湖南科技大学
传感器课程设计
题目
作者
学院机电工程学院
专业测控技术与仪器
学号
指导教师
二〇一七年六月十日
应变式传感器应用广泛，很多地方都得以应用，而本次课程设计的重点是设计一个应变片柱式传感器用来称重。研究的重点是传感器的基本原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。
课程设计的内容包括：掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态、制定传感器测量方案、进行必要的理论计算分析、用CAD对传感器结构及零件进行设计、对转换电路进行计算和设计等。
关键词：圆柱式、应变片、称重、形变
一、工作原理及特点——————————————————1
1、工作原理————————————————————————1
2、测量特点————————————————————————1
二、柱式传感器结构设计————————————————2
1、弹性元件材料的选定及要求————————————————2
2、弹性元件材料的处理———————————————————3
3、几种应变片的比较及选定—————————————————3
4、应变片材料的选定及要求—————————————————4
三、相关理论分析———————————————————6
1、弹性敏感元件的特性参数计算———————————————6
2、应变片参数的计算————————————————————7
3、弹性元件变形与应变片电阻值关系—————————————7
四、电路的设计————————————————————9
参考文献—————————————————————10
一、工作原理及特点
一、 工作原理
基本测量原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化。也就是利用金属的电阻应变效应(金属丝在受外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化)将测量物体变形转换城电阻值的变化，再由转换电路变成点亮的输出。
引起的电阻阻值变化ΔR ，伸长量Δl ，电阻率变化量Δρ，横截面积相应减少量ΔS ；则有：
ρ
ρ
?+?-?=?S S l l R R （1-1） 式中的Δl /l 为电阻式的轴向应变，用ε表示，径向应变为Δr/r ，电阻丝的纵向伸长和横向收缩关系用泊松比μ表示为Δr/r=-μ(ΔL/L )
()ερ
ρμ021k l l R R =?++?=? （1-2） 式（1-2）中，k 0称为金属电阻的灵敏系数，k 0受两个因素影响：一个是（1+2μ），它由材料的几何尺寸决定；另一个是Δρ/(ρε)，它表示材料的电阻率ρ随应变而变化。对金属材料而言，前者为主，其k 0≈1+2μ。实验表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与横向应变成正比。通常金属丝的灵敏系数k 0 = 2左右。
二、 测量特点
以电阻应变片和敏感元件组成。将电阻应变片粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件在测量时其表面会出现变形，导致其表面附着的电阻应变片的阻值随之变化，与之相应的测量转换电路将这一非电量的变化转化为电量输出。该类型传感器具有以下特点：
①精度高，测量范围广，适合静态和动态测量； ②使用寿命长，性能可靠稳定； ③结构简单，尺寸小。
二、柱式传感器结构设计
柱式传感器的弹性元件分为实心和空心。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。根据材料力学分析和试验研究的结果，对实心圆柱，一般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。
柱式传感器结构简单，可以测量大的拉压力，最大可达107N。在测103 ~105N 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。
一、弹性元件材料的选定及要求
弹性形变的定义：是指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状谓之"弹性形变"。这种物体称为弹性元件或弹性体。
弹性敏感元件在传感器中占据很重要的地位。在传感器工作过程中，一般是由弹性敏感元件将非电量转换成弹性元件的形变，然后配合转换电路转换成电量。所以说弹性元件在传感器中应用是十分广泛的。
为了适合本课程设计的要求，对弹性材料提出以下要求：
①具有高强度、高弹性特性;
②温度变化系数小、热膨胀系数小、时间稳定性好;
③具有小的弹性滞后;
④组织均匀，热处理后的残存应力小;
⑥冲击韧性好，加工工艺性好;
⑦具有抗氧化性。
参照新编传感器手册得下表：
根据应变式传感器的使用特性和性能指标，本次设计采用17-4PH不锈钢作为弹性元件的制作材料。主要是因为该材料具有以下特点：合金是沉淀、淬水、马氏体的不锈钢，且具有高强度、硬度和抗腐蚀等特性经过热处理后，材料的特性将更加完善。
二、弹性元件材料的处理
