1．金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?
答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。
2.直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?
答：它们的区别主要是直流电桥用直流电源，只适用于直流元件，如电阻应变片，交流电桥用交流电源，适用于所有电路元件，如电阻应变片、电容。
3．简述电阻应变式传感器产生横向误差的原因。
粘贴在受单向拉伸力试件上的应变片 , 如图2-3所示，其敏感栅是有多条直线和圆弧部
分组成。这时，各直线段上的金属丝只感受沿轴向拉应变x ε,电阻值将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向 (即微段圆弧的切向) 的应变与直线段不相等，因此与直线段上同样长度的微段所产生的电阻变化就不相同，最明显的在2/πθ=处圆弧段上，按泊松关系，在垂直方向上产生负的压应变y ε，因此该段的电阻是最小的。而在圆弧的其它各段上，其轴向感受的应变由 +x ε变化到-y ε。由此可见 , 将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。
应变片横向效应表明 , 当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数 k 时的标定规则不同时,实际 k 值要改变,由此可能产生较大测量误差，当不能满足测量精确度要求时，应进行必要的修正。
4．采用阻值为120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 解：单臂时4
0U K U ε=，所以应变为1时660102410244--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为33
01024
10244--?=??==U K U ε/V ； 双臂时2
0U K U ε=，所以应变为1时660104210242--?=??==U K U ε/V ，
应变为图2－3 横向效应
1000时应为33
01042
10242--?=??==U K U ε/V ； 全桥时U K U ε=0，所以应变为1时60108-?=U /V ，应变为1000时应为
30108-?=U /V 。从上面的计算可知：单臂时灵敏度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。
5．差动电桥有哪些有优点？
答：差动电桥比单臂电桥的灵敏度高，此外，还可以有效地改善电桥的温度误差、非线性误差。
第4章应变式传感器 一、单项选择题 1、为减小或消除非线性误差的方法可采用（）。 A. 提高供电电压 B. 提高桥臂比 C. 提高桥臂电阻值 D. 提高电压灵敏度 2、全桥差动电路的电压灵敏度是单臂工作时的（）。 A. 不变 B. 2倍 C. 4倍 D. 6倍 3、电阻应变片配用的测量电路中，为了克服分布电容的影响，多采用( )。 A．直流平衡电桥 B．直流不平衡电桥 C．交流平衡电桥 D．交流不平衡电桥 4、通常用应变式传感器测量( )。 A. 温度 B．密度 C．加速度 D．电阻 5、影响金属导电材料应变灵敏系数K的主要因素是（）。 A．导电材料电阻率的变化 B．导电材料几何尺寸的变化 C．导电材料物理性质的变化 D．导电材料化学性质的变化 6、产生应变片温度误差的主要原因有（）。 A．电阻丝有温度系数 B．试件与电阻丝的线膨胀系数相同 C．电阻丝承受应力方向不同 D．电阻丝与试件材料不同 7、电阻应变片的线路温度补偿方法有（）。 A．差动电桥补偿法 B．补偿块粘贴补偿应变片电桥补偿法 C．补偿线圈补偿法 D．恒流源温度补偿电路法 8、当应变片的主轴线方向与试件轴线方向一致，且试件轴线上受一维应力作用时，应变片灵敏系数K的定义是（）。 A．应变片电阻变化率与试件主应力之比 B．应变片电阻与试件主应力方向的应变之比 C．应变片电阻变化率与试件主应力方向的应变之比 D．应变片电阻变化率与试件作用力之比 9、制作应变片敏感栅的材料中，用的最多的金属材料是（）。 A．铜 B．铂 C．康铜 D．镍铬合金 10、利用相邻双臂桥检测的应变式传感器，为使其灵敏度高、非线性误差小（）。 A．两个桥臂都应当用大电阻值工作应变片 B．两个桥臂都应当用两个工作应变片串联 C．两个桥臂应当分别用应变量变化相反的工作应变片
目录 电阻应变测量原理及方法 (2) 1. 概述 (2) 2. 电阻应变片的工作原理、构造和分类 (3) 电阻应变片的工作原理 (3) 电阻应变片的构造 (4) 电阻应变片的分类 (5) 3. 电阻应变片的工作特性及标定 (8) 电阻应变片的工作特性 (8) 电阻应变片工作特性的标定 (13) 4. 电阻应变片的选择、安装和防护 (16) 电阻应变片的选择 (16) 电阻应变片的安装 (17) 电阻应变片的防护 (19) 5. 电阻应变片的测量电路 (19) 直流电桥 (19) 电桥的平衡 (23) 测量电桥的基本特性 (23) 测量电桥的连接与测量灵敏度 (24) 6. 电阻应变仪 (31) 静态电阻应变仪 (31) 测量通道的切换 (33) 公共补偿接线方法 (36) 7. 应变-应力换算关系 (37) 单向应力状态 (37) 已知主应力方向的二向应力状态 (37) 未知主应力方向的二向应力状态 (38) 8. 测量电桥的应用 (40) 拉压应变的测定 (40) 弯曲应变的测定 (44) 弯曲切应力的测定 (46) 扭转切应力的测定 (47) 内力分量的测定 (48)
