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
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。
（三）、测量电路的选用： 电桥电路是一种能够实现将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压输出的一种信号变换电路。具有结构简单、精确度和灵敏度高的优点，在测试中应用非常广泛。电桥按供电方式分为直流电桥和交流电桥。在这次设计中采用的测量电路是直流电桥。而电桥工作状态可分为：不平衡电桥和平衡电桥，不平衡电桥在连续量的自动检测中大量采用，平衡电桥又称为零位法测量，一般用于静态测量，准确性较高。在此次传感器设计中使用了平衡电桥。 二、基本原理： 扭矩的测量：采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。如图1所示： 一、设计题目要求与分析 1、设计题目：设计测扭矩的传感器。 使用条件：转矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，所以振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封装在一起，只留下两个轴端在外面；工作温度在-20~150C0。 二扭矩测量及应变片的基本原理 1、应变片式传感器的原理及结构 应变计的转换原理基于应变效应。所谓应变效应是指 属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。由物理 学可知，金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率ρ成正比，
与其截面积A成正比比，其公式表示为: R=ρL/A 从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值，而引起电压值变化。 电阻应变计简称应变计，它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计的结构如下：
传感器实验报告 一、实验原理 利用电阻式应变片受到外力发生形变之后，金属丝的电阻也随之发生变化。通过测量应变片的电阻变化再反算回去应变片所受到的应变量。利用电桥将电阻变化转化成电压变化进行测量，电桥的输出电压经过应变放大仪之后输出到采集卡，labview 采集程序通过采集卡 读取到应变放大仪的输出。 1 4 电桥输出电压与导体的纵向应变ε之间的关系为： 1 4 v V K ε=??? (1.1) 其中K 为电阻应变片的灵敏系数，V 为供桥电压，v 为电桥输出电压。由上式可知通过测量电桥输出电压再代入电阻应变片的灵敏系数就可以求出导体的纵向应变，即应变片的纵向应变。 二、实验仪器 悬臂梁 一条 应变片 一片 焊盘 两个 502胶水 一瓶 电阻桥盒 一个 BZ2210应变仪 一台 采集卡 一个 电脑 一台 砝码 一盒 三、实验步骤 1、先用砂纸摩擦桥臂至光滑，再用无水乙醇擦拭桥臂； 2、拿出应变片和焊盘，将502胶水滴在应变片及焊盘背面，把其贴在桥臂上，并压紧应变片； 3、使用电烙铁将应变片和焊盘焊接起来，再将焊盘跟桥盒连接起来，这里采用的是1 桥的接法； 4、将桥盒的输出接入到应变放大仪的通道1； 5、应变仪的输出接到采集卡上； 6、运行labview 的采集程序进行测试；
7、改变砝码的重量，从采集程序记录得出的数据。 8、对所得的数据做数据处理。 四、实验数据
五、数据分析 1、线性度分析 取出实验数据的0~250g的部分做线性度分析，数据如表2所示。
对上述数据进行初步分析，第一组跟第三组数据都是呈线性的，而第二组数据在70g-100g 这里却有了0.0013的变化，变化较大，不符合理论值，所以在进行数据分析时排除第二组数据，仅适用第一、第三组数据进行数据分析。对第一、第三组数据使用MATLAB 进行分析，先将两组数据做曲线拟合，得到拟合曲线之后将x 代入拟合曲线中求出对应的值，再把两组数据的端点取出做直线，将两条线相减得到最大差值，分别求出两组数据的最大差值，再代入公式max =100%L FS L Y γ?± ? 求出每组数据的线性度。FS Y 指的是满量程输出，这里取重量为250g 的数据。 具体实现的MATLAB 代码： x=[0 10 20 30 40 50 70 100 120 150 170 200 250]; x0=[0 250]; y01=[2.8646 2.8734]; y03=[2.8736 2.8828]; y1=[2.8646 2.8646 2.8648 2.8652 2.8653 2.8687 2.8662 2.8677 2.8681 2.8696 2.8701 2.8715 2.8734];%第一组数据 y2=[2.8613 2.8615 2.8619 2.8623 2.8625 2.8629 2.8637 2.865 2.8657 2.8668 2.8836 2.8847 2.886];%第二组数据 y3=[2.8736 2.8739 2.8742 2.8745 2.8749 2.8752 2.876 2.8771 2.8778 2.879 2.8798 2.8807 2.8828];%第三组数据 p1=polyfit(x,y1,1); p2=polyfit(x,y2,1); p3=polyfit(x,y3,1); p4=polyfit(x0,y01,1); p5=polyfit(x0,y03,1);
第二讲 电阻应变式传感器 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 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。 一、 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。 电阻丝的电阻： S L R ρ =， 求R 的全微分得： ρρ?+?-?=?S S L L R R
式中L L ?是长度相对变化，即应变ε。 金属丝的变形有： L L r r S S ?-=?=?μ22 式中μ：泊松比，对于钢285.0=μ 故应变效应数学表达式： ρρ εμ?++=?)21(R R 灵敏度系数： ε ρ ρ με?+ +=?= 21R R k 因此应变的应变效应原理： x εK R R =? 式中K ──电阻应变片的灵敏系数 二、 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+εx 和εy =μ-εx 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。
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
