应变式传感器习题及解答
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
D．两个桥臂应当分别用应变量变化相同的工作应变片
11、在金属箔式应变片单臂单桥测力实验中不需要的实验设备是（）。
A．直流稳压电源 B．低通滤波器
C．差动放大器 D．电压表
12、关于电阻应变片，下列说法中正确的是（）
A．应变片的轴向应变小于径向应变
B．金属电阻应变片以压阻效应为主
C．半导体应变片以应变效应为主
D．金属应变片的灵敏度主要取决于受力后材料几何尺寸的变化
13、金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象称为
金属的（）。
A.电阻形变效应
B.电阻应变效应
C.压电效应
D.压阻效应
14、箔式应变片的箔材厚度多在（）之间。
A.0.001～0.01mm 0.1mm
、（）是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。
A.箔式应变片
B.半导体应变片
C.沉积膜应变片
D.薄膜应变片
16、目前，薄膜应变片在实际使用中的主要问题是较难控制其电阻对（）的变化关系。
A.电流和时间
B.电压和时间
C.温度和时间
D.温度和电流
17、绝缘电阻，即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于（）。
×e+10Ω×e+12Ω×e+9Ω×e+11Ω
18、应变片的应变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变的相对差值不超过一定数
值时的最大真实应变数值，一般差值规定为( )，当指示应变值大于真实应变的该比例值时，真实应变值称为应变片的极限应变。
％％％％
19、蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随
( )的变化。
A.位移
B.压强
C.时间
D.外力作用
20、由( )和应变片．以及一些附件(补偿元件、保护罩等)组成的装置称为应变式传感
器。
A.弹性元件
B.调理电路
C.信号采集电路
D.敏感元件
21、应变片的允许工作电流参数是指（）
A 允许通过应变片而绝缘材料因受热而未损坏的最大电流
B 允许通过应变片而敏感栅受热未烧坏的最大电流
C 允许通过应变片而敏感栅受热未烧坏的最大电流
22、直流电桥平衡的条件是（）。
A 相临两臂电阻的比值相等
B 相对两臂电阻的比值相等
C相临两臂电阻的比值不相等
D 所有电阻都相等
23、直流电桥的平衡条件为（）
A．相邻桥臂阻值乘积相等 B．相对桥臂阻值乘积相等
C．相对桥臂阻值比值相等 D．相邻桥臂阻值之和相等
二、多项选择题
1、基本工作原理是基于压阻效应的是（）。
A. 金属应变片
B. 半导体应变片
C. 压敏电阻
D. 磁敏电阻
2、全桥的各桥臂上各并联一只应变片，其灵敏度（）。
A. 增加１倍
B. 减小１倍
C. 不确定
D. 不变
3、当电阻应变片式传感器拉伸时，该传感器电阻（）。
A. 变大
B. 变小
C. 不变
D. 不定
4、电阻应变片有多种类型，以下属于电阻应变片的种类的是：（）
A.丝式应变片
B.箔式应变片
C.薄膜应变片
D.半导体应变片
5、电阻应变式传感器已广泛应用于（）领域。
A.航空领域
B.电力领域
C.机械领域
D.建筑领域
6、为了正确选用电阻应变片，应该对影响其工作特性的主要参数进行了解，以下是应变片的主要参数的有：（）
A.应变片电阻值
B.绝缘电阻
C.灵敏系数
D.允许电流
7、应变式压力传感器主要采用哪些弹性元件？（）
A.膜片式
B.薄板式
C.筒式
D.组合式
8、以下材料具有压电效应的有：（）
A.所有晶体
B.钛酸钡
C.锆钛酸铅
D.石英
9、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。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量各种参数的电阻应变式传感器,这些参数包括（）。
A.位移
B.加速度
C.力
D.力矩
三、填空题
1、单位应变引起的称为电阻丝的灵敏度系数。
2、产生电阻应变片温度误差的主要因素有的影响和
的影响。
3、直流电桥平衡条件是。
4、直流电桥的电压灵敏度与电桥的供电电压的关系是关系。
5、电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变时，粘贴在被测
试件表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上，且补偿应变片
。
6、半导体应变片工作原理是基于效应，它的灵敏系数比金属应变片的灵敏系数
。
7、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除同时还
能起到的作用。