电阻应变测量原理及方法 1. 概述 电阻应变测量方法是实验应力分析方法中应用最为广泛的一种方法。该方法是用应变敏感元件——电阻应变片测量构件的表面应变，再根据应变—应力关系得到构件表面的应力状态，从而对构件进行应力分析。 电阻应变片（简称应变片）测量应变的大致过程如下：将应变片粘贴或安装在被测构件表面，然后接入测量电路（电桥或电位计式线路），随着构件受力变形，应变片的敏感栅也随之变形，致使其电阻值发生变化，此电阻值的变化与构件表面应变成比例，测量电 路输出应变片电阻变化产生的信号，经放大电路放大后，由指示仪表或记录仪器指示或记录。这是一种将机械应变量转换成电量的方法，其转换过程如图1所示。测量电路的输出信号经放大、模数转换后可直接传输给计算机进行数据处理。 电阻应变测量方法又称应变电测法，之所以得到广泛应用，是因为它具有下列优点 1．测量灵敏度和精度高。其分辨率达1微应变（με），1微应变=10-6应变（ε）。 2．测量范围广。可从1微应变测量到2万微应变。 3．电阻应变片尺寸小，最小的应变片栅长为毫米；重量轻、安装方便，对构件无附加力，不会影响构件的应力状态，并可用于应力梯度变化较大的应变的测量。 4．频率响应好。可从静态应变测量到数十万赫的动态应变。 5．由于在测量过程中输出的是电信号，易于实现数字化、自动化及无线电遥测。 6．可在高温、低温、高速旋转及强磁场等环境下进行测量。 7．可制成各种高精度传感器，测量力、位移、加速度等物理量。 图1 用电阻应变片测量应变的过程
《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
电阻应变片 一、应变计的分类 根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类： 1、金属应变计包括丝式（丝绕式、短接式）应变计、箔式应变计和薄膜应变计； 2、半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计； 3、金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。 二、应变计的主要参数 1、应变计的电阻值应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下，测定的电阻值。应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。 2、应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数是指：当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变)的比值，即式中，K为应变计的灵敏系数；ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变；RRΔ为由ε所引起的应变计电阻的相对变化,常用的应变计灵敏系数为2.0~2.4。 3、应变计的疲劳寿命: 应变计的疲劳寿命是指：在恒定幅值的交变应力作用下，应变计连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数。 三、金属电阻应变片应用与工作原理电阻应变计有两方面的应用：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作间接测量。用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。 金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下: R=ρ*(L/S)式中：ρ—电阻率(Ω·mm2/m) L—金属丝的长度(m) S—金属丝的截面积(mm2) 由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为 ΔR/R=Koε式中:R—金属丝电阻值的变化量; Ko—金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值; ε—金属材料的轴向应变值,即ε=ΔL/L，因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言,其值勤在0.24~0.4之间。 在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。 电路原理：通常传感器采用四片等值电阻组成惠氏顿等桥电路。R,B为输入端，G,W为输出端，RS起到保护电路的作用。通过调节RS、R1调节电路的零点平衡。