为了提高弹性材料的强度和韧劲，要进行热处理。对17-4PH不锈钢进行H900热工艺处理：
1、预热，加热温度：850±10℃，保温时间：35±5min。
2、固溶，加热温度：1040±5℃，保温时间：80±5min；真空度：1～30Pa；油冷，油温：25～70℃，油中停留时间：10±2min。
3、清洗，将零件浸入80～100℃的清洗槽①中清洗20～30min，出槽后浸入20～40℃的漂洗槽②中漂洗2～5min，出槽后晾干或吹干。
4、时效，加热温度：480±5℃，保温时间：250±10min，空冷到室温。
之后采用反复加载和机械振动的方法，可以释放材料内部的应力
三、几种应变片的比较及选定
1、金属丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式应变片它的敏感栅丝直径在0.012 ~ 0.05mm，以0.025mm左右为最常用，回线的曲率半径r为0.1~0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效的传递变形。引线多用0.15~0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部分的变形使横向效应增大。
为了克服横向效应，有短接式应变片。其两端用直径比栅丝直径粗5 ~10倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，故使用较少。
丝式应变片敏感栅的材料的要求是：灵敏系数高，电阻率高，稳定好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有锰白铜（亦称康铜），镍铬合金，镍铬铝合金，铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。
2、金属箔式应变片
金属箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003 ~ 0.01mm电阻铂材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。
它的优点是：①可以制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，栅长l最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②与被测试件接触面积大，粘结性能好。散
热条件好，允许电流大，提高输出灵敏度；③横向效应可以忽略；④蠕变、机械滞后下，疲劳寿命长。目前箔式应变片得到了广泛应用，现在已基本取代金属丝电阻应变片。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能相差几十欧姆，故需要做阻值调整。
3、金属薄膜应变片
金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产，是一种很有前途的新型应变片。
这种应变片的特点是：电阻值比箔式应变片高，形状和尺寸箔式应变片更小更精确；他没有箔式应变片腐蚀所引入疵病；制成的结构散热性好，对于较宽的温度范围也可以达到较完善的补偿；特别是近年激光调阻技术的发展，提高了电阻值的精度，可达0.01％。尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶接法所引入的漂移、蠕变、疲劳弱点都有很大的克服。
4、半导体应变片
利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。压阻传感器的灵敏系数大，分辨率高，频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
因为半导体材料对温度很敏感，因此该类传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
对于金属箔式应变片，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度，故允许通过较大的电流，因而可以有较大的输出，提高了测量灵敏度。综合一些金属箔式应变片的优点，和考虑到工艺技术的有限及性价比问题，该次设计采用金属箔式应变片。
四、应变片材料的选定及要求
1、敏感栅材料
制造应变片时，对敏感材料的要求：
①灵敏系数K s和电阻率ρ要尽可能高而稳定，电阻变化率ΔR/R与机械应变ε之间应具有良好而宽广的线性关系，即要求K s在很大范围内为常数；
②电阻温度系数小，电阻——温度之间的线性关系和重复性好；
③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；
④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。
制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬和金、贵金属（铂、铂钨合金）材料等，材料性能见下表：
基于上述材料的性能比较分析，选用镍铬合金作为敏感栅材料。
