电阻应变式称重传感器设计
前言
传感器是感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号（通常为电信号）的器件或装置，传感器是发展仪器仪表、自动控制和广泛应用计算机的前提条件。《传感器原理与应用》课程主要研究各类传感器的工作原理、简单结构以及实际的应用。
本课程设计时间为两周，课程设计旨在培养学生的综合应用能力，通过本实践环节，使学生加深对理论知识的理解，加深对传感器性能、检测电路的形式与配接、信号的分析与处理等内容的了解，使学生对测控系统的应用与设计有感性认识，为后续课程、毕业设计和工程实践服务。
本文设计了一个电阻应变式的称重传感器。电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。
电阻应变式传感器是目前应用最广泛的传感器之一，已广泛地应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医疗等领域中的力、压力、力矩以及位移、加速度等参数的测量。目前，无论在数量上还是在应用领域上，与其他传感器相比都具有重要的地位。其主要优点是结构简单，使用方便，灵敏度高，性能稳定，可靠，测量速度快，适合静态、动态测量。
尚延臣
2009年6月23日
目录
第 1 章电阻应变式称重传感器的原理 (1)
1.1 称重传感器的组成部分 (3)
1.2 工作原理 (3)
第 2 章电阻应变片的设计 (4)
2.1 应变片的工作原理 (5)
2.2 应变片的结构选择 (5)
2.2.1 电阻丝应变片 (5)
2.2.2 箔式应变片 (6)
2.2.3半导体应变片 (6)
2.3 应变片的材料选择 (7)
2.3.1 电阻敏感栅材料选择 (7)
2.3.2 基底、引出线材料选择 (8)
2.4 应变片的参数 (9)
2.4.1 应变片基长 (9)
2.4.2应变片的电阻值 (9)
2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限 (9)
第 3 章传感器弹性元件的设计 (11)
3.1 弹性元件的选择 (11)
3.2 双孔梁受力分析 (11)
3.3 弹性元件材料选择 (14)
3.4 双孔梁的尺寸选择 (15)
第 4 章变换检测电路设计 (17)
4.1 桥路的设计 (17)
4.2 放大电路的设计 (18)
4.3 检波、滤波电路的设计 (18)
4.4 其他电路的设计与选择 (19)
第 5 章传感器的工艺设计 (20)
5.1应变片的粘贴工艺 (20)
5.2传感器的封装 (21)
5.3 传感器装配 (21)
第 6 章误差源分析以及处理 (21)
第 7 章小结 (23)
参考文献·····································
(21)
电阻应变式称重传感器设计
第 1 章 电阻应变式称重传感器的原理
电阻应变式称重传感器用于静态、动态条件下测力或称重 , 在我国工业生产过程检
测与控制、自动计量等领域已大量应用。它是电子衡器的核心部件。它的质量好坏是影响
电子衡器计量准确度的主要因素。在实际使用中 , 由于受到原材料及制造工艺、安装方
法、使用条件及外部环境的影响 , 很容易发生故障 ,影响电子衡器计量数据的准确及稳
定的运行。因此 ,了解称重传感器的基本原理及故障原因 , 熟练掌握故障的分析判断技
术 , 是快速准确地处理电子衡器的故障 , 保证其准确、稳定运行的关键。
1.1 称重传感器的组成部分
称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元
件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作
用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传
感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变化转变为相应的电信号输出。
1.2 工作原理
称重传感器的基本电路如图1所示
可以推出:
024131234()/()()i U R R R R U R R R R =-++
式中 1R 、2R 、3R 、4R 为应变片电阻; i U 为传
感器的输入信号; 0U 为传感器的输出信号。
当2413R R R R = 时 , 我们称之为电桥平衡 , 这时
图 1 基本电路图
称重传感器的输出电压0U = 0mV 。
物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作
用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形
后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换
为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。
设1R =2R =3R =4R =R
当受到重力作用后,传感器的应变片电阻发生变化,假设各桥臂阻值变化相同,变量为
R ? , 即: 1R 、3R 分别减小R ? , 2R 、4R 分别增大R ? 时
可以推出传感器的输出电压为: 0/i U RU R =?