第二章电阻式传感器原理与应用 [基本要求] 1. 掌握金属应变式传感器的构成原理特性； 2. 掌握压阻式传感器工作原理，固态压阻器件设计特点； 3. 了解电阻应变式传感器动的粘贴方法； 4. 通过对电阻应变片测量电路分析，掌握直流惠斯通电桥结构形式及特点。 [例题分析] 例题2-1 如果将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S = 0.5×10-4 m 2，弹性模量E =2×1011 N/m 2 ，若有F=5×104 N 的拉力引起应变电阻变化为1Ω。试求该应变片的灵敏度系数？ 解：由题意得应变片电阻相对变化量100 1 = ?R R 根据材料力学理论可知：应变E σε= （σ为试件所受应力，S F = σ），故应变 005.0102105.010511 44 =????=?=-E S F ε 应变片灵敏度系数 2005 .0100 /1/== ?= ε R R K 例题2-2 一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片(K=2）如图2-1（a)所示。已知l =100mm 、b=11mm 、t=3mm ，E=2×104N/mm 2。现将四个应变片接入图（b ）直流电桥中，电桥电压U=6V 。当力F=0.5kg 时，求电桥输出电压U 0=? 解： 由图（a ）所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下各两片。当重力F 作用梁端部后，梁上表面R 1和R 3产生正应变电阻变化而下表面R 2和R 4则产生负应变
电阻变化，其应变绝对值相等，即 E bt Fl 2 42316= =-=-==εεεεε 电阻相对变化量为 ε?=?=?-=?-=?=?K R R R R R R R R R R 44223311 现将四个应变电阻按图（b ）所示接入桥路组成等臂全桥电路，其输出桥路电压为 mV V E bt Fl K U K U R R U 8.170178.010 23111008.95.06264 220==????????=??=?=??= εε 例题2-3采用四片相同的金属丝应变片(K =2），将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图2-2（a) 所示，力F =1000kg 。圆柱断面半径r =1cm ，弹性模量E =2×107N/cm 2,泊松比μ=0.3。求（1）画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；（2）各应变片的应变ε=？电阻相对变化量△R /R =？（3）若电桥电压U = 6V ，求电桥输出电压U 0 =?（4）此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？说明原因。 解： ⑴按题意采用四个相同应变片测力单性元件，贴的位置如图2-2（a ）所示。R 1、R 3沿轴向在力F 作用下产生正应变ε1> 0，ε3> 0；R 2、R 4沿圆周方向贴则产生负应变ε2< 0，ε4< 0。 四个应变电阻接入桥路位置如图2-2（b ）所示。从而组成全桥测量电路可以提高输出电压灵敏度。 ⑵μεπεε1561056.110 218 .9100047231=?=????== =-SE F μεμεε471047.01056.13.04442-=?-=??-=-==--SE F
应变片的种类和应用 应变片主要有两种，电阻应变片和光学应变片。 一．光学应变片： 光学应变计一般采用不超过4-9 微米直径的布拉格光栅玻璃纤维制造。一般来说,人的头发直径为60-80微米。纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。 基于布拉格光栅的应变片有以下优势： 1. 对电磁场不敏感。 2. 可以用于可能爆炸的环境。 3. 高震动负载情况下，材料（玻璃）不会产生故障。 4. 可以测量更大的应变，一般电阻应变片的最大应变为数百微应变，而光学应变片的可测量的最大应变为7000微应变。 5. 更少的连接线，因此会对测试物体产生更少的干扰。 6. 互连需要大量的传感器，不同的布拉格波长可以集成在一个光纤中。 二．电阻应变片： 电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。 金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。 箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。应变片有很多种类。一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm），然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。 而应变片有很多分类方法： 比如按材料分可分为：
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
电阻应变片的粘贴技术 一、实验目的 1.初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术。 2.初步掌握接线、检查等准备工作。 二、实验设备和器材 1.常温用电阻应变片 2.数字式万用表。 3.502粘结剂。 4.电烙铁、镊子、沙纸。 5.等强度梁试件，温度补偿块。 6.丙酮、药棉等。 7.测量导线若干。 三、实验方法和步骤 1.检查应变片的外观和电阻（电阻为200Ω±0.5Ω）。 2.测点表面的清洁处理：为使应变计与被测试件贴得牢,对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。再用划针在测片位置处划出应变计的座标线。 3.贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，用镊子夹住应变片，把应变片轴线对准座标线,上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向滚压，挤出片下汽泡和多余的胶水，手指保持不动约1分钟后再放开，注意按住时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象。 4.贴接线端子片、焊接：将端子片基地和待贴位置处涂抹上一层胶水，等贴牢后将应变片的两个引出线分别焊接到端子片上，再将两根导线分别焊接到另外的两个端子上，注意不能出现短路的情况。 5.检查应变片是否通路，并测量阻值。 四.实验结果 1.电阻理论值为120Ω，测量电阻值均符合要求。