2、应变片基底材料及引线材料
对基底材料性能有如下要求：①机械强度好，挠性好；②粘贴性能好；③电绝缘性能好；热稳定性能好和抗湿性好；⑤无滞后和蠕变。
应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因为胶基各方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03~0.05mm。
引线材料采用镍铬合金材料。
三、相关理论分析计算
一、弹性敏感元件的特性参数计算
柱式弹性元件的特点是结构简单，可承受很大的载荷，根据截面形状可分为实心截面和空心截面，而本次课程设计采用空心截面。
在力的作用下，它以应变作为输出量。在承受轴向作用力F 时，在与轴线成α角的截面上所产生的应变、应力为
()
αμασα22sin cos A —F
=
（3-1）
()
αμαεα22sin cos AE
—F
= （3-2）
因此在轴向（α=0）所产生的应力、应变为
A F
=α （3-3）
AE
F
=ε （3-4） 横向（α=90）所产生的应力、应变为
A F
μα—= （3-5）
AE
F
με—= （3-6） 有查表得知，弹性元件17-4PH 不锈钢的屈服极限σs=1850MPa ，，若取安全
系数n=3.7，可求弹性元件的许用应力
[]a 500n
s
MP ==σσ
弹性元件空心圆柱的截面面积
[]
2
25-6
max
mm 10m 101a
105005000=?=?=
≥
P N F A σ 空心圆柱的内径和外径的确定。考虑构建的稳定性以及加工的难易程度，还有对于金属箔式应变片在外径上的粘贴情况，使贴片部分应力均匀，空心圆柱长度L=（2~2.5）D ，现取内径d=20mm ；
mm 32.20d A
4D 2≈+≥
π
为保证圆柱加工的简单，适当调整D 的大小，取D=25mm ，取L=2D=50mm 重新计算空心圆柱截面面积：
()
()
222
22
17771.17620254
4
mm d D A ≈≈-=
-=
π
π
圆柱的高度L=50mm ，截面面积A=177mm 2。
二、应变片参数的计算
应变片内敏感栅材料的直径范围为0.01~0.05mm ，，其基底很薄，一般在0.03mm 左右，能保证有效传递变形。查阅一些资料，发现栅丝的的栅长在0.6~50mm 之间，应变片宽度在1~8mm 之间。栅丝材料选择镍铬合金，该材料的灵敏系数2.1~2.3。
现选取敏感栅截面积为0.001mm 2，取栅丝长10mm ，应变片宽度取3.3mm ，取灵敏系数为2.2。镍铬合金的的电阻率ρ=（1.0~1.1）Ω?mm 2/m ，取电阻率为1.0Ω?mm 2/m 。应变片的电阻值已经趋于标准化，有60Ω，120Ω，350Ω，600Ω，和1000Ω各种阻值，其中以120Ω最常使用，所以该应变片设计也采用120Ω阻值。
金属丝电阻阻值的计算公式
s
l
ρ=R （3-7）
求出金属丝的总长度
mm m
mm mm Rs
l 120/0.1001.012022
=?Ω?Ω==ρ
将这120mm 的绕成12段，每一段10mm
关于箔式应变片最后的设计结果是： 电阻值
基长*基宽 栅长*栅宽 灵敏系数 基底材料 栅丝材料 120Ω
14.2*4.1mm 10*3.3mm
2.2
胶基
镍铬合金
应变片的模板大致如下图 ：
图1 应变片图
三、弹性元件变形与应变片电阻值关系
在空心圆柱外圆壁上竖直对称贴上4片应变片，并在这4个应变片下面横向贴上一个应变片。当重物产生的重力作用在空心圆柱上时，空心圆柱发生弹性变形，空心圆柱的变形导致竖直粘贴在外壁上的应变片也跟着发生同样的变形，金属丝变形导致电阻值变化，通过电桥电路从而转换成电量的输出，而横向粘贴
的应变片并不发生应变形变，只做温度补偿的作用。外力作用在空心圆柱引起的变形量
mm
10
446
.3
F
a
10
195
177mm
F
AE
F
4
3
2?
=
?
?
=
=
MP
ε
圆柱弹性形变ε，一个应变片12段栅丝产生的总变形为12ε，此时的栅丝总长度为120-12εmm根据金属丝变形前后的体积不变，可得
mm
F
l
sl
s
l s
sl
-
?
=
?
?
=
=
?
=
=
5
4
2
'
'
'
'
10
446
.3
6.
344
mm
10
3.446
12F
mm
120
mm
120
mm
001
.0
V
—
电阻值的变化（减小）ΔR
()2
2
'
'
'2.1
24
2.1
24
120
0.1
120
120ε
ε
ε
ε
ρ—
—=
+
?
-
=
-
=
-
=
?
s
l
R
R
R
根据电桥电路，将阻值的变化转换成电量输出：
图2 电桥电路图
将R1与R3串联，R2与R4串联放在相应的臂上，用来减少弯矩的影响，而横向贴片只做温度补偿作用，用12V恒压源对电桥进行供电。
因为四个桥臂的电阻阻值都相等，又因为是差动式电桥，所以输出电压为：
2
2
12
.0
4.2
12
120
2.1
24
U
R
R
Uε
ε
ε
ε
—
—
=
?
=
?
=
输出电压与重物重力的关系：
()24
2
4
10
446
.3
F
12
.0
10
446
.3
F
4.2
U
?
?