第 2 章 电阻应变片的设计
2.1 应变片的工作原理
电阻应变敏感元件的转换原理是基于导线的电阻-应变效应。由金属导体的电阻定律
知，对于长度为L 、截面积为A 、电阻率为ρ的金属丝，其电阻
/R L A ρ=
结合材料的泊松比定律，经数学变换得金属丝电阻应变特性
/(12)/x dR R d μερρ=++
则金属丝灵敏系数
//(12)s x x dR R d K ρρμεε=
=++
故有 /s x R R K ε?=
另外由于应变片存在横向效应，因而对于应变片
/x R R K ε?=
其中s K K
2.2 应变片的结构选择
应变片的结构形式很多，但其主要组成部分基本相同。其中较为典型的是丝式、箔
式和半导体式。
2.2.1 电阻丝应变片
此丝式结构应变片的结构图如图2所示
图2 电阻丝应变片
1—基底 2—敏感栅 3—覆盖层4—引线
此丝式结构应变片的优点：制作简单、性能稳定、价格便宜、易于粘贴。缺点：回线式应
变片横向效应大，而短接式应变片焊点多，在冲击、振动条件下，易在焊接处出现疲劳破坏，对制造工艺的要求高。
2.2.2 箔式应变片
此箔式应变片的结构图如图3所示
图 3 箔式应变片结构图
箔式应变片结构优点：
（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制作成任意形状以适应不
同的测量要求；
（2）粘合面积大；
（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；
（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；
（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略；
（6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。
缺点：工艺制作有些复杂。
2.2.3半导体应变片
此半导体应变片结构如图4所示
图4 半导体应变片结构图
1—基底 2—半导体敏感条 3—外引线 4—引线连接片 5—内引线此结构式传感器优点：灵敏系数大，动态特性好
缺点：重复性及温度、时间稳定性较差，应变时非线性严重，互换性差。
总结以上典型结构的优缺点比较，选择箔式应变片较好，所以我决定选择箔式应变片作为敏感元件，并且选择如图5所示结构的箔式应变片
图 5 箔式应变片结构图
2.3 应变片的材料选择
电阻应变计主要由电阻敏感珊、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感栅和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计结构如图6所示
图 6 所选应变片结构图
1—覆盖层 2—基底 3—引线 4—粘合剂 5—敏感栅
2.3.1 电阻敏感栅材料选择
敏感栅合金材料的选择对制造电阻应变计性能好坏起着决定性的作用，因此它的材料选择要求如下：
（1）有较高的灵敏系数，并且在较大的应用范围内保持不变；
（2）有高的和稳定的电阻率；
（3）电阻温度系数小，电阻—温度间的线性关系和重复性好，并有足够的热稳定性；
（4）机械强度高，加工性能和焊接性能良好，与引线材料接触电势小；
?与机械应变ε具有良好而又宽广的线性关系；
（5）电阻变化率/R R
（6）抗氧化、腐蚀性能强，无明显机械滞后。
目前没有一种金属材料能满足上述全部要求。因此在选用时，只能给予综合考虑，常用的电阻合金大致有以下几种：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵重金属等。通过查阅资料以及对这几种材料的性能、成本对比，我选择康铜作为敏感栅材料。康铜的性能如下:
合金成分/ %：Cu55,Ni45 灵敏系数Ks：1.9~2.1
电阻率：0.45~0.54 电阻温度系数: ±20*10-6
线膨胀系数: 15*10-6 对铜热电势/μV/℃: 43
最高使用温度/℃: 静态:250 动态:400
选康铜作敏感材料的理由如下：首先这种材料最为常用,电阻温度系数小且稳定，同时它的Ks值对应变值的稳定性高。不但在变形的弹性范围内Ks值保持不变，在进入塑性范围后，亦基本保持为常数。所以用康铜作为敏感栅的应变计灵敏系数K=2，且其测量范围大。同时对康铜用不同的方法加工，不同的热处理，或者改变合金成分的比例，可以改变它的电阻温度系数(由负值到正值)，利用这一特性可以制造温度补偿电阻应变计。而且该材料制作的应变片尤适合长时间、大应变测量。
2.3.2 基底、引出线材料选择
基底的作用是固定应变计的敏感栅，使它保持一定的几何形状，并使电阻敏感栅与弹性元件相互绝缘。应变片基底越厚，基底材料弹性模量越小，引起的蠕变越大。
通常选用基底薄、基底材料的弹性模量较高的应变片，取基底厚度为0.03～0.05mm。
对基底材料性能的要求是：
（1）机械强度高，挠性好；
（2）粘贴性能好；
（3）电绝缘性能好；
（4）热稳定性和抗湿性好；
（5）无滞后和蠕变。
玻璃纤维增强基底应变计长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高，最适用于高精度测力或称重传感器上，因而我们选用玻璃纤维布作为基底材料。
引出线是连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线，一般要求引出线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。常温应变计引出线多用镀银紫铜丝或铜带。
引出线与敏感栅的连接，可以用锡焊、电弧焊、电接触焊等。我选用了康铜材料的敏
感栅，且其使用条件无特殊要求，故采用银铜作引出线。
2.4 应变片的参数
2.4.1 应变片基长
为了使测量误差减小，将00sin /l l ππλλ展开为级数，并略去高阶小量后，可得
22001166l l f e ππλυ????== ? ?????