一、应变计的选择 1、1/4桥 λε，仪器调零困难。同时也受温度的影响，用手握住导线的变化就能有100εμ2根线的1/4桥：长的引线会引入电阻导致电桥不平衡，6m长的导线导致电桥不平衡量为29000 以上。 λ，仪器调零容易。也不受导线温度的影响。εμ3根线的1/4桥：6m长的导线导致电桥不平衡量为400 2、应变计的长度选择：要基于应力的分布。 λ应变测量的是局部区域的平均，而非某点的微应变。当应力是线性分布，应变计的长度无影响。 λ应力集中时，最好用非常小的应变计贴在应力集中处，应变计应比应力集中点稍大一点。 λ各向异性材料（如混凝土、碳纤维复合材料等），用长应变计在较大区域得到平均值。 3、应变片样式 λ单向应变计：需要知道主应力方向； T型应变计：也需要知道主应力方向；λ 三片应变花：不知道主应力方向时，可随意贴，通过计算可得出最大最小主应力和方向。λ 剪切式应变计：用于剪切和扭转。λ 4、应变计电阻选择 常用的有120Ω、350Ω和1000Ω。 电阻120Ω350Ω 优 点应变计尺寸小电流低，发热功率低 成本稍低可大电压激励，信号噪声小
应变片主要有两种，电阻应变片和光学应变片。 一．光学应变片： 光学应变计一般采用不超过4-9 微米直径的布拉格光栅玻璃纤维制造。一般来说人的头发直径为60-80微米。纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。基于布拉格光栅的应变片有以下优势：1. 对电磁场不敏感2. 可以用于可能爆炸的环境。3. 高震动负载情况下，材料（玻璃）不会产生故障。4. 可以测量更大的应变，一般电阻应变片的最大应变为数百微应变，而光学应变片的可测量的最大应变为7000微应变。5. 更少的连接线，因此会对测试物体产生更少的干扰。6. 互连需要大量的传感器，不同的布拉格波长可以集成在一个光纤中。 二．电阻应变片：电阻应变片的工作原理是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变效应”。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。应变片是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器测得其电阻变化大小，并转换为测点的应变值。金属电阻应变片品种繁多，形式多样，常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片。箔式电阻应变片是一种基于应变——电阻效应制成的，用金属箔作为敏感栅的，能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。应变片有很多种类。一般的应变片是在称为基底的塑料薄膜（15-16μm）上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅（3-6μm）然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。 应变片的应用：
第一章传感器实验台介绍ZY13Sens12SB传感器技术实验台由主控台、三源板（温度源、转动源、振动源）、18个传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等六部分组成。 一、实验台的组成 1、主控台部分：提供高稳定的±15V、＋5V、±2V±4V±6V±8V±10V可调及＋2V－＋24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有测电压、气压、频率、转速的数显表及计时表。音频信号源（音频振荡器）1kHz~10kHz（可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz~30Hz(可调)；气压源0－20kpa可调；高精度温度转速两用仪表（控制精度±0.5℃），RS232计算机串行接口；流量计；漏电保护器。其中电源、音频、低频、均具有断电保护功能。±2V±4V±6V±8V±10V电源与其它电源、信号Fin、Vin部分不共地。如果与其它电源同时使用时，应将其共地。因断路无输出重新开机即恢复正常。调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。 2、三源板：装有振动源1Hz－30Hz（可调）；旋转源0－2400转／分（可调）；加热源常温＜150℃（可调）。 3、传感器：包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、霍尔转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八种。 4、实验模块部分：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／滤波十个模块。 5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用12位A／D转换、采样速度1500点／秒，采样速度可以选择，既可单独采样亦能连续采样。标准RS232接口，与计算机串行工作。具有网络监控功能和用户认证功能；提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。 二、电路原理 传感器模块电路原理图见模块正面 三、使用方法
