) 三、产品特点 (4) 四、传感器 (4) 五、V9.0数据采集卡及处理软件 (5) JC-SCS-V2.0传感器系统实验箱实验举例 (7) 实验一应变片单臂特性实验 (7) 实验二应变片半桥特性实验 (13) 实验三应变片全桥特性实验 (14) *实验四应变片单臂、半桥、全桥特性比较 (16) 实验五应变直流全桥的应用—电子秤实验 (17) 实验六应变片的温度影响实验 (19) *实验七应变片温度补偿实验 (21)
JC-SCS-V2.0传感器系统实验箱说明书 一、产品简介 JC-SCS-V2.0传感器系统实验箱主要用于各大、中专院校开设的“传感器原理”“自动检测技术”“非电量电测技术”“测量与控制”“机械量电测”等课程的实验教学。 JC-SCS-V2.0实验箱的传感器采用原理与实际相结合，便于学生加强对书本知识的理解，并在实验过程中，通过信号的拾取，转换，分析，培养学生作为一个科技工作者具有的基本操作技能与动手能力。 同时配有辅助智能传感器实验系统，让学生完全动手进行编程，完成相关设计性实验。 二、实验箱组成 SCS-XS传感器实验箱如下图所示：主要由机头、主板、信号源、传感器、数据采集卡、PC接口、软件等各部分组成。 1、机头 由应变梁(含应变片、PN结、NTC R T热敏电阻、加热器等)；振动源(振动台)；升降调节杆；测微头和传感器的安装架(静态位移安装架)；传感器输入插座；光纤座及温度源等组成。
压力传感器原理、结构线路及其应用
一．压力传感器原理 一些常用传感器原理及其应用: 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 1、应变片压力传感器原理 原理图 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω?cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发
电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示RρL/S 式中ρ——金属导体的电阻率Ω·cm2/m S——导体的截面积cm2 L——导体的长度m 我们以金属丝应变电阻为例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、陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递压力直接作用在陶瓷膜片的前表面使膜片产生微小的形变厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面连接成一个惠斯通电桥闭桥由于压敏电阻的压阻效应使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性传感器自带温度补偿070℃并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40135℃而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器
的种类繁多如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上当基体受力发生应力变化时电阻应变片也一起产生形变使应变片的阻值发生改变从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小一般这种应变片都组成应变电桥并通过后续的仪表放大器进行放大再传输给处理电路通常是A/D转换和CPU显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构如图1所示是电阻应变片的结构示意图它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途电阻应变片的阻值可以由设计者设计但电阻的取值范围应注意阻值太小所需的驱动电流太大同时应变片的发热致使本身的温度过高不同的环境中使用使应变片的阻值变化太大输出零点漂移明显调零电路过于复杂。而电阻太大阻抗太高抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十
第二讲电阻应变式传感器 教学学时：共4学时（其中作业习题讲解 1学时） 教学内容： 本讲内容介绍: 电阻应变式传感器具有悠久的历史， 是应用最广泛的传感器之一， 本节着重介绍作为应 偿。并讨论电阻应变式传感器的测量电路。要求掌握应变式传感器的原理及应用。 应变式传感器的工作原理 本节要求: 掌握应变式传感器的工作原理。 电阻丝的电阻: 求R 的全微分得: A R A L A S AP ----- = -------- — ------ + ------ R L S P 教学目的要求： 1.掌握应变片的结构、分类及基本应变特性; 2. 熟练掌握应变式传感器的粘贴方法和接线方法，并能做相应的计算应用; 3. 掌握应变式传感器的基本应用。 教学重点： 应变式传感器的粘贴方法和接线方法，并能做相应的计算应用 教学难点： 应变式传感器的粘贴方法及应变式传感器的基本应用 变式传感器核心元件的电阻应变片的工作原理、 种类、材料和参数；讨论其温度误差及其补 电阻应变片的工作原理是应变效应 机械变形时，应变片电阻变化 。 4 L 图2-6 金属丝应变效应
A L 式中L 是长度相对变化，即应变 名。 金属丝的变形有: 故应变效应数学表达式: 灵敏度系数: "竺=1+2叶空 Z Z 因此应变的应变效应原理： A R = K Z x R 式中K ——电阻应变片的灵敏系数 电阻应变片的结构、分类及特性 本节要求: 1) 一般了解应变片的结构和分类。 2)掌握电阻应变片产生温度误差的主要原因及线路补偿方法。 1. 电阻应变片的结构和分类 结构：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其中，敏感栅是应变片 的核心部分，它是用直径约为 0.025mm 的具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的电 阻值，电阻丝排列成栅网状，故称为敏感栅。 2. 应变片的分类 金属应变片和半导体应变片 金属应变片分：丝式、箔式 3. 应变片的横向效应 应变片的灵敏系数 K 恒小于同一材料金属丝的灵敏系数 K s ,其原因是由于横向效应的 影响。所谓横向效应是指将直的金属丝绕成敏感栅之后， 在圆弧的各微段上，其轴向感受的 应变在+ 5和名y =-卩￡x 之间变化，从而造成了圆弧段电阻变化将小于沿纵轴方向安放的 同样长度电阻丝电阻变化的现象。 式中4 :泊松比, 对于钢 4 = 0. 285 △R =(1 +2A )s + 竺 P
一、原理 由欧姆定律知，对于长为、截面积为、电阻率为的导体，其电阻 若、和均发生变化，则其电阻也变化，对上式全微分，有 设半径为的圆导体，= ，代入上式，电阻的相对变化为 因为 则 式中——导体的纵向应变。其数值一般很小，常以微应变度量， 1 =10－6 ； ——材料泊桑比，一般金属=0.3-0.5； ——压阻系数，与材质有关； E——材料的弹性模量。 上式中，表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量； 表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。 不同属性的导体，这两项所占的比例相差很大。 若定义导体产生单位纵向应变时，电阻值相对变化量为导体的灵敏度系数，则