8、电阻应变式传感器的核心元件是，其工作原理是基于。
9、应变式传感器中的测量电路是式将应变片的转换成的
变化，以便方便地显示被测非电量的大小。
10、电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以消除，同时还能
起到的作用。
11、应变式传感器是由和电阻应变片及一些附件组成的。
12、电阻应变片由、基片、覆盖层和引线等部分组成。
13、电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立与变形之间的量值关系而
工作的。
14、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
效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称效应。
15、电阻应变片的温度补偿方法有：和。
16、箔式应变片系利用照相制版或__ ___的方法，将电阻箔树在绝缘其底下制成各种
图形而成的应变片。
17、薄膜应变片的厚度在__ ___以下。
18、应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为显示与记录应变的大小，还要把电阻的
变化再转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的___ __ _，一般采用测量电桥。
19、压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷和__ _____。
20、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
象称为效应。
21、应变式传感器是利用电阻应变片将转换为变化的传感器，传感器由在弹性
元件上粘贴元件构成，弹性元件用来，元件用来。
22、电阻应变片的温度误差是由的改变给测量带来的附加误差，其产生的原因
有的影响和的影响。
23、要把微小应变引起的微小电阻变化精确的测量出来，需采用特别设计的测量电路，通常
采用或。
24、减小或消除非线性误差的方法有和采用差动电桥。其中差动电桥可分为
和两种方式。
四、简答题
1、什么叫应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。
2、试简要说明电阻应变式传感器的温度误差产生的原因，并说明有哪几种补偿方法。
3、什么是直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？
4、为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电桥为测量电路？该电桥为什么又都采用半桥和全桥两种方式？
5、应用应变片进行测量为什么要进行温度补偿？常采用的温度补偿方法有哪几种？
6、应变式传感器的基本工作原理是什么？
7、简述电阻应变计产生热输出(温度误差)的原因及其补偿方法。
8、试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。
9、一个悬臂梁受力作用弯曲，现在用电阻应变片测量作用力F。当考虑采用电阻应变片温度线路补偿法时，请画图表示应变片粘贴位置和测量线路的接法。
10、直流电桥平衡条件是什么？交流电桥平衡条件是什么？试说明动态电阻应变仪除需电阻平衡外，还需调电容平衡的原因？
11、在传感器测量电路中，直流电桥与交流电桥有什么不同，如何考虑应用场合？用电阻应
变片组成的半桥、全桥电路与单桥相比有哪些改善？
12、金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？
13、说明电阻应变片的组成和种类。电阻应变片有哪些主要特性参数？
14、简述电阻应变片的测试原理。 15、请简述电阻应变式传感器的优点。 16、简要说明电阻应变式传感器的工作原理。 17、请简要一下解释压阻效应。
18、请简要说明一下压电式加速度传感器具有的优点。 19、请简要说明一下什么是电荷放大器。
五、计算题
1、拟在等截面的悬臂梁上粘贴四个完全相同的电阻应变片组成差动全桥电路，试问： （1）四个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？ （2）画出相应的电桥电路图。
2、在半导体应变片电桥电路中，其一桥臂为半导体应变片，其余均为固定电阻，该桥路受到ε=4300μ应变作用。若该电桥测量应变时的非线性误差为1%，n=R 2/R 1=1，则该应变片的灵敏系数为多少？
3、电阻应变片的灵敏度K=2， 沿纵向粘贴于直径为0.05m 的圆形钢柱表面，钢材的E=2×1011
N/m 2
，μ=。求钢柱受10t 拉力作用时，应变片电阻的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？
