电阻式传感器性能测试应用

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。

AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF1─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=K ε，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。

AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFAHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFρρεμd 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/R1) d R1+( U/R2) dR2+( U/R3) dR3+( U/R4) dR42)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K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) 3）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) 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），AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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（4）变为U=0.25 U O ( R / R)= 0.25 U O Kε5）AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF（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（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U0.25 U O (R / R)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U0.25 U O (R / R)0.25 U O Kε] 7)AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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 O10)AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFAHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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R 1、R 2、R 3为固定，R 为电阻应变片，输出电压U =EK ε11）E---电桥转换系数：单臂E= U 0/4 半桥（双臂）E= U 0/2 全桥 E= U 0 4.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。

机械工程测试技术作业电阻式传感器的应用姓名：李永贤班级：机械设计制造及其自动化13-1班学号：20131129热电阻传感器及其应用摘要：热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合。

介绍了金属热电阻和热敏热电阻传感器的工作原理、分类、结构及应用。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。

在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。

热电阻传感器具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。

用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。

1 工作原理在金属中，载流子为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。

热电阻就要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。

热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。

半导体中参加导电的是载流子，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多，所以它的电阻率大。

随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子—空穴对，因而参加到电的载流子数目增加了，半导体的电阻率也就降低了（电导率增加）。

因为载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。

热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。

04电数字式体温计电阻式温度传感器的测试项目描述•数字式体温计是利用电阻式温度传感器将温度转换成数字信号，然后通过显示器(如液晶、数码管、LED矩阵等)以数字形式显示温度，能快速准确地测量人体温度。

与传统的水银体温计相比，具有读数字方便，测量时间短，测量精度高，能记忆并有提示音等优点，尤其是数字体温计不含水银，对人体及周围环境无害特别适合于医院，家庭使用，如图4-1所示。

•通过本项目的学习，主要给•大家介绍电阻式温度传感器•（也称为热电阻传感器）的•工作原理及常见的热电阻传•感器。

一、温度测量的基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。

温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。

它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。

各类温度计的刻度均由温标确定。

2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

几种温标的对比正常体温为37 C，相当于华氏温度多少度？知识准备•一、热电阻传感器•热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。

下面介绍金属热电阻传感器。

•（一）金属热电阻的工作原理•金属热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。

当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。

取一只100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。

•（二）常用热电阻及特性•常用热电阻材料有铂、铜、铁和镍等，它们的电阻温度系数在(3～6)×10−3/℃范围内，下面分别介绍它们的使用特性。

•1．铂电阻•又称白金，是目前公认的制造热电阻的最好材料。

它的优点是性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。

电阻应变式传感器的应用与发展一、引文传感器是一种在工程应用上极为常见的重要器件，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有响应与检出功能，并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置。

传感器是一个完整的测量系统，它能把被测非电量转换成与之有确定对应关系的电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。

电阻应变式传感器一种是利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器。

当弹性体（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片一起变形。

应变片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。

1. 工作原理电阻应变式传感器的工作原理是电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化的物理现象。

当一个金属电阻丝受轴向应力作用被拉伸时，假设它的长度变化Δl、面积变化ΔA、电阻率变化Δρ、泊松比μ，电阻丝的应变灵敏度系数k0的表达式可以写为：其中是由材料的几何尺寸变化引起的，而是由材料的电阻率ρ随应变引起的。

2. 结构与分类电阻应变计也称为电阻应变片，主要由敏感栅、基底和盖层、粘结剂和引出线四部分组成。

电阻应变计的种类很多，分类方法也很多：以敏感栅的材料分类，可以分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类；以安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类；以使用温度范围可分为低温、常温、中温以及高温应变计等；以基底材料分类可分为纸基、胶基、玻璃纤维增强基、金属基底以及临时基底等。

二、研究现状与前景1.优点与缺点与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点：a)测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2 ，误差小于1％；b)应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。

测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量；c)测量范围大。

既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。

第二篇生物医学传感与检测实验实验一电阻应变式传感器性能测试及其应用（一）、实验目的1、观察了解金属箔式应变片的结构和粘贴方式；2、测试悬臂梁变形的应变输出；3、比较各种桥路的输出之间的关系；4、比较半导体应变片与金属箔式应变片的灵敏度特性和温度漂移特性。

（二）、实验原理应变片是一种将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件。

应用应变片测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在测试件表面上。

当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随之变形，电阻也发生相应的变化，通过测量电路将其转换为电压或电流的变化。

电桥电路是把被测量转换成为电压或电流量的一种常用方法。

1、金属应变片图1.1-1金属应变片的结构金属电阻丝应变效应：图1.1-2R =SLρ施加力F 后R R ∆ = L L ∆ − SS∆ + ρρ∆令应变 ε=LL∆ S S ∆ ≈ 2r r ∆ 其中r r ∆ = -μLL ∆= -με 综上所得，R R∆=(1+2μ)ε+ρρ∆令K =(1+2μ)+ερρ/∆ 则 K =RR∆/ε K 即为电阻丝的灵敏度系数金属应变片的优点：① 精度高，测量范围广； ② 频率响应特性较好；③ 结构简单，尺寸小，重量轻；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；⑥ 价格低廉，品种多样，便于选择。

缺点：① 具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施； ② 只能测量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； ③ 不能用于过高温度场合下的测量。

2、半导体应变片半导体应变片由半导体材料制成，工作原理基于半导体材料的压阻效应，所以又称压阻式传感器。

半导体材料的压阻效应是指半导体材料当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。

图1.1-3 半导体应变片的结构已知R R∆= (1+2μ)ε+ ρρ∆对于半导体材料有ρρ∆ =лσ =лE ε л为半导体材料的压阻系数σ应力，ε应变，E 弹性模量 则RR∆= (1+2μ+лE)ε 对于半导体材料，лE 比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，所以， 半导体应变片的灵敏度系数为：K s =εRR /∆=лE半导体应变片的优点是灵敏度高（比金属丝高50～80倍），尺寸小，横向效应小， 动态响应好；但它有温度系数大，非线性比较严重等缺点。