显然，SS愈大，单位纵向应变引起的电阻值相对变化愈大，说明应变片愈灵敏。 可用不同的导体材料制成应变片，目前主要有金属电阻应变片和半导体应变片两类。 二、金属电阻应变片 １.结构形式 原理： 对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，得：
电阻丝应变片又称金属丝电阻应变片,其优点是制作方便,应变横向效应大. 选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电 流和应变极限等。市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化，主要规格有60Ω、120Ω、350Ω 600Ω和1000Ω等，其中120Ω用得最多。 应变片产品包装上标明的"标称灵敏系数"，出厂时测定的该批产品的平均灵敏度系数值。 2.其他结构形式 三、半导体应变片 结构形式
对于半导体应变片，几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽略不计，可得 从而可得半导体应变片灵敏度系数为 半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ可达60～150， 能直接与记录仪器连接而不需放大器，使测量系统简化。 此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。 当应变较大时，非线性严重。由于受晶向、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。 学习时注意观察应变片粘贴的位置及方向。 四、应用 1．BLR-1拉压力传感器
传感器技术实验报告 院（系）机械工程系专业班级 姓名同组同学 实验时间 2014 年月日，第周，星期第节 实验地点单片机与传感器实验室实验台号 实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器： 应变传感器实验模块、托盘、砝码（每只约20g）、、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。 三、实验原理： 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1 通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压
εk E R R R R R E U 4 R 4E 21140=??≈??+?? = （1-1） E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021L ???- =R R γ。 四、实验内容与步骤 1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R 1、R 2、R 3、R 4 上，可用万用表测量判别，R 1=R 2=R 3=R 4=350Ω。 2．从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端U i 短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档），调节电位器Rw 3，使电压表显示为0V ，Rw 3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R 1）接入电桥与R 5、R 6、R 7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw 1，直流电源±4V （从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端U i ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw 1,使电压表显示为零。 4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw 4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV ，读取数显表数值，保持Rw 4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完，记录实验结果，填入表1-1，关闭电源。 重量 (g)
目录 1 概述 2 工作原理 1. 2.1 电阻应变片 2. 2.2 陶瓷型 3 选型要点 4 常见故障 5 四个无法避免的误差 6 抗干扰措施 7 八大发展趋势 将压力转换为电信号输出的传感器。通常把压力测量仪表中的电测式仪表称为压力传感器。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。 力学传感器的种类繁多，但常用的压力传感器有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器，光纤压力传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。 压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。 电阻应变片
一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变 电阻应变片内部结构 片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变， 使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 惠斯通原理
应变片压力传感器原理 与应用 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
应变片压力传感器原理与应用 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，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况。 2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理
四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。 1.2 电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。 箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 ?，通常为120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 材料的电阻变化率由下式决定： d d d R A R A ρρ=+ （1） 式中； R —材料电阻
由材料力学知识得； [(12)(12)]dR R C K μμεε=++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得 R L K K R L ε??== (3) 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器 测高压用的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低 ρ—材料电阻率