应变片式电阻传感器的测量电路

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。

应变片式电阻传感器的测量电路电阻应变计可把机械量转变转换成电阻转变，但电阻转变量一样很小，用一般的电子仪表很难直接检测出来。

例如，常规金属应变计的灵敏系数k 值一样在1.8~4.8之间，机械应变ε在10~6000με之间，那么电阻相对转变量/R R k ε∆=就很小。

例1设某被测试件在额定负载下产生的应变成1000με，粘贴的应变计阻值为120R =Ω，灵敏系数为2k =，那么其电阻的相对转变（电阻转变率）为6/21000100.002R R k ε-∆==⨯⨯=可见，电阻转变率仅为0.2%，如此小的电阻转变，必需用专门的电路才能测量。

测量电路把微弱的电阻转变转换为电压的转变，电桥电路确实是实现这种转换的电路之一。

一 直流电桥1 直流电桥平稳条件图 直流电桥直流电桥电路如图（a ）所示，不接负载电阻L R 时的开路电压为()()314231012341234R R R R R R U U U R R R R R R R R ⎛⎫-=-= ⎪++++⎝⎭ 由戴维宁定理，任何复杂的二端网络都能够化成一个等效的实际电压源，其电动势为该网络开路电压，其内阻为该网络的输出电阻。

可将电桥看成一个实际电压源，其内阻为1234////R R R R +，其电动势为0U 。

接入负载L R 后，流过负载电阻的电流为1234////L LU I R R R R R =++()()()()1423123412343412L R R R R U R R R R R R R R R R R R R -=++++++所有电桥在利用前都用调平稳，使得0L I =。

如此取得电桥平稳条件为1423R R R R =（或1234//R R R R =）即相对两臂电阻的乘积相等（或相邻两臂电阻的比值相等）。

2 直流电桥的电压灵敏度电阻应变片工作时的电阻转变很小，相应的电桥输出电压也很小，必需要对电压进一步放大，故需了解/R R ∆与输出电压之间的关系。

C1 传感器基础1 什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两个部分？这两个部分各起什么作用？答：传感器是一种能把特定被测量的信息按一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或装置。

传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件能直接感受或响应被测量；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。

2简述传感器在自动控制系统中的作用。

答：自动控制系统中传感器的主要作用是将被测非电量转换成与其成一定关系的电量，它是自动控制系统的“感官”、“触角”，自动控制系统通过传感器检测到的信息实现对系统的控制。

因此，传感器是自动控制系统中得首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，它对于决定自动控制系统的性能起着重要作用。

3传感器有哪些基本特性？答：传感器的基本特性通常可以分为静态特性和动态特性。

静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间缓慢变化时表现的特性。

表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性；动态特性是指传感器跟踪输入信号变化的特性，表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、频率响应。

4简述传感器的发展方向答：1)．新材料的开发与应用在原有的半导体、陶瓷材料等基础上，利用新的制造材料来提升传感器性能，提高传感器的产品质量，降低生产成本。

2)．新制造技术的应用采用精密细微加工技术、蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术，应用使传感器集成化、超小型化。

3)．新型传感器的开发利用新的物理效应、化学效应、生物效应开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器的性能，拓展传感器的应用范围提供了新的动力。

4)．传感器的集成化利用集成技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，使传感器体积小、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短。

5)．传感器的智能化开发具有自补偿、自诊断、自校正及数据的自存储和分析等功能的智能传感器。

应变片式电阻传感器实验报告
一、实验目的
本次实验的主要目的是通过对应变片式电阻传感器的实验研究，掌握其工作原理以及应用技术，进一步加深对电阻传感器的了解和掌握。