=—
四、电路的的设计
采用三运放高共模抑制比放大电路：
图3 三运放高共模抑制比放大电路
输出电压与输入电压的关系：
()
()3
5
1i 2i 02135121o R R U U R R R R R U U U O O -???? ??++=-=- （4-1） 利用放大电路将输入的电压放大15倍。现选取转换电路中各电阻的阻值为： R 1=R 2=100K Ω,R 0=10K Ω,R 3=R 4=140K Ω,R 5=R 6=100K Ω,R 7=R 8=10K Ω,RP=20K Ω。
()i1i215U U U O -?=
参考文献
【1】《最新传感器实用手册》，杨帮文主编，人们邮电出版社，2004年
【2】《新编传感器实用宝典》，杨帮文主编，机械工业出版社，2005年
【3】《传感器手册》，鲍丙豪编，化学工业出版社，2007年
【4】《传感器原理、设计与应用》第5版，刘迎春编，国防工业出版社，2015年【5】《传感器》第5版，唐文彦主编，机械工业出版社，2017年
【6】《常用传感器应用电路的设计与实践》，何希才主编，科学出版社，2007年【7】《测控电路》第5版，李醒飞主编，机械工业出版社，2017年
成绩评定： 传感器技术 课程设计 题目应变式测力仪 院系电子工程学院 专业 姓名 年级电 指导教师蔡苗苗 2014年 11 月
摘要 电阻应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小，重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣的环境下工作，在力、压力和重力要测试中有非常广泛的应用。所以电阻应变式力传感器制作的电子称具有准确度高，易于制作，简单实用、成本低廉、体积小巧、携带方便等特点。 对于电阻应变片式测力传感器（以下简称“测力传感器”）来说，弹性体的结构外形与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的外形及相关尺寸。假如测力传感器的弹性体设计不公道，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行公道的设计至关重要。 关键词：电阻应变片测力传感器精度灵敏度
目录 一、设计目的------------------------- 4 二、设计任务与要求--------------------- 4 2.1设计任务------------------------- 4 2.2设计要求------------------------- 4 三、设计步骤及原理分析 ----------------- 5 3.1设计方法------------------------- 5 3.2设计步骤------------------------- 6 3.3设计原理分析---------------------- 7 四、课程设计小结与体会 ----------------- 9 五、参考文献-------------------------- 9
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。
1前言 1.1研究课题背景及意义 应变式测力传感器早已在众多测控领域中得到了广泛的应用，尤其在测量重量方面，其技术已非常成熟。所以，国内外众多科技人员努力争取更大的突破。得到更优良的弹性体结构，非常合适的弹性体材料，合乎测量要求的应变片，完善的测量电路及补偿电路是需要努力的。当然，非常好的外观质量也是一大竞争力。现已有的应变式测力传感器大致有这么几种：桥式、剪切梁式、单点式、柱式、轮辐式、板式、平行梁式、S型。它们主要用于称重领域。国外企业在以下几个方面进行了许多研究和实验工作，如结构设计、制造工艺、电路补偿及调整、稳定性方面。并取得了一定的进展。这些进展主要包括在设计和计算过程中引入了先进的分析方法，如用计算机拟实技术进行动态仿真和动力学分析及工艺设计过程里运用虚拟技术，对生产工艺进行仿真检验。在弹性体加工方面，使用先进制造技术，将刚性制造转为柔性制造，加工中心、柔性制造系统和柔性制造单元得到普遍采用。在生产过程中尽量采用半自动和自动控制、自动检验程序和计算机网络技术。改进了工艺装备也是主要成就之一。最终提高了应变式测力传感器的稳定性和可靠性。 转子在高速运转过程中，由于种种原因，诸如转子的偏心问题，会产生不容忽视的径向力，使转轴的径向误差加大。在自动控制系统中，便需要得到径向力这个信号，然后对执行机构才能进行控制。要得到理想的控制刚度，不仅需要控制系统的稳定可行，测试系统的重要性同样不可忽视。所以，传感器性能的好坏和选取的是否恰当是个非常关键的问题。在现有的径向力测量中，人们并不是直接去测径向力的值，而是将其转化为其它量，比如位移量。然后使用位移传感器进行测量，控制径向位移量便使得径向力引起的问题得到解决。在高速运转的系统中，如磁悬浮系统，人们便广泛采用这样一些位移传感器：电容式传感器、电涡流式传感器、电感式传感器。并都取得了不错的测量控制效果。但是，还不能忽视他们的缺点。电容式传感器，其电容小，容易受到外界诸多因素的影响，在高速旋转的转子系统中其可靠性大大降低。电涡流式传感器相对来讲比较合适，但是当附近存在高频磁场和工作的高频开关器件，它的可靠性也将变得不理想。电感式传感器由于自身的频率响应特性不适合于快速动态测量。 其实在转子系统中，转子肯定要有轴承支承。前面所讲都是将传感器作为一个附属测量器件，纯粹起测量作用。考虑轴承的刚度问题和受力问题，一个新的测量方向便产生了，何不设计一个既能其支撑作用，就像轴承一样，又起测量作用个，就像传感器一样。如果要同时具有这两种作用，那么前面所说的电容式传感器、电涡流式传
《电阻应变片的压力传感器设计》 题目电阻应变片的压力传感器设计时间 201608 班级 2014级 姓名 序号 指导教师 教研室主任 系教学主任 2016年08月 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。 目录