粘贴在一定材料试件（υ为常量）上的应变片，对正弦波的响应误差随栅长0l 和频率f
的增加而增大。因而在设计、应用应变片时，就可按上式给定的e 、0l 、f 三者的关
系，根据给定的精度[]e ，来确定合理的0l 或工作频率max f ，即 []0max 6l l e λπ<= 或 []max 06f e l υπ<
其基长0l 应尽量选取短的，这样可以更真实地测出被测部位的应变值，以提高测量精
度。
对于钢材，5000/m s υ=，若令精度[]0.5%e =，最高工作频率max 25f kHz =代入上式
可得 []max 066[] 1.1l e e cm l f υυππ===
故我取应变片栅长01l cm =。
2.4.2应变片的电阻值
应变片的电阻值是指未安装的应变片，在不同的外力作用下，在室温条件下测定
的电阻值，也称为原始电阻值，单位为Ω。应变片电阻值国内标准有：60、120、350、
600和1000Ω等各种阻值，目 前传感器生产中大多数选用120 Ω 或350 Ω
的应变片，但是由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时
间长、动态测量信噪比高等优点，并且大阻值应变片可以减小应变焦耳热引起的零漂，
提高传感器长期使用的稳定性。因此，在考虑价格因素的前提下，使用大阻值应变片，
对提高传感器精度是有益的。我选用阻值为120Ω的应变片。
2.4.3 应变片的绝缘电阻、允许电流、应变极限
绝缘电阻是指敏感栅与基底之间的电阻值，绝缘电阻的降低将导致测量灵敏度
的下降，并带来测量误差，产生零点漂移等。因而要尽量选用基底绝缘性能好的应变
10 。
计和粘结剂以提高绝缘电阻。绝缘电阻值一般大于10
允许电流是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变本身、试件、粘结剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和应用的电路等情况来计算。为了保证测量精度在静态时允许电流一般为25mA，在动态测量时允许电流可达75～100mA，箔式应变片允许电流较大。
应变极限对于已安装好的应变计，在一定温度下，指示应变与被测试件真实应变的相对误差不超过一定值（一般为10%)时，所能测量的最大真实应变值称为应变极限。我们要求应变片的应变极限至少要大于1000×10-6。
第 3 章传感器弹性元件的设计
3.1 弹性元件的选择
电阻应变式称重测力传感器按照弹性元件的受力状态可分为拉压式柱式、筒式和环式、弯曲式梁式和剪切式三大类。为了改善悬臂梁的特性，在提高动特性的同时也增加灵敏度 ,将梁做成各种形状，以改变其应力分布并增强刚度，双孔梁就是其中有代表性的一种。
双孔梁的结构如图7所示,在板状梁上有两个孔 ,在梁的端部有集中力作用时 ,孔内承受弯曲变形。将应变片粘贴在孔的内壁 ,应变片处于相反的应力区内,当和的变形为拉伸时 ,和为压缩变形 ,四个应变片组成差动电桥，输出特性的线性度好。另外，这种梁的刚度比单梁好，故动特性好 ,滞后小。根据应力分布图可以看出 ,受力点位置变化时 ,一孔的弯矩增加，另一孔的弯矩减小，可在桥路内自动补偿，从而提高了传感器精度，使用时对力点位置的要求也有所降低。
图7 双孔梁结构图
在称重和测力领域 ,经常采用拉压式和弯曲式应变传感器 ,该电路在精度和稳定性上已达到一定的水平 ,但由于拉压式称重测力传感器的高度直接影响精度和横向稳定性 ,而且力点移动对输出信号有影响 ,拉压对称性差 ,尤其是当安装条件和标准条件不一致时 ,引起的误差更难估计。而双孔梁称重测力传感器有零弯矩区 ,高度小 ,对加载方式和受力点移动不敏感 ,且抗偏心、抗侧向力 ,所以我选用的称重传感器内部采用双孔梁作为弹性元件。而近年来发展起来的梁式剪切称重测力传感器虽然消除了受力点变化对输出的影响 ,性能优良,但弹性体结构复杂 ,贴片也较困难 ,故本设计没有采用。
3.2 双孔梁受力分析
力P作用在理想位置O处如图8所示
图 8 受力分析图
在图8所示的结构中，可以把弹性体看作是上、下对称的平行梁式结构，该结构属于
3次超静定问题。即此结构上的未知约束反力的数目比能列出的独立静力平衡方程的数目
多三个。由理论力学可知：“限制物体某些运动的条件称为约束”。物体与约束之间相互作
用着力，约束给物体的力限制物体的某些运动。“约束给被约束物体的力称为约束反力”。
例如单悬臂梁结构见图9(a)，其一端固定，另一端为自由端。当自由端作用力P 时，固定
端约束该梁在水平、垂直方向的移动及相对转动。固定端给横梁的约束用约束反力X 、Y 、
'M 表示。如图9(b)所示。取坐标系x0y ，此力系为平面一般力系，能列三个独立平衡方程
来求解三个约束反力。即：
0x =∑ X=0
0y =∑ 0Y P -=,Y P =
00M
=∑ 'M - PL =0, 'M PL =
此结构为静定结构。
根据上面分析，我们可将图8的结构简化为图9(a)所示的
图9 装置受力简化结构图
计算简图。在上、下梁的固定端作用六个约束反力，它们分别
是：
1X 、1Y 、1M （作用在上梁）
2X 、2Y 、2M （作用在下梁）
此力系仍是平面一般力系，仅用静力平衡方程只能解出三个约束反力，其余三个约束反力
需用材料力学办法才能求解。求解过程较复杂，我只引用其结论，在力P 单独作用下，
当t1/t2很小时，有： 1X ＝X= PL/2H(H 为上下臂梁的高度)
1Y =2Y =P/2
1M =2M =PL/4
载荷P 及约束反力均为作用在梁上的外力，要讨论梁的变形须分析作用在梁上各横截面上