第二讲电阻应变式传感器 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 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 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 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。 一、 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。 电阻应变片的工作原理是 应变效应一一机械变形时，应变片电阻变化 图2-6 金属丝应变效应 电阻丝的电阻: ： -L 求R 的全微分得: L F - ------—=一一一一—== -- . '■r I
式中L 是长度相对变化，即应变 ■:。 金属丝的变形有： S 2：r^ [L 2^- S r L 式中"：泊松比，对于钢"_ °?285 故应变效应数学表达式： =（1 2」）； 灵敏度系数: 因此应变的应变效应原理 R K ；x R 式中K ——电阻应变片的灵敏系数 二、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+ ；x 和；y =-「；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。 iP/ =1 2 二 .R
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。
实验一电阻式传感器的单臂电桥性能实验 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。 2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。 3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。 二、实验说明 1、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/ R＝Kε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/ L。通过测量电路将电阻变化转换为电流或电压输出。 2、电阻应变式传感如图1-1所示。传感器的主要部分是下、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。 1 1─外壳2─电阻应变片3─测杆4─等截面悬臂梁5─面板接线图 图1-1 电阻应变式传感器 3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R1、R2、R3为 固定，R为电阻应变片，输出电压U O＝EKε，E为电桥转换系数。
图1-2 电阻式传感器单臂电桥实验电路图 三、实验内容 1、固定好位移台架，将电阻应变式传感器置于位移台架上，调节测微器使其指示15mm左右。将测微器装入位移台架上部的开口处，旋转测微器测杆使其与电阻应变式传感器的测杆适度旋紧，然后调节两个滚花螺母使电阻式应变传感器上的两个悬梁处于水平状态，两个滚花螺母固定在开口处上下两侧。 2、将实验箱（实验台内部已连接）面板上的±15V和地端，用导线接到差动放大器上；将放大器放大倍数电位器RP1旋钮（实验台为增益旋钮）逆时针旋到终端位置。 3、用导线将差动放大器的正负输入端连接，再将其输出端接到数字电压表的输入端；按下面板上电压量程转换开关的20V档按键（实验台为将电压量程拨到20V档）；接通电源开关，旋动放大器的调零电位器RP2旋钮，使电压表指示向零趋近，然后换到2V量程，旋动调零电位器RP2旋钮使电压表指示为零；此后调零电位器RP2旋钮不再调节，根据实验适当调节增益电位器RP1。 4、按图1-2接线，R1、R2、R3（电阻传感器部分固定电阻）与一个的应变片构成单臂电桥形式。 5、调节平衡电位器RP，使数字电压表指示接近零，然后旋动测微器使
前言 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。 随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。 本次课程设计的称重传感器就是利用应变片阻值的变化量来确定弹性元件的微小应变，从而利用力，受力面积及应变之间的关系来确定力的大小，进而求得产生作用力的物体的质量。应变片阻值的变化可以通过后续的处理电路求得。 传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。
理工大学 大 学 物 理 实 验 报 告 院（系） 材料学院 专业 材料物理 班级 0705 姓 名 童凌炜 学号 200767025 实验台号 实验时间 2009 年 03 月 06 日，第 二 周，星期 五 第 5-6 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， 在弹性围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
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) 电压(mV)
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 图2.3.1 电桥电路的结构
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
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。
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
电阻应变式传感器■实验报告 大连理工大学 大学物理实验报告 200767025 实验台号__________________ 实验时间2009 年03月06日，第二周，星期五第5-6_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: CSY10A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R=￥，收到轴向拉力时，发S 生电阻值变化収，变化比例的表达式为：￡ =三+-詈，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，得到乎=（1 2」）半上予=叶，其中系数k称为电阻应变片 R L L I [ L L 7 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， 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 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 桥的桥臂比为詈二导“，根据电桥的工作原理， 并 R1 R2 忽略一些极小的无影响的量， 可以得到输出电压的 只输出电压信号； 根据 定义为 k v V R/R U ｛町咆桥电路 (h)单新电桥 半桥电畸 (d)全桥电路