压电式测力传感器的原理及应用 摘要：伴随着电子工程、机械工程、物理学及生物学的发展和需求，传感器微电子技术也逐步的成熟起来，成为一个独立的，设计生物、物理、化学、材料、工程学等领域的新学科。它也将延伸到我们生活的各行各业、方方面面。由于传感器技术的空前发展，其应用领域也不断深入，人们对这方面知识的需求愈显迫切，各种特性，功能各异的传感器也应运而生，例如生物传感器，红外传感器，压电式传感器……，对于这形色功能各异的传感器我们怎样去认识、熟悉它也是一个需要解决的难题，本文将带领我们进入这个新奇的世界，…… 关键词：微电子技术，传感器，压电式测力传感器 1引言：生活中的声控开关、商场中的智能大门、时下正热的红外遥感技术，对这一切就 时时刻刻发生我们身边和应用到我们生活中的随口拖出的“神秘”东西，对于这些智能的生活用具到底怎样工作的呢？在这之中我们不得不提到一个重要的幕后操纵者——传感器，什么是传感器，传感器的工作原理及其性能是什么，……，本文将通过介绍传感器中的一种压电式传感器带领我们进入这个神秘的世界，并通过实例的解析去认识它 2 传感器的综述 2.1 传感器的专业术语及系统介绍 传感器：（广义）凡能外界信息并按一定规律转换成便于测量和控制的信息的装置；（狭义）只有将外界信息按一定规律转换成电量的装置。 传感器的总特性：主要指传感器以及被测对象和后接仪器组成的测量系统的输入和输出的匹配、传感器的机械特性以及其工作特性。 静态特性：表示传感器在被测量各值处于稳定状态时的输入-输出的关系，其指标是灵敏度、线性度、稳定度迟滞等。 动态特性：指输入随时间变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。它取决于传感器本身，另外与被测量的形式有关。 传感器的组成：通常，传感器由敏感元件，传感元件和其他辅助件组成，又是也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。如下图： 敏感元件：直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其他量（一般为电量）的元件。如应变式压力传感器的弹性膜片、热电偶等都为敏感元件。 传感元件：又称变换器，它一般情况下不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。如应变式传感器中的应变片等。 信号调节与辅助电路：能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有
传感器与检测技术 电阻应变式压力传感器的设计 电阻应变式压力传感器的设计 1. 、方案设计 原理框图如图一所示 数显表头低通滤波相敏检波U 过零比较器 2.2应变片检测原理 电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。 设一根电阻丝，电阻率为?，长度为I,截面积为S,在未受力时的电阻值为
丄----- ① S 如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度I增加，截面S减少，电阻率T也相 应变化，将引起电阻变化△ R,其值为 . . ：l S , —-p ————② RIS^ 对于半径r为的电阻丝，截面面积S—：r2，则有：ss—2：n r。令电阻丝的 轴向应变为；- J.I，径向应变为?汀r =—巩.丄|)一；，；由材料力学可知， 为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得 空—(1+2忙三 R ? 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为 AP P / 从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺 受力引起(1 ^1);由材料电阻率变化引起的(，1耳；_1。对于金属丝材料, (;_1项的值比(1,2丄)小很多，可以忽略，故K = 1 。大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数通常金属丝的—1.7?3.6。④可写成 2.3弹性元件的选择及设计 本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手册，决定选取合金结构钢
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);
(1) 1 dR d R dA A 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。 I 绘式应吏片 b ）笹式应变片 材料的电阻变化率由下式决定:
式中; R—材料电阻2
3 —材料电阻率 由材料力学知识得; 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 量出、/L,可得 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 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 ZR 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彳测中压用的膜片一一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膜片一一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 这种传感器与膜片一应变筒式压力传感器相比， 自振频率较低，因此在低dR "R [(1 2 ) C(1 2 )]
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
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
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
湖南科技大学 传感器课程设计 题目 作者 学院机电工程学院 专业测控技术与仪器 学号 指导教师 二〇一七年六月十日