的内力。由于此结构上下对称，且结构参数均相同，所受外力也相同，我只研究上梁任一
横截面上的内力。
用材料力学的分析方法，为显示出截面上的内力，沿面aa 假想地把梁分成两部分，并以
左段为研究对象。如图10(b)所示
图 10 材料截面受力图
由于原来的梁处于平衡状态，所以梁的左段仍应处于平衡状态。作用于左段上的力，除外
力1X 、1Y 、1M 外，在截面aa 上还有右段对它的作用内力，把这些内力、外力分别投影于
x 轴、y 轴上，其总和应等于零。
由0x =∑，得：
10N X -= 1N X = （横截面aa 上的轴力）
由0y =∑，得：
10Y Q -= Q =1Y （横截面aa 上的剪力）
若把左段上的所有外力和内力对截面aa 的形心O 取矩 ，其力矩总和应等于零。一般说，
这就要求在截面aa 上有一个内力偶矩M ，
由00M =∑得：
110Y x M M --=
因为在外力作用下，变形主要产生在梁深最小的截面附近，因此可以认为截面A-A 在
变形后仍保持为平面且该截面的转角不影响截面右边的应力场，那么令A-A 截面的转角为
零。可以认为左段上的约束反力作用在A-A 截面上。由于轴力和剪力对梁的变形影响很小，
故在此仅讨论弯矩M 所产生的变形。由上式得出：
11M Y x M =-
将1/4M PL = 和1/2Y P = 代入上式得：/4/2M PL Px =-+
x =0时， /4M PL =-
x = L/2时，0M =
x ＝L 时， /4M PL =
根据材料力学对弯矩的符号规定：在图11(a)所示的变形情况下，弯矩为正；反之为在图
11(b)所示的变形情况下，弯矩为负。由此分析可画出上、下梁的弯矩图，见图5。显然在
上、下横梁承受的弯矩情况完全一致。因为它们具有相同的结构参数，故变形情况相同。
横梁左右两部分的结构参数及变形量相同，但弯曲方向相反。正弯矩产生的应力在中性轴
以上为压应力，在中性轴以下为拉应力如图11(a)所示；负弯矩产生的应力在中性轴以上
为拉应力，在中性轴以下为压应力如图11(b)所示。
图 11 弯矩产生的拉、压应力
3.3 弹性元件材料选择
在任何情况下，弹性敏感元件应该保证具有好的弹性特性、足够的精度和稳定性，
在长期使用中和温度变化时，都应保持稳定的特性，因而对材料的基本要求有以下几个方
面：
（1）弹性滞后和弹性后效要小；
（2）弹性模量的温度系数要小；
（3）线膨胀系数要小并且要稳定；
（4）有良好的机械加工和热处理性能；
（5）弹性极限和强度极限要高。
弹性元件常用几种材料的机械、物理性能如表3--1所示 表3--1 几种常用材料的机械、物理性能
名称
结构钢 铝合金 牌号
40CrNiMo 302CrMnSiNi A 30CrMnSiA 4LC 12LY 弹性模量E
105 N/mm 2
2．08
2．10 1．98 0．71 0．71 抗拉强度σb
N/mm 2
1320 1600 1100 580 490 屈服强度σ0.2
N/mm 2
1260 850 500 360
线膨胀系数α
10-6/℃
(0~100℃)
11．4 11．0 23．1 22．7 弹性模量的温
度系数αE
（10-4/℃）
－2．0 －3．0 -5.3 －6．9 材料密度ρ 7．80 7．85 2.3 2．78 比较这几种材料我发现结构钢中30CrMnSiA 则是多用于制造小尺寸的弹性元件，其淬
火时的淬透性差，而40CrNiMo 与302CrMnSiNi A 在很多方面性能均相似，但40CrNiMo 是
测力传感器弹性元件最常用的材料. 4LC 和12LY 都属于硬铝合金，它们均适合制造小量程
测力传感器及动态传感器的弹性元件。因而我最终选用LC4材料作为弹性元件的材料。
3.4 双孔梁的尺寸选择
设贴应变片处的梁孔的截面的宽度为b,高度为h
则2/6W bh 而E=0.71Gpa K=2.2
由于此传感器的量程为0-50N
在四处贴应变处最大的应变为1(/2)/PL M EW ε=+其中max P =50N /4M PL =
假设暂定 L2=120mm L=80mm b=44mm h=3mm H= 46mm
则W =66 代入式子1(50120)/M EW ε=?+得:
1ε=1494×610-< 1500×610-
符合要求。
第 4 章 变换检测电路设计
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很
多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传
感器的补偿问题等。
4.1 桥路的设计
由于电阻应变敏感元件的温度特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能也有差异，
当温度变化时，电桥就会有输出，造成测量误差，主要有两主要因素造成的：
（1）温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变
（2）试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，式应变片产生附加应变
它有两种现象，一种是不受载荷时，温度变化，电桥就有输出，成为“零漂”；另一种是
在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“动漂”。
因此，在桥路设计时应将这些因素考虑在内。于是我就设计交流全桥式等臂电桥电路。
图 12 全桥式等臂电桥电路
初始状态：R1=R2 R3=R4 当应变片感受到应变时电桥输出电压
011/i U U R R =?