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。
电阻应变片的结构及工作原理 电阻应变片的结构如图4-1-3所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的 敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝 或栅状体。引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带 状导线。 (1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结 材料，用它将敏感栅固定在基底上。 (2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的 绝缘层。 (3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的 几何形状和相对位置。 电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。我 们知道，金属导线的电阻R 与其长度L 成正比，与其截面积A 成反比，即 A L R ρ= (4-1-3) 式中ρ是导线的电阻率。 如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变——电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式（4-1-3）取对数后进行微分得 ρ ρd A dA L dL R dR +-= (4-1-4) 式中，L dL 为金属导线长度的相对变化，用轴向应变来表示，即L dL =ε；A dA 是截面积的相对变化。2r A π=（r 为金属导线的半径），，r dr A dA 2= r dr 是金属导线半径的相对变化，即径向应变 r 。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变与径向应变r 有下列关系： μεε-=r (4-1-5) 为金属材料的泊松比。 根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为V dV C d =ρρ，C 为金属材料的一个常数，如铜丝C =1 。 由L A V ?= 我们可导出V dV 与、r 之间的关系。 1 2 3 4 5 图4-1-3 电阻应变片 1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂； 4-覆盖层；5-基底
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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。
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。
一、电阻应变片粘贴技术 一、实验目的 1.了解电阻应变片的结构、规格、用途等。 2.学会设计布片方案。 3.掌握选片、打磨、粘贴、接线、固定、防护等操作工艺和技术。 二、实验设备及器材 1.YD－88便携式超级应变仪。 2.QJ23型电桥。 3.试件、应变片、砂布、镊子、丙酮、药棉、502胶水、玻璃纸等。 4.试件见图1-5。 三、实验原理 应变片的构造很简单。把一条很细具有高电阻率的金属丝，在制片机上排绕后，用胶水粘在两片薄纸之间，再焊上较粗的引出线，就成了早期常用的丝绕式应变片。应变片一般由敏感栅（即金属丝）、粘结剂、基底、引线及覆盖层五部分组成。如将应变片固定在被测构件表面上，金属丝随构件一起变形，其电阻值也随之发生变化，而且，这电阻变化与构件应变有确定的线性关系。应变片已有多种类型，若按敏感栅所用材料来分，有丝绕式应变片、箔式应变片和半导体应变片。前两种的敏感栅是以金属丝或箔制成，可统称为金属式应变片，工作原理是基于金属丝的电阻应变效应；半导体应变片则是一类较新品种，具有一些独特的优点。 无论何类应变片，其构成不外基底、敏感栅和引线三大部分。引线是从敏感栅到测量导线之间的过渡部分，用以将敏感栅接入测量电路。基底用来保持敏感栅及其与引线接头部的几何形状，在应变片安装以后，由它将构件变形传递给敏感栅，并在金属构件与敏感栅之间起绝缘作用。 目前常见的电阻片有以下几种： （1）丝绕式用电阻丝盘绕电阻片称为丝绕式电阻片（见图1-1和图1-2a），目前广泛使用的有半圆弯头平绕式，这种电阻片多用纸底和纸盖，价格低廉，适于实验室广泛使用，缺点是精度较差，横肉向效应系数较大。
电阻应变片传感器例题与习题例题：
例2-3 采用阻值为120Ω灵敏度系数K =的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 解：单臂时40U K U ε=，所以应变为1时660102410244--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为330102410244--?=??==U K U ε/V ；双臂时2 0U K U ε=，所以应变为1时 6 6 01042 10242--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为 33 010*******--?=??==U K U ε/V ；全桥时U K U ε=0，所以应变为1时 60108-?=U /V ，应变为1000时应为30108-?=U /V 。从上面的计算可知：单臂时灵敏度