4、如果将100Ω应变片贴在弹性试件上，若试件截面积S=×10-4m 2
，弹性模量E=2×1011
N/m 2
，若由5×104
N 的拉力引起应变计电阻变化为1Ω，试求该应变片的灵敏度系数？ 5、一个量程为10kN 的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径20mm ，内径18mm ，在其表面粘贴8个应变片，4个沿轴向粘贴，4个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为120Ω，灵敏度为，泊松比为，材料弹性模量为×1011
Pa ，要求： （1）绘出弹性元件贴片位置及全桥电路；
（2）计算传感器在满量程时，各应变片电阻变化； （3）当桥路的供电电压为10V 时，计算传感器的输出电压。 6、图中，设负载电阻为无穷大（开路），图中E=4V ， R 1=R 2=R 3=R 4=100Ω。
（1）R 1为金属应变片，其余为外接电阻，当R 1的增量为△R 1=Ω时，试求电桥的输出电压U o 。
（2）R 1，R 2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，试求电桥的输出电压U o 。
（3）R 1，R 2都是应变片，且批号相同，感应应变的大小为△R 1=△R 2=Ω，但极性相反，其余为外接电阻，试求电桥的输出电压U o 。
7、图中，设电阻应变片R 1的灵敏度系数K=，未受到应变时，R 1=120Ω。当试件受力F 时，
A
U o +
应变片承受平均应变ε=800μm/m 。试求：
（1）应变片的电阻变化量△R 1和电阻相对变化量△R 1/R 1。
（2）将电阻应变片R 1置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ，求电桥输出的电压及其
非线性误差。
（3）如果要减小非新性误差，应采取何种措施？
8、有一吊车的拉力传感器如右图所示。其中电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上。已知R1、R2、R3、R4标称阻值均为120Ω，桥路电压为2V ，物重m 引起R1、R2变化增量为Ω。
① 画出应变片组成的电桥电路。
② 计算出测得的输出电压和电桥输出灵敏度。 ③ 说明R3、R4起到什么作用？
9、如图所示为等强度梁测力系统，1R 为电阻应变片，应变片灵敏系数05.2=k ，未受应变时，1R ＝120Ω。当试件受力F 时，应变片承受平均应变m m /800με=，求： （1）应变片电阻变化量1R ?和电阻相对变化量11/R R ?。
（2）将电阻应变片1R 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流，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？并分析其电桥输出电压及非线性误差大小。
题2图
10、一应变片的电阻R=120 Ω，k=，用作应变片为800μm/m 的传感元件。 ①.求ΔR/R 和ΔR ；
②.若电源电压U=3V ，惠斯登电桥初始平衡，求输出电压U 0。
11、一个直流应变电桥如图5-38。已知：R1=R2=R3=R4=R=120Ω，E=4V ，电阻应变片灵敏度S=2。求：（1）当R1为工作应变片，其余为外接电阻，R1受力后变化R1/R=1/100时，输出电压为多少？
（2）当R2也改为工作应变片，若R2的电阻变化为1/100时，问R1和R2是否能感受同样极性的应变，为什么？
12、两个阻值都为100Ω的应变片粘贴在图示钢制拉伸试件上，其中钢的弹性模量为E=2×1011
N/m 2
,F=50KN,问两应变片怎样粘贴在试件上并如何接入电桥才能有最大输出？（电桥两臂为固定电阻R=100Ω），请在试件和桥路上标出。当应变片的灵敏系数为15时，ΔR=？，若要求输出电压为50mV,供电电源电压U 为多少？试件等截面积为5×10-4m 2
。
13、一个直流应变电桥如图（a ）所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100Ω, E=4V，电阻应变片灵敏度S=2。
求：1）当R1为工作应变片，其余为外接电阻，R1受力后变化ΔR1/R=1/100时，输出电压为多少？
2）当R2也改为工作应变片，若R2的电阻变化为1/100时，问R1和R2能否感受同样极性的应变，为什么？
3）若要测量图（b ）所示悬臂梁的受力F, 四个臂全部为应变片，请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的位置。
(a ) (b ) 图1
14、如图用悬臂梁测力P ，4片电阻应变片标称阻值均为120Ω应变片灵敏度系数K=2。 （1）全桥测量如何贴片和组桥？（用图说明）
（2）如悬臂梁应变ε=10000*e -6
,电桥电压e 0=30,则全桥的输出电压e y =?
