电阻式传感器电路

图1 电子秤平剖图1 台面壳体２均压框架３电阻应变片４弹性体５补偿电阻６可调支撑脚７底座如图１所示，底座通过贴有电阻应变片的双孔型等强度弹性体梁与均压框架相接，均压框架用螺钉与壳体相联。

弹性体是应变式力传感器将力转换为应变量的关键部件。

研究结果表明，双孔梁弹性体按刚架计算比按平行梁计算精确，而且桥路输出和载荷之间的线形好、灵敏度高。

非线性和灵敏度与竖梁的长度和刚度无关。

由于采用陶材料设计制作弹性梁，其灵敏度结构系数不仅取决于弹性体结构形式和应变区的选择，而且和陶瓷材料的微结构、质量及机械强度等因素密切相关。

为此，进行了双孔梁的应力分析、抗冲击载荷分析、额定载荷计量等，并用计算机进行了有限元分析。

经模拟验证分析，选用图1a所示的双孔梁结构形式。

该梁的应力分布均匀对称，其应力最大点在弹性梁的最薄偏离两端处。

根据图1a所示的结构形式：ε＝M／W．E （1）式中：ε为应变量；M为弯矩；W为抗弯模数；E为弹性模量。

对于这类应变式弹性体上的全等臂电桥，其输出电压V0和桥压Vi有如下关系：V 0＝GF．ε．Vi（2）式中：GF为应变电阻的应变系数。

将式（1）代入式（2），可得：V 0＝GF．M．Vi／W．E （3）对于矩形截面，W＝1／6b．h2式中：b为弹性体承载面宽度；h为弹性体承载梁厚度。

由A—A剖面分析，负荷F必须由一对剪力F／2与之平衡。

若取一应变电阻进行分析，F／2对应变电阻中心点的弯距为M：M＝F（L／2－X）／2 （4）以式（4）代入式（3），可得：V 0＝3F（L／2－X）GF．Vi／b．h2．E （5）由式（5）可见，双孔梁的桥路输出和载荷F之间具有良好的线形，而且灵敏度高。

)(434211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-•电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

实验三电阻式传感器的仿真与接口电路设计首先介绍一款应变片传感器YZC-1B称重传感器。

它的主要参数见下表。

额定载荷：3,5,8,10,15,20,25,30, 35,40,45kg绝缘电阻：≥5000MΩ工作温度范围：-40 ～+80℃灵敏度：2.0±0.002mv/v 安全过载：150%F.S综合误差：±0.02%F.S 极限过载：200%F.S 蠕变：±0.02%F.S推荐激励电压：10～12V(DC)零点平衡：±1%F.S最大激励电压：15V零点温度影响：±0.02%F.S/10℃密封等级：IP67输出温度影响：±0.02%F.S/10℃材质：铝合金输入电阻：405±5Ω电缆：线长：0.3～3m；直径：￠4mm 输出电阻：350±3Ω输入+：红；输入-：黑；输出+：绿；输出-：白这种传感器主要的应用领域是电子计价秤、计重秤等小台面电子秤。

它的外观是这样的。

这个实验里首先对这样一款传感器进行仿真，然后设计一个接口电路，使其具有测量压力（重量）的功能。

电阻应变片的工作原理基于电阻应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随着压力的变化而变化。

对于金属导体，导体变化率△R/R的表达式为:△ R/R ≈(1＋2μ)ε式中μ为材料的泊松系数；ε为应变量。

通常把单位应变所引起电阻值相对变化称作电阻丝的灵敏系数。

对于金属导体，其表达式为:K＝△R/R＝(1＋2μ)所以△R/R＝Kε。

在外力作用下，应变片产生变化，同时应变片电阻也发生相应变化。

当测得阻值变化为ΔR时，可得到应变值ε，根据应力与应变关系，得到应力值为:σ＝Eε式中：σ为应力；ε为应变量（为轴向应变）；E为材料的弹性模量（kg／mm2）。

又知，重力G与应力σ的关系为G＝㎎＝σs 。

式中：G为重力；S为应变片截面积。

传感器电路设计与分析在现代科技的发展中，传感器技术起到了举足轻重的作用。

作为测量和检测物理量的重要工具，传感器在各个领域应用广泛，如工业控制、医疗设备、汽车制造等。

传感器电路的设计与分析对于传感器的性能和稳定性至关重要。

本文将介绍传感器电路的设计原理、常见的传感器电路类型以及电路分析方法，以帮助读者更好地理解和应用传感器电路。

一、传感器电路设计原理传感器电路的设计原理基于信号的传递和转换。

传感器接收外部的物理量信息，并将其转换为电信号输出。

设计一个有效的传感器电路需要考虑以下几个方面：1. 传感器性能要求：根据应用需求确定传感器的输入和输出范围、精度、灵敏度等参数。

例如，温度传感器需要能够测量一定范围内的温度变化，并输出相应的电压或电流信号。

2. 信号转换电路：传感器的输出信号通常需要经过信号转换电路进行放大、滤波、线性化等处理，以获得可用的电信号。

放大电路可以使用运算放大器等元件进行放大增益的调整。

3. 噪声抑制：传感器会受到各种干扰源的影响，例如电源噪声、环境干扰等。

在传感器电路设计中，需要采取一些措施来减小这些干扰源对信号的影响，以提高测量的准确性和稳定性。

二、常见的传感器电路类型根据传感器的工作原理和应用需求，传感器电路可以分为几种常见类型：1. 电阻式传感器电路：电阻式传感器通常通过改变器件的阻值来感知物理量的变化。