二、实验原理
应变片式电阻传感器是一种利用应变片电阻变化来检测物体变形的传感器。

当物体受到外力作用时，会发生应变，应变片的电阻值也会相应地发生变化。

通过利用测量电桥的原理，可以精确地检测出应变片的电阻值变化，从而得到物体受力情况的参数。

三、实验步骤
1.将应变片式电阻传感器连接到电桥电路上，调整电压和电流的大小。

2.将被测物体放在应变片式电阻传感器上，施加不同大小的外力，记录下应变片电阻值的变化。

3.根据实验数据，进行数据分析和处理，得到物体受力情况的参数。

四、实验结果
通过实验数据的采集和处理，我们得到了物体受力情况的各项参数。

实验结果表明，应变片式电阻传感器具有高灵敏度、高精度、高可靠性等优点，在物体受力测试和工业自动化控制领域有着广泛的应
用前景。

五、实验结论
本次实验通过对应变片式电阻传感器的研究和测试，我们了解了其工作原理和应用技术，掌握了其在物体受力测试和工业自动化控制领域的应用前景。

同时，我们也发现了一些问题和不足之处，需要进一步加以完善和改进。

六、实验心得
本次实验让我更加深入地了解了电阻传感器的工作原理和应用技术，同时也提高了我的实验操作能力和数据处理能力。

通过本次实验，我也发现了一些需要进一步改进和完善的地方，希望能在今后的学习和实践中继续加以改进和提高。

1、通常希望传感器的输入和输出之间具有一一对应关系，这样的传感器才能如实反映待测的信息。

16 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。

15、传感器就是通过敏感元件、传感元件和电子线路把非电生物信息转化成电学量的装置17、电阻应变片式传感器测量电路采用差动电桥时，不仅可以温度补偿，同时还能起到提高测量灵敏度的作用。

2、直流电桥的补偿包括零位补偿、温漂补偿、非线性补偿、灵敏度温漂补偿。

2、金属丝在外力作用下发生机械形变时它的电阻值将发生变化，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。

直线的电阻丝绕成敏感栅后长度相同但应变不同，圆弧部分使灵敏度K下降了，这种现象称为横向效应。

16、在传感器测量电路中，应用电桥测量线路把电阻变化转化成电流或电压变化的线路。

20、电阻应变效应是指在一定的范围内，拉伸金属导体，金属导体的电阻变化和应变成正比。

电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。

空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器3、一般电容式传感器可分为三种类型变面积型，变介质介电常数型，变极板间距型5、电容式传感器根据其组成原理分为变面积型、变极距型和变介质型。

21、电容式传感器根据其组成原理分为变面积型、变极距型和变介质型。

17、自感式传感器是利用位移的变化使线圈的自感量发生变化的一种机电转换装置14、电涡流式传感器可以测量位移、厚度、加速度等物理量，其本身不与被测对象接触，适于生理测量工作。

25、正压电效应是将压力变化转换为电变化，这种传感器称为非谐振式压电传感器。

4、压电元件测量电路采用前置放大器的目的是：把压电式传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出、放大压电式传感器输出的弱信号目前常用的前置放大器有电压放大器，电荷放大器两种。

电阻应变片传感器灵敏度的测量1．了解电阻应变片传感器的转换原理；2．掌握电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；3．利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压输出灵敏度．电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；讲授、讨论、实验演示相结合。