由3.2节知：如果把应变片组成全桥式等臂电桥电路路，如图12所示，桥路输出为：
01234()/4i i U U K U K εεεεε=--+= (1)
1232()/()/PL M EW PL M EW εε=+=-+ 2141()/()/PL M EW PL M EW
εε=+=-+ 带入(1)式 得: 0/2i U U KPL EW =
其中：K 为电阻应变片的灵敏系数；ε为力P 作用下贴片处的应变量。
采用此电桥电路的理由如下：
（1）此类电桥电路的灵敏度高，是单一工作应变片工作时的4倍
（2）输出输入呈线性，没有非线性误差
（3）能够温度补偿，大大减小因温度而造成的误差
4.2 放大电路的设计
由于此传感器的电桥输出阻抗很高，这就需要一个输入阻抗同样很高的放大电路与之匹
配，并且此放大电路的输出阻抗应该较小。据此，我选择设计双运放高共模抑制比同相串
联结构放大电路，如图13 为获得零共模增益，
图 13 同相串联结构放大电路
应使 1234//R R R R =
电路的差动闭环增益为： 341/d K R R =+
确定了P=50N K=2.2 L=80mm E=0.71Gpa 2/6W bh = =66 代入公式0/2i U U KPL EW
=得: 5077.510i U U -=?
故当输入max 12i U V =时 08.54U mv =
因此要得到足够的功率去推动指示仪表或记录器，若经放大电路输出的信号最大值
max 12i U V = 则此放大电路的增益3210/8.54234d K =?=
由于341/d K R R =+ 放大部分的增益设为117
则 34/R R =116 取3R =100Ω 4R =11.6k Ω 那么对应的1R =11.6k Ω 2R =100Ω
4.3 检波、滤波电路的设计 经过放大以后的波形仍为调幅波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波
形。而一般的检波器只有单向的电压输出，不能区别拉压应变信号。因此，我采用能克服
上述缺点的相敏检波器，它可以有双向信号输出，能反映出应变的拉或者压。
其电路如图14
图 14精密整流型全波相敏检波电路
其放大增益设为1
则 对应的电阻阻值为：'33422240R R R ===Ω '212120R R R ===Ω 1C f μ=
由相敏检波电路输出的被检测应变波形中仍残留有载波信号，必须滤掉，方能得到被
检测应变信号的正确波形。一般用电容，电感组成二型低通滤波器。
对滤波器的特性要求，要考虑到和前级相敏检波电路的匹配，又要考虑和后级记录器
的匹配。由于它要滤去高频波中频率最高分量，即是载波频率ω，而一般被测应变信号频
率比ω小很多，故滤波电路的截止频率只要在（0.3~0.4）ω，就可满足频率特性要求。
所以我在这里选用压控电压源型二阶低通滤波电路，电路如图 15
012121/R R C C ω=
图 15 压控电压源型二阶低通滤波电路
其放大增益2f K = 而载波信号频率定为200HZ 则此滤波器的截止频率为60~80HZ
我选择设计截止频率为80HZ 的低通滤波电路，其参数如下：
01212
1503/rad s R R C C ω== 则1 2.4f R R k ==Ω 1220R R R k ===Ω 120.1C C C f μ===
4.4 其他电路的设计与选择
由滤波电路输出的应变信号，要用合理的显示装置显示出来，因此，我选用七段译码显示器及CD4511 如图 16
（a）（b）
图 16 显示结构部件
第 5 章传感器的工艺设计5.1应变片的粘贴工艺
电阻应变式称重传感器的故障检测方法
电阻应变式称重传感器的故障检测方法 2016-04-22 08:32:50 来源:eefocus 关键字：电阻应变式称重传感器故障检测 电阻应变式称重传感器是一种常用的测量仪器，可以将测量的力信号转换为电信号输出，是称重检测系统中的核心元件。电阻应变式称重传感器在使用过程中会出现一定的故障，我们对于电阻应变式称重传感器的故障检测方法是必须要掌握的，下面小编就来介绍一下具体的方法吧。 电阻应变式称重传感器故障往往会因为一些人为或自然因素损坏，比如传感器过载，冲击，或不小心跌落，大力拽传感器导线，雷击或大电流通过传感器，化学腐蚀，潮气浸蚀或高粉尘环境以及传感器内部的元器件的老化等。直接导致的后果可能是称重系统漂移，显示不稳定或不显示数据等现象。 首先，在从称重系统中拆除称重传感器前应该仔细慎重地判别系统的结构和传感器是否存在下列问题： 1)检查是否是系统传力故障，可能由于灰尘，机械部位未对准，元件传力延缓等原因，而非传感器故障; 2)检查系统在传力部位是否有损伤，锈蚀或者明显的磨损;冬季应注意传感器传力部位 是否有结冰现象，影响系统的传力和复位; 3)检查系统的限位装置是否工作，其间隙是否符合要求; 4)检查传感器电缆线与接线盒和显示仪表连接是否正确，有无断线或连接导线接触不良的情形;重点检查总线九芯插头及接线盒内的接线可靠性; 5)检查接线盒和仪表是否有故障，尤其是接线盒中电位器和接线端子的情况; 6)检查传感器是否锈蚀、受潮(特别是贴片孔区域);传感器电缆线的完整性;传感器电缆 线入口处的环境等。 建议用户配备下述的仪表设备作为检测传感器的必要的装置： A)高性能经校准的数字万用表(四位半以上)，检查准确度能达到±0.1Ω和±0.01mv,检查 传感器的零点输出和桥路完整性; B)兆欧表(绝缘表)，测试传感器的绝缘阻抗。推荐量程范围50VDC下测试5000MΩ。
电阻应变片式传感器
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.