常见的电阻式传感器有温度传感器、压力传感器等。

电阻式传感器电路的设计可以使用电桥、差分放大电路等。

2. 容性传感器电路：容性传感器利用电容的变化来感知物理量的变化。

例如，湿度传感器可以测量环境中的湿度变化。

容性传感器电路设计常常需要考虑电容的充放电过程以及放大电路的设计。

3. 感应式传感器电路：感应式传感器利用感应原理来感知物理量的变化。

例如，磁力传感器可以测量磁场的变化。

感应式传感器电路设计涉及到信号的放大和滤波。

4. 光电传感器电路：光电传感器通过光敏元件接收光信号，并将其转换为电信号。

电阻式传感器测量原理和测量电路
一、电阻式传感器测量原理
电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。

根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括压敏式传感器、热敏传感器、光敏传感器、湿敏传感器。

电阻传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。

电阻式传感器结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还可用于动态测量。

二、电阻式传感器测量电路
以典型的固态压阻式压力传感器为例，硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化。

用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。

利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯登电桥（Wheatstone bridge），利用硅材料的弹性力学特性，在同一片硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。

再给传感器匹配一个放大电路及相关外围部件，使之输出一个标准信号，就组成了一台完整的变送器。

图1 硅压阻式压力传感器结构及等效原理图
图2 恒流驱动典型电路
硅压阻式传感器一般对温度比较敏感，但随着集成工艺技术的进步，扩散硅敏感膜的四个电阻一致性也得到进一步提高，而且在新一代的传感器中，原始的手工补偿已被激光调阻、计算机自动修调等技术所替代，传感器的温度系数已经非常小了，工作温度范围也大幅度提高了。

实验二电桥测试（1）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、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥，差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。

三、实验原理及电路1、电阻应变式传感如图1-1所示。

传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、（双臂）半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。

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2、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＝KΔL/ L=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。

通过施加外力引起应变片变形，测量电路将电阻变化转换为电流或电压的变化。

ρρεμd K S 1)21(++=对于金属应变片，K s 主要取决于式中的第一项。

金属的泊松比通常在0.3左右，对于大多数金属K s 取2。

本实验采用直流电桥来测量金属应变片的工作特性。

3．电桥的工作原理和特性 （1）电桥的工作原理图2 是一个直流电桥．A 、C 端接直流电源，称供桥端，U o 称供桥电压；B 、D 端接测量仪器，称输出端U BD =U BC +U CD =U O [R 3/(R 3+R 4)-R 2/(R 1+R 2)] 1） 由式（1）可知，当电桥输出电压为零时电桥处于平衡状态．为保证测量的准确性，在实测之前应使电桥平衡（称为预调平衡）．（2）电桥的加减特性电桥的四个桥臂都由应变片组成，则工作时各桥臂的电阻状态都将发生变化(电阻拉伸时，阻值增加；电阻压缩时，阻值减小)，电桥也将有电压输出．当供桥电压一定而且△R i <<R i 时，d U=(∂ U/∂R 1) d R 1+(∂ U/∂R 2) dR 2+(∂ U/∂R 3) dR 3+(∂ U/∂R 4) dR 4 2) 其中U =U BD ．对于全等臂电桥，R 1=R 2=R 3=R 4=R ，各桥臂应变片灵敏系数K 相同，上式可简化为d U=0.25U O (d R 1 / R 1- d R 2 / R 2+ d R 3 / R 3- d R 4 / R 4) 3） 当△Ri <<R 时，此时可用电压输出增量式表示∆ U=0.25 U O (∆ R 1 / R 1- ∆ R 2 / R 2+ ∆ R 3 / R 3- ∆ R 4 / R 4) 4） 式（4）为电桥转换原理的一般形式，现讨论如下：（a ）当只有一个桥臂接应变片时（称为单臂电桥），桥臂R 1为工作臂，且工作时电阻由R 变为R +△R ，其余各臂为固定电阻R （△R 2=△R 3=△R 4=0），则式（4）变为∆ U=0.25 U O (∆ R / R)= 0.25 U O K ε 5） （b ）若两个相邻臂接应变片时（称为双臂电桥，即半桥），（见图3）即桥臂R 1、R 2为工作臂，且工作时有电阻增量△R 1、△R 2，而R 3和R 4臂为固定电阻R （∆R 3=∆R 4=0）．当两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有△R 1=△R 2=△R ，由式（4）可得△U =0．当一桥臂电阻拉伸一桥臂压缩时，则有△R1=△R，△R2=－△R，由式（4）可得∆ U=2[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=2 [ 0.25 U O Kε] 6)（c）当四个桥臂全接应变片时（称为全桥），（见图4），R1=R2=R3=R4=R，都是工作臂，△R1=△R3=△R，△R2=△R4=－△R，则式（4）变为∆ U=4[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=4 [ 0.25 U O Kε] 7)此时电桥的输出比单臂工作时提高了四倍，比双臂工作时提高了二倍．（3）电桥的灵敏度电桥的灵敏度S u是单位电阻变化率所对应的输出电压的大小S u=∆ U/(∆ R/ R)= 0.25 U O (∆ R1 / R1- ∆ R2 / R2+ ∆ R3 / R3- ∆ R4 / R4)/ (∆ R/ R) 8) 令 n=(∆ R1 / R1- ∆ R2 / R2+ ∆ R3 / R3- ∆ R4 / R4)/ (∆ R/ R) 9)则S u=0.25n U O 10)式中，n 为电桥的工作臂系数．由上式可知，电桥的工作臂系数愈大，则电桥的灵敏度愈高，因此，测量时可利用电桥的加减特性来合理组桥，以增加n 及测量灵敏度．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=EKε11）E---电桥转换系数：单臂E= U0/4 半桥（双臂）E= U0/2 全桥E= U04.由10）11）可知：S u、∆ U均与电桥的工作臂数、U o供桥电压成正比；但U o 供桥电压过大会使应变片的温度变大。