3个学时一、前言在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现电测非电量目的的，它们统称为电阻式传感器．由于各种电阻材料受被测量(如位移、应变、压力、温度、加速度等)作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多且应用范围广．其中常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器．二、实验仪器直流稳压电源±4V，金属箔式电阻应变片（两片、两片）、直流平衡电位器WD，平行式单臂悬臂梁、砝码、差动放大器直流电源开关、差动放大器和数字电压表．三、实验原理1、应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路成．被测力学量作用在一定形状的弹性元件上（如悬臂梁等）使之产生变形．这时，粘贴在其上的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出．工程中使用最多的电阻应变敏感元件是金属箔或半导体电阻应变片．考查一段圆截面的导体（金属丝），图1，设其长为L，截面积为A（直径为D），原始电阻为RR = ρL/A （1）式中，ρ为金属丝的电阻率．当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化．通过对（1）式两边取对数后再取全微分得：dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ(2)式中dR/R =ε为材料轴向线应变，且dA/ A=2 dD/ D．根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，dD /D=-µdL/ L （3）式中µ为导体材料的泊松比．因此，有dR/ R =(1+ 2μ) dL/ L+ dρ/ρ(4)实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为dρ/ρ=c dV/ V （5）式中，c为常数（由一定的材料和加工方式决定），dV / V= dL/ L+dA/ A=(1- 2µ)ε .将式（5）代入（4），且当△R<<R时，可得∆ R/ R =[( 1+2μ)+ c( 1-2μ)]ε=Kε（6）式中，K = (1+ 2μ) + c(1- 2μ)为金属丝材料的应变灵敏系数．上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比．这就是金属材料的应变电阻效应．2．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 =UBC+UCD=UO[R3/(R3+R4)-R2/(R1+R2)] （7）由式（7）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．当供桥电压一定且△R i<<R i时，d U=(∂ U/∂R1) d R1+(∂ U/∂R2) dR2+(∂ U/∂R3) dR3+(∂ U/∂R4) dR4(8)其中U =U BD．对于全等臂电桥，R1=R2=R3=R4=R，各桥臂应变片灵敏系数相同，上式可简化为d U=0.25U O(d R1 / R1- d R2 / R2+ d R3 / R3- d R4 / R4)（9）当△Ri<<R 时，此时可用电压输出增量式表示∆ U=0.25 U O (∆ R1 / R1- ∆ R2 / R2+ ∆ R3 / R3- ∆ R4 / R4)（10） 式（10）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R1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（△R2=△R3=△R4=0），则式（10）变为∆ U=0.25 U O (∆ R / R)= 0.25 U O Kε（11）（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R1、R2为工作臂，且工作时有电阻增量△R1、△R2，而R3和R4臂为固定电阻R（∆R3=∆R4=0）．当两桥臂电阻同时拉伸或同时压缩时，则有△R1=△R2=△R，由式（10）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（10）可得∆ U=2[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=2 [ 0.25 U O Kε] (12)（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（10）变为∆ U=4[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=4 [ 0.25 U O Kε] (13)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) (14) 令 n=(∆ R1 / R1- ∆ R2 / R2+ ∆ R3 / R3- ∆ R4 / R4)/ (∆ R/ R) (15)则S u=0.25n U O (16)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．四、实验内容与步骤1．金属箔电阻应变片传感器单臂电桥灵敏度测量（1）熟悉各部件配置、功能、使用方法、操作注意事项和附录等；（2）开启仪器及放大器电源，放大器输出调零（输入端对地短路，输出端接电压表，增益旋钮顺时针方向轻旋到底，旋转调零旋钮使输出为零．）；（3）调零后电位器位置不要变化，并关闭仪器电源；（4）按图5 将实验部件用实验线连接成测试单臂桥路．桥路中R2，R3，R4为电桥中固定电阻，WD 为直流平衡调节电位器，R1为工作臂应变片（受力符号↕），直流激励电源为±4V．（5）确认接线无误后开启仪器及放大器电源，同时预热数分钟．调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零；（6）在载物平台上加标准砝码，每加一个记录一个放大器输出电压值，并列表：（7）利用最小二乘法计算单臂电桥电压输出灵敏度S，S = ΔV/Δm，并做出V～m 关系曲线．（8）改变应变桥，接成半桥、全桥，照（4）、（5）、（6）和（7）的方法分别测量；（9）比较三种应变桥的灵敏度，并做出定性的结论．五、数据表格及数据处理1．数据表格(1)单臂电桥质量m（g）电压（v）(2)半桥质量m（g）电压（v）(2)全桥质量m（g）电压（v）2．利用最小二乘法计算单臂电桥、半桥和全桥的电压输出灵敏度S，S =ΔV/Δm，并做出V～m 关系六、注意事项1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰．2．接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切记用力拉扯接插线尾部，以免造成内部导线断裂．3．稳压电源不能对地短路．4．应变片接入电桥时注意其受力方向．要接成差动形式．5．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自然损坏．七、教学后记1、本实验关键是实验原理的理解和实验电路图的连接。

应变片式电阻传感器实验报告
一、实验目的
本次实验的目的是通过实验了解应变片式电阻传感器的工作原理和使用方法，掌握应变片式电阻传感器的基本特性和应用场景。

二、实验原理
应变片式电阻传感器是一种基于电阻变化的传感器，其工作原理是利用应变片的应变变化引起电阻值的变化，从而实现对应变片所受应变的测量。

应变片式电阻传感器的特点是精度高、响应速度快、可靠性好、使用寿命长等。

三、实验步骤
1.将应变片式电阻传感器连接到电路板上，并连接电源和万用表。

2.通过手动施加外力，使应变片受到应变，记录下此时的电阻值。

3.重复以上步骤，记录不同应变下的电阻值。

4.根据实验数据，绘制应变-电阻曲线图。

四、实验结果
通过实验，我们得到了应变-电阻曲线图，可以看出应变片式电阻传
感器的电阻值随着应变的增加而增加，呈现出线性关系。

同时，我们还发现应变片式电阻传感器的响应速度很快，精度高，可以满足很多实际应用场景的需求。

五、实验结论
应变片式电阻传感器是一种精度高、响应速度快、可靠性好、使用寿命长的传感器，可以广泛应用于工业自动化、机器人控制、航空航天等领域。

通过本次实验，我们深入了解了应变片式电阻传感器的工作原理和特性，为今后的实际应用提供了基础。

六、实验心得
通过本次实验，我深刻认识到了应变片式电阻传感器的重要性和应用价值，同时也掌握了应变片式电阻传感器的基本使用方法和实验技巧。

在今后的学习和工作中，我将更加注重实践操作，不断提高自己的实验能力和技术水平。