应变式传感器应用广泛，很多地方都得以应用，而本次课程设计的重点是设计一个应变片柱式传感器用来称重。研究的重点是传感器的基本原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。 课程设计的内容包括：掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态、制定传感器测量方案、进行必要的理论计算分析、用CAD对传感器结构及零件进行设计、对转换电路进行计算和设计等。 关键词：圆柱式、应变片、称重、形变
一、工作原理及特点——————————————————1 1、工作原理————————————————————————1 2、测量特点————————————————————————1 二、柱式传感器结构设计————————————————2 1、弹性元件材料的选定及要求————————————————2 2、弹性元件材料的处理———————————————————3 3、几种应变片的比较及选定—————————————————3 4、应变片材料的选定及要求—————————————————4 三、相关理论分析———————————————————6 1、弹性敏感元件的特性参数计算———————————————6 2、应变片参数的计算————————————————————7 3、弹性元件变形与应变片电阻值关系—————————————7 四、电路的设计————————————————————9 参考文献—————————————————————10
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)
压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、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，江苏省苏科仪表有限公司技术部的同志就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 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。 1、应变片压力传感器原理与应用： 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。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：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。 1．2、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）
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
应变式拉力传感器是一款运用了应变式工作原理的传感器。应变式的物理原理在传感器行业内很常见，主要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、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等。 拉力传感器是属于称重传感器的一个小分支，在工业测量行业是属于常见类型的一种传感器。而应变式拉力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 应变式拉力传感器是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。 应变式拉力传感器集中的特点有： 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。
蚌埠高灵传感系统工程有限公司在自主创新的基础上开发生产出力敏系列各类传感器上百个品种，各种应用仪器仪表和系统，以及各种起重机械超载保护装置，可以广泛应用于油田、化工、汽车、起重机械、建设、建材、机械加工、热电、军工、交通等领域。公司除大规模生产各种规格的高精度、高稳定性、高可靠性常规产品外,还可根据用户具体要求设计特殊的非标传感器,以满足用户的特殊要求。如果您想进一步的了解，可以直接点击官网高灵传感进行在线了解。
传感器与检测技术电阻应变式压力传感器的设计 学院：信息技术学院 指导老师：蔡杰 班级：B1106 ：佳林 学号：0915110629
目录 一、设计任务分析 (2) 二、方案设计 (2) 2.1原理简述 (2) 2.2应变片检测原理 (3) 2.3弹性元件的选择及设计 (4) 2.4应变片的选择及设计 (5) 三、单元电路的设计 (6) 3.1电桥电路的设计 (6) 3.2放大电路的设计 (6) 3.3移相器的设计 (7) 3.4过零比较器的设计 (8) 3.5相敏检波电路的设计 (9) 3.6低通滤波器的设计 (9) 四、误差分析 (10) 五、心得体会 (10) 六、致 (11)
电阻应变式压力传感器的设计 一、设计任务分析 采用电阻应变片设计一种电阻应变式质量（压力）传感器，具体要求如下： 1.正确选取电阻应变片的型号、数量、粘贴方式并连接成交流电桥； 2.选取适当形式的弹性元件，完成其机械结构设计、材料选择和受力分析， 3.并根据测试极限围进行校核； 4.完成传感器的外观与装配设计； 5.完成应变电桥输出信号的后续电路（包括放大电路、相敏检波电路、低通 滤波电路）的设计和相关电路参数计算，并绘制传感器电路原理图； 二、方案设计 2.1原理简述 电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传感器中的弹性元件感受物体的重 力并将其转化为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原理得到一定大小的输 出电压，通过电路输出电压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模型，在显 示表头中将电压（V）改为质量（kg）即可实现对物品质量的称重。 本设计所测质量围是0-10kg，同时也将后续处理电路的电压处理为与之对 应的0-10V。由于采用了交流电桥，所以后续电路包括放大电路，相敏检波电路， 移相电路，波形变换电路，低通滤波电路（显示电路本次未设计）。 原理框图如图一所示。 （质量）压力电阻应变片交流电桥5KHZ交流 放大器移相器数显表头 过零比较器 相敏检波 低通滤波