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。
称重传感器的原理(一)
称重传感器的原理（一） 电阻应变式称重传感器[3]是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。 电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R=ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。
对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以 ΔS/S=2Δr/r（2—4） 从材料力学我们知道 Δr/r=-μΔL/L（2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L
电阻应变式传感器
（三）、测量电路的选用： 电桥电路是一种能够实现将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压输出的一种信号变换电路。具有结构简单、精确度和灵敏度高的优点，在测试中应用非常广泛。电桥按供电方式分为直流电桥和交流电桥。在这次设计中采用的测量电路是直流电桥。而电桥工作状态可分为：不平衡电桥和平衡电桥，不平衡电桥在连续量的自动检测中大量采用，平衡电桥又称为零位法测量，一般用于静态测量，准确性较高。在此次传感器设计中使用了平衡电桥。 二、基本原理： 扭矩的测量：采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过压/频转换，变成与扭应变成正比的频率信号。如图1所示： 一、设计题目要求与分析 1、设计题目：设计测扭矩的传感器。 使用条件：转矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，所以振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封装在一起，只留下两个轴端在外面；工作温度在-20~150C0。 二扭矩测量及应变片的基本原理 1、应变片式传感器的原理及结构 应变计的转换原理基于应变效应。所谓应变效应是指 属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。由物理 学可知，金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率ρ成正比，
与其截面积A成正比比，其公式表示为: R=ρL/A 从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值，而引起电压值变化。 电阻应变计简称应变计，它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计的结构如下：
课程设计-电阻应变式称重传感器设计
电阻应变式称重传感器设计 摘要：在分析重力传感器信号特性的基础上，模块化地设计了称重传感器信号的调理电路并对其进行了仿真实验。结果表明：电路能实时、准确地处理信号，且工作稳定，可靠，重复性好，抗干扰能力强，可实现精密测量的目的。 关键词：称重；Lab view；电阻应变式传感器；放大电路。 一、引言 随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题， 因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系 到数据采集系统的精度和稳定性。 在称重传感器信号检测中，检测精度受到诸多因素的影响，其中电桥激励电压源的精度和稳定度是影响信号精确度的重要因素之一。电桥输出与激励电压成正比，因此，激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移。并且现场工作环境恶劣，可能存在粉尘、振动、噪声以及电磁干扰等，称重传感器输出的几百微伏至几十毫伏信号极易受到干扰。所以研究抗干扰能力强、实时性好的信号变送和传输技术对保证检测精度具有重要意义。 二工作原理 1、原理框图
2、称重传感器（MS-1） MS—1型钢制“S”称重传感器，承受拉、压外力均可，输出对称性好，结构紧凑、安装方便、规格齐全。可用于制造机电结合称、吊钩秤、料斗秤及各种专用称、工艺称等。 外形尺寸
量程：50kg； 尺寸：A=51mm；B=13mm；C=64mm；螺纹（公制mm）：M8×1.25； 技术指标： 标定数据：
转换系数K: 应变片测量电路： 上图为直流供电的测量电桥原理图，其中第一臂为电阻应变片，由应变片引起的电阻变化为△R1，当R1=R2、R3=R4时，电桥的电压灵敏度S U为最大，此时有：U0=(1) S U=U0/(2) U0=(3) 采用差动电桥可以消除非线性误差。因此本设计电阻应变式称重传感器选用直流供电应变全桥，该电桥的电压灵敏度比单一工作应变片的电压灵敏度提高了4倍，且具有温度补偿作用。 3、放大电路 R1=10K；R2=2.4K; R3=238K; R4=2.4K; R5=100K 放大倍数K=(R3/R2)×(R5/R4)≈4100;
称重传感器
简介 称重传感器实际上是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。用传感器茵先要考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全和使用寿命，乃至整个衡器的可靠性和安全性。 [1]在称重传感器主要技术指标的基本概念和评价方法上，新旧国标有质的差异。 传统概念上，负荷传感器是称重传感器、测力传感器的统称，用单项参数评价它的计量特性。旧国标将应用对象和使用环境条件完全不同的―称重‖和―测力‖两种传感器合二为一来考虑，对试验和评价方法未给予区分。旧国标共有21项指标，均在常温下进行试验；并用非线性、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度附加误差以及额定输出温度附加误差6项指标中的最大误差，来确定称重传感器准确度等级，分别用0.02、0.03、0.05......1.0表示。 衡器上使用的一种力传感器。它能将作用在被测物体上的重力按一定比例转换成可计量的输出信号。考虑到不同使用地点的重力加速度和空气浮力对转换的影响，称重传感器的性能指标主要有线性误差、滞后误差、重复性误差、蠕变、零点温度特性和灵敏度温度特性等。在各种衡器和质量计量系统中，通常用综合误差带来综合控制传感器准确度，并将综合误差带与衡器误差带(图1)联系起来，以便选用对应于某一准确度衡器的称重传感器。国际法制计量组织(OIML)规定，传感器的误差带δ占衡器误差带Δ的70％，称重传感器的线性误差、滞后误差以及在规定温度范围内由于温度对灵敏度的影响所引起的误差等的总和不能超过误差带δ。这就允许制造厂对构成计量总误差的各个分量进行调整，从而获得期望的准确度。 [编辑本段] 分类 [2]称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阴应变式等8类，以电阻应变式使用最广。 光电式传感器
传感器实验报告应变片测量
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);
电阻应变式传感器.