最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。 例2-4 采用阻值R=120Ω灵敏度系数K=的金属电阻应变片与阻值R=120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大） 解：由于不知是何种工作方式，可设为n，故可得： 得n要小于2，故应采用全桥工作方式。 例 2-5 解：（1）沿纵向粘贴时： 由 112 10t E0.49 E210N/m σ σεεμε =??=== ? ， 6 R R R K K20.490.9810 R ε ε - ? ? =?=?=?=? （2）沿圆周向粘贴时： 66 R 0.30.49100.14710 R με-- ? =-=-??=-? 例2-6 解： 按题意要求圆周方向贴四片相同应变片，如果组成等臂全桥电路，当四片全感受应变 时，桥路输出信号为零。故在此种情况下，要求有补偿环境温度变化的功能，同时桥路输出 电压还要足够大，应采取两片 3 1 R R、贴在有应变的圆筒壁上做敏感元件，而另两片 4 2 R R、
应变片的种类与应用 应变片主要有两种,电阻应变片与光学应变片。 一.光学应变片: 光学应变计一般采用不超过4-9 微米直径的布拉格光栅玻璃纤维制造。一般来说,人的头发直径为60-80微米。纤维芯被直径大约125 微米的纯玻璃覆盖层所包围。 基于布拉格光栅的应变片有以下优势: 1、对电磁场不敏感。 2、可以用于可能爆炸的环境。 3、高震动负载情况下,材料(玻璃)不会产生故障。 4、可以测量更大的应变,一般电阻应变片的最大应变为数百微应变,而光学应变片的可测量的最大应变为7000微应变。 5、更少的连接线,因此会对测试物体产生更少的干扰。 6、互连需要大量的传感器,不同的布拉格波长可以集成在一个光纤中。 二.电阻应变片: 电阻应变片的工作原理就是基于应变效应制作的,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应的发生变化,这种现象称为“应变效应”。 半导体应变片就是用半导体材料制成的,其工作原理就是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应就是指当半导体材料某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化的现象。 应变片就是由敏感栅等构成用于测量应变的元件,使用时将其牢固地粘贴在构件的测点上,构件受力后由于测点发生应变,敏感栅也随之变形而使其电阻发生变化,再由专用仪器测得其电阻变化大小,并转换为测点的应变值。 金属电阻应变片品种繁多,形式多样,常见的有丝式电阻应变片与箔式电阻应变片。 箔式电阻应变片就是一种基于应变——电阻效应制成的,用金属箔作为敏感栅的,能把被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。应变片有很多种类。一般的应变片就是在称为基底的塑料薄膜(15-16μm)上贴上由薄金属箔材制成的敏感栅(3-6μm),然后再覆盖上一层薄膜做成迭层构造。 而应变片有很多分类方法: 比如按材料分可分为:
1．金属电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。 2．电阻应变片的结构金属丝式电阻应变片由敏感栅、基底、盖层、黏合层和引线等组成。图2-2为金属丝式应变片的典型结构图。其中敏感栅是应变片内实现应变——．电阻转换的最重要的传感元件，一般采用的栅丝直径为0. 015～ mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，n为基宽。根据不同用途，栅长可为～200 mm。基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速、准确地传递到敏感栅上，因此基底做得很薄，一般为0. 02～ mm。盖层起防潮、防腐、防损的作用，用以保护敏感栅。用专门的薄纸制成的基底和盖层称为纸基，用各种黏合剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，现多采月后者。黏合剂将敏感栅、基底及盖层黏合在一起。在使用应变片时也采用黏合剂将应变片与被测件黏牢。引线常用直径为～ mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。 金属箔式应变片的基本结构如图2-3所示，其敏感栅是由很薄的金属箔片制成的，厚度只有0. 01～ mm，用光刻、腐蚀等技术制作。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好、允许电流大、灵敏度高、寿命长、可制成任意形状、易加工、生产效率高等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。 但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值的调整。对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求如下。 ①灵敏系数K。值大，并且在较大应变范围内保持常数。 ②电阻温度系数小。 ③电阻率大。 ④机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 ⑤与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。