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――机械变形时，应变片电阻变化。 电阻丝的电阻： S L R ρ =， 求R 的全微分得： ρρ?+?-?=?S S L L R R
式中L L ?是长度相对变化，即应变ε。 金属丝的变形有： L L r r S S ?-=?=?μ22 式中μ：泊松比，对于钢285.0=μ 故应变效应数学表达式： ρρ εμ?++=?)21(R R 灵敏度系数： ε ρ ρ με?+ +=?= 21R R k 因此应变的应变效应原理： x εK R 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+εx 和εy =μ-εx 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。
电阻应变式称重传感器原理
电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。 一、电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有： ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （2—4） 从材料力学我们知道 Δr/r = -μΔL/L （2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L = K *ΔL/L （2--6） 其中 K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７） 式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。 需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在 1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。 在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便
电阻应变式传感器.
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
应变式称重传感器设计
太原理工大学现代科技学院《传感器原理与应用》课程设计 设计名称应变式称重传感器设计 专业班级测控11-2 学号 71 姓名李玉堃 同组人王鑫王海平
设计日期 2015年1月 太原理工大学现代科技学院
注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
应变式称重传感器设计 摘要 粘贴式电阻应变计广泛应用于当今高精度测力与称重传感器的制造中。本篇文章为帮助称重传感器设计者计算出称重传感器尺寸大小，从而为获得唯一需要的输出作了充分的准备。设计者既可以运用有限元分析法经计算机程序（如果可能）来确定称重传感器所需要的尺寸，或运用本文所提供的公式来计算此尺寸。通过某些假设得出的这些计算公式，另外还有电阻应变计的特性、应力形式、材料特征以及机械加工的偏差都会导致计算结果的一定误差。在批量制造称重传感器前，应制造几个样机进行组装、测试和标定。 在某些工业中，如航天工业也许只需要一次性的称重传感器，为决定其非线性、重复性和滞后等误差，在使用前对其进行标定是十分重要的。当计算机被应用于数据处理时，非线性、零点漂移及灵敏度变化，是很容易修正的。如果称重传感器在使用时要经历强烈的温度变化和外部附加载荷的影响，我们应进行试验并测量出这些影响量所造成的误差。如果某部分结构（如接头、销子、压杆）用来测量或是被用作称重传感器时，标定和测试就尤为重要了。 称重传感器设计包括许多方面，这里对其制造生产不予讨论，例如，需要对电阻应变计安装技术知识的全面了解，一些电阻应变计制造商提供技术资料的同时，还应提供电阻应变计安装的分类等。 关键词：传感器，电阻应变式，称重
电阻式传感器单臂电桥性能实验
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
基于电阻应变片的压力传感器设计
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。
电阻应变式称重传感器的原理和应变片技术
电阻应变式称重传感器的原理和应变片技术 2012/7/26阅 随着科学技术与经济的发展进步，电子衡器作为百姓日常生活中一种贸易结算的手段，已经被广泛使用。无论小到几公斤的电子计价秤，还是大到100多吨的电子汽车衡都是由称重传感器这一主要部件实现质量与电量的转换的。因此对称重传感器的结构组成，工作原理及相关知识的阿了解，对于从事检定和修理方面的工作人员来说尤为重要。下面就从几个方面对电阻应变式称重传感器作以具体介绍。 一、电阻应变式称重传感器的工作原理和结构 电阻应变式称重传感器之所以能作为质量——电量的转换元件，是基于金属丝在受拉或受压后会发生弹性形变，其电阻值也随之产生相应的变化这一物理特性实现的。当电阻应变片内金属丝受到外力作用发生弹性形变时，它的长度L，横截面s及电阻率P均会发生相应的变化。电阻相对变化为 电阻相对变化公式 称重传感器接线图 在钢制的弹性体上，成对地在纵向和横向上贴有R1，R2，R3，R4共4个电阻应变片，它们组成一个全桥式测量电路，如图所示。图中A，c两点接人激励电压u，一般使用交流或直流电源供电，B，D两点为输出端，工作时将输出电压信号u。这种桥式测量电路，可以灵敏
地测量极微小的电阻变化。当弹性体受物体的作用时，弹性体便产生弹性形变，粘在其表面的电阻应变片随其同步地变形，因而改变了它们的电阻值。电阻应变片的长度L，截面积S，电阻率P均随之发生变化。由于电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，从而输出电压信号，该信号与物体的质量()成正比。 根据上述原理制成的应变式称重传感器主要由三部分组成，即弹性元件，电阻应变片和测量电路，用专门、十分严格的粘贴技术并通过连接线将这三者联系起来，就可以实现质量——电量信号之间的线性变换。 二，电阻应变片的主要技术特性 1．灵敏度。金属丝的灵敏度系数(Ko)是表示金属丝受力后，电阻的相对变化与轴向长度的相对变化之间的关系。当金属丝制成应变片后，应变片的灵敏系数K就是一个新的量值了，而且K恒小于Ko。这是由于胶基对力传递变形失真外，主要还有横向效应，而且K还是温度的函数，所以对K的要求是稳定性。 2．线性度。弹性体上的应变敏感元件，其电阻的相对变化AK／K理论上呈线性关系。实际上，当施加到弹性体上的力超过一定范围时，就会出现非线性关系。 3，横向效应。粘贴在弹性体上的应变片，其敏感栅有许多条直线及圆角部分组成。当受到纵向应力之后，直线段的电阻将增加，圆角部分的电阻将减小，其综合效应是使应变片的灵敏度下降，这种现象称为应变片的横向效应。在工程上采用箔式应变片可减小横向效应。4．机械滞后和热滞后。当对贴有应变片的弹性体循环加载和卸载时，应变片的AR／R与AL ／L之间的特性曲线的不重合程度称为机械滞后。把加载和卸载特性曲线的最大差异值称为应变片的机械滞后值。它的物理意义是，保持外界条件不变，对弹性体循环加载、卸载过程中，对同一载荷，应变片输出的差值即为机械机械滞后值。当弹性体受到恒定外力时环境温度改变时应变片的电阻值也要变化。在循环改变温度时，应变片在同一温度下电阻的差值称为应变片的热滞后值。 5．零漂和蠕动。在恒温条件下，贴有应变片的弹性体不承受任何载荷，应变片的阻值随时间变化的情况称为应变片的零漂。 在恒温条件下，加到贴有应变片的弹性体上的载荷力恒定，应变片的应变输出随时问变化的情况称为应变片的蠕动。 6应变极限。粘贴在弹性体上的应变片所能测量的最大载荷力称为应变极限。在恒温条件下，缓慢均匀地施加载荷力，当应变片的输出大于机械应变的10％时，就认为应变片已接近破坏状态，此时的应变值就称为应变极限值。
电阻应变式传感器
1.一丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值100Ω，试求当试件受力后的应变为1.8?103 时该应变计的电阻变化ΔR。 2.一试件受力后的应变为2?10-3；丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度 C0/，线膨胀系数为14?10-6C0/；试件的线膨胀系数为12?10-6C0/。试系数-50?10-6 求：温度升高20℃时，应变计输出的相对误差和相对热输出。 3.在悬臂梁的上下方各贴一片电阻为120Ω的金属应变片R1和R2。若应变片的灵敏系数 k=2，电源电压U=2V，当悬臂梁顶端受到向下的力F时，电阻R1和R2的变化值ΔR1=ΔR2 =0.48Ω，试求电桥的输出电压。 4.图为一直流应变电桥，图中U=4V，R1=R2=R3=R4=120Ω，试求： ①R1为金属应变片，其余为外接电阻，当R1的增量为ΔR1=1.2Ω时，电桥输出电压U O。 ② R1、R2都是应变片，且批号相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻， 电桥输出电压U O。 ③题②中，如果R2与R1的感受应变的极性相反且ΔR1=ΔR2=1.2Ω，电桥输出电压U O。 5.图3-6为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏 度系数K=2.05，未受应变时，R1=120Ω，当试件受力F时， 应变片承受平均应变ε=800μm/m，试求： ①应变片的电阻变化量R1和电阻相对变化量ΔR1/R ②将电阻应变片R1置于单臂测量电桥，电桥电流电压为直流3V，求电桥输出电压及 电桥非线性误差。
③若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差的大小。 6.利用悬臂梁结构可以构成称重传感器。试就在悬臂梁的上下方各贴一片金属应变片组成 差动半桥和各贴二片金属应变片组成差动全桥时的应变电阻片的布贴方式、电桥连接方法和相应的输出电压大小做出说明, 并说明其差动和温度补偿的原理。 7.一个初始阻值为120Ω的应变片，灵敏度为K=2.0，如果将该应变片用 总阻值为12Ω的导线连接到测量系统，求此时应变片的灵敏度K’。 8.采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其粘贴在如图所示的实心圆柱形测力 弹性元件上。已知力F=10kN，圆柱横截面半径r=1cm，材料的弹性模量2 10-7 N/cm2，泊松比μ=0.3。 （1）画出应变片在圆柱上的粘贴位置及相应的测量桥路原理图。 （2）求各应变片得应变及电阻相对变化量。 （3）若电桥供电电压U=6V，求桥路输出电压U o。 （4）此种测量方法能否补偿环境温度对测量的影响，说明理由。
电阻应变式传感器-实验报告
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
电阻应变式压力传感器
电阻应变式压力传感器，实际指的是这款传感器产品的工作原理，即电阻应变式原理，对于我们普通的老百姓来说，这个原理让我们不明所以，但对于传感器的厂家来说，是深有研究甚至发展多年，已经有所突破。 行业内电阻应变式原理的解释是这样的：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，弹性体是电阻应变式称重传感器中不可缺少的部分。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变
片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。 以常见的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。 肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。 ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）（2--9） 其中：Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。 需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。
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。
电阻应变式称重传感器基础知识
1.电阻应变式称重传感器等工作原理 2.称重传感器常用技术参数 3.称重传感器选用的一般规则 4.使用称重传感器注意事项 1.电阻应变式称重传感器等工作原理 电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。下面就这三方面简要论述。 一、电阻应变片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。我们来介绍一下它的意义。 设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = ρL/S（Ω）（2—1） 当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。 对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。我们有：ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 （2—2） 用式（2--1）去除式（2--2）得到 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L –ΔS/S （2—3） 另外，我们知道导线的横截面积S = πr2，则Δs = 2πr*Δr，所以 ΔS/S = 2Δr/r （2—4） 从材料力学我们知道 Δr/r = -μΔL/L （2—5） 其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有 ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L