电阻应变片 电阻应变片贴片技巧公开 电阻应变片贴片技巧公开 目前市面上流行的称重传感器，高压力传感器以及扭矩传感器都是贴片工艺制造的也就是粘贴电阻应变 片。电阻应变片贴的好坏影响传感器的特性，不如精度，输岀信号大小等，如果粘贴的不好，传感器也就是一个次品无法在进行下一步的工艺。因此可以说传感器最关键最基本的一步就是粘贴电阻应变片。（电阻应变片的组成及工艺原理请参见我司撰写的其他文章）。上次“扭矩传感器技术公开”的这一文章上也大致的说了下贴片的重要性。故此，着重用一篇文章来介绍如何贴电阻应变片。下面的介绍中我以实验的方式向大家介绍这一工艺。如有其他问题也可以与我司人员联系。 一、实验目的 1?了解应变片的测量原理、结构、种类； 2?掌握应变片的粘贴技术及质量检查与防潮方法。 二、实验原理（应变片） 在机械工程测试技术中，广泛应用电阻应变片，因为它能准确地测量各种力参数。对于应变片的正确选取和粘贴质量的好坏，将直接影响应变片的性能和测量的准确性。 （一）应变片的分类 应变片可分为金属式和半导体式两大类： 金属式：丝式、箔式、薄膜式；半导体式：薄膜式、扩散式。 根据基底材料不同又可分为纸基、胶基和金属片基等。 （二）基底材料 基底材料要满足如下要求：机械强度高，粘贴容易，电绝缘性好，热稳定性好，抗潮湿性能好，挠性好（能够粘贴在曲率半径很小的曲面上），无滞后和蠕变。 1?胶基：是由有机聚合材料的薄片作为基底的称为胶基应变片；（1）酚醛、环氧树脂基底（箔式片居多）， 它具有良好的耐热和防潮性能，使用温度达成180 C，并且长时间稳定性好；（2）聚酰亚胺基底，使用温 度-260 'C?400 C，绝缘性能好，因此可以做得很薄，通常为0.025mm,应变片的柔韧性好；（3）石棉、 玻璃纤维增强塑料作基底，主要在高温下使用。 （三）敏感元件材料 对敏感材料的要求：灵敏度K。在尽可能大的应变范围内是常数；K。尽可能大；具有足够的热稳定性；电 阻系数高且受温度变化的影响小；在一定的电阻值要求下，电阻系数越高，电阻丝的长度越短，因此可以减小电阻应变片的尺寸。
电阻应变片传感器例题与习题 例题: 例M 采用四片相間时金属丝应变片(K=2),将英結在实心岡柱形测力弾性丘件上。 4111512-1(!!) 所示,应变片 1、309 ［为 1.56x10 4，应变片趴 4的 t 为-0.41 ,: 求仃)画出应变片在圆柱上贴粘位置及相应测量桥路原理图；(2)各应变片的电眼相对变化 匱 3RN ⑶君供电桥压UN V,求桥烙输出电压5" ⑷此种测輦方式能否科偿 坏境覗巫对碍童的越响了说明原因， ff ：(l)按題意采用四个拍诃应变片側力弹性兀件.贴的位SSUffi2 Ka)所示。际兔沿 轴向在力F 作 用下产生正应变引＞0,￡,＞0：/?2^ 沿圖周方向貼则产主负应变5＜仇訂＜ 皿伞应变电01按人桥郵位蜀如圏21(b)所示c ?从而组曲全桥测盘电路可以提髙输出起 斥灵戰度」 ⑵ = =2X1,56X10-* =3.12X 10 * K i 叫 AD 云二衬=-底产-J X O.47XJO 4= -O,?MX LO 4 = 4(3.12X10"^ 0.94X K )-4)X 6=1.22 mV (4)此种测量方式可以补偿环境沮度变化的形响因。因为四个榊同电职应变在同样环境条 件卜'感曼汩度变化产生电相对业化量相网,在全桥电路中不匪响输岀电压值，闪 AR ( t _ AR 2/ _ 厶尺訂 _ SR t r _ ^ 6 解：单臂时U 0 所以应变为1时U 0 6 4 2 10 4 10 6/V ，应变为 1000时应为U 4 2 10 3 10 3 /V ； 双臂时U 0 ，所以应变为 U 0 U 0 U 0 10 6 10 /V 应变为 1000 时应 8 10 3 2 10 , 4 2 3 10 /V /V ，应变为1000时应为U 0 全桥时U 0 K U ，所以应变为1 3 8 10 /V 。从上面的计算可知： 单臂时灵敏度 ^2-2…台用等涌度聳作为沖性元件的电子秤■在鑒的上、卩面各贴两片相同的电聊应 愛片（K =町如图 2吃（韵所示心 ESH / = IW mm,6 "1 mni = 3 mm, E - 2x 104 M/mm\ 现將四丰应变片攥入图（b ）克流拼路中.电桥电叢电托JJ-fi V “当力f = Q.5眾时?求电桥 輪也电压%七 解：由图5）所示四片相同电齟应变片聒于尊窿度梁上，下面各两片「号亟力F 柞啊梁端 部耳.魅 匕表面&和尺』产生止厲变电肌蟹化而T 表面R.和&则产生负应变电阻亶化.其 应变絶对值相等.即 电阻相对变化屋为 凡一卫？ 现将四个应变电限揽图〔讨所赤接人轿路组咸彈曹全祈电路.其检出桥粘电压为 门 M 门 v 门一覚"6M 例2-3 采用阻值为120Q 灵敏度系数 K=2.0的金属电阻应变片和阻值为 120 Q 的固定电阻 组成电桥，供桥电压为 4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为 1和1 000 时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 U 6F1 br 7^ L 6 AR . 寸3
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