15、如图为一直流应变电桥。图中Ω=====120,44321R R R R V E ，试求：
(1). 1R 为金属应变片，其余为外接电阻。当1R 的增量为Ω=?2.11R 时，电桥输出电压0U ；
(2). 21,R R 都是应变片，且批号相同，感受应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥的输出0U ；
(3). 题(2)中，如果2R 与1R 感受应变的极性相反，且Ω=?=?2.121R R ，电桥的输出0U 。
16、图为一直流应变电桥，E = 4V ，R1=R2=R3=R4=350Ω，
求：①R1为应变片其余为外接电阻，R1增量为△R1=Ω时输出U0=?。 ②R1、R2是应变片，感受应变极性大小相同其余为电阻，电压输出U0=?。 ③R1、R2感受应变极性相反,输出U0=?。
④R1、R2、R3、R4都是应变片,对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?。
17、已知一等强度梁测力系统，Rx 为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2，未受应变时，Rx = 100?。当试件受力F 时，应变片承受平均应变ε = 1000μm/m ，求：
（1）应变片电阻变化量?Rx 和电阻相对变化量?Rx/Rx 。
（2）将电阻应变片Rx 置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流3V ， 求电桥输出电压及电桥非线性误差。
（3）若要使电桥电压灵敏度分别为单臂工作时的两倍和四倍，应采取 哪些措施？分析在不同措施下的电桥输出电压及电桥非线性误差大小。 18、试分析半桥差动交流电桥的平衡条件，并给出电桥的输出电压表达式。
19、假设电阻应变片的灵敏系数2=K ，Ω=1200R 。问：在试件承受m m /600μ时，电阻变化值=?R ？
20、如图所示，在悬臂梁距端部为L 位置上下面各贴两片完全相同的电阻应变片
4321R R R R 、、、。试求，（c ）、(d)、(e)三种桥臂接法桥路输出电压对(b) 种桥臂接法输
出电压比值。图中U 为电源电压，R 是固定电阻，且R R R R R ====4321，0U 为桥路输出电压。
21、电阻应变片阻值为120Ω，灵敏系数2=K ，沿纵向粘贴于直径为m 05.0的圆形钢柱表面，钢材的弹性模量2
11
/102m N E ?=，3.0=μ，（1）求钢柱受N 4
108.9?拉力作用时应变片电阻的变化量R ?和相对变化量
R
R
?；（2）又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，问受同样拉力作用时应变片电阻的相对变化量为多少？
22、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2
4
105.0m S -?=，弹性模量2
11
/102m N E ?=，若有N F 4
105?=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? 23、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(a)所示。已知l ＝100mm 、b ＝11mm 、t ＝3mm ，2
4
/102mm N E ?=。现将四个应变片接入图(b)直流桥路中，电桥电源电压U=6v ；当力F ＝0.5kg 时，求电桥输出电压?0=U
24、用直流电桥测量电阻，若标准电阻R n =Ω时电桥已平衡（则被测电阻R x =Ω），但由于检流计指针偏转在±0.3mm 以内时，人眼就很难观测出来，因此R n 的值也可能不是Ω，而是R n =Ω±ΔR n 。若已知电桥的相对灵敏度S r =1mm/%，求对应检流计指针偏转±0.3mm 时，ΔR n 为多少？
25、如下图所示电路为应变式传感器常用的电桥测量电路。图中R 3=R 4=R 是固定电阻，R 1与
R 2是电阻应变片，初始阻值均为R ，工作时R 1受拉，R 2受压，ΔR 表示应变片发生应变后电阻值的变化量。当应变片不受力无应变时ΔR=0，电桥处于平衡状态；当应变片受力发生应变时，电桥失去平衡，此时，就用桥路输出电压U 0表示应变片受力后电阻值的变化量。试证明：U 0=-(E/2)( ΔR/R)。
六、综合分析设计题
1、在如图所示的悬臂梁测力系统中，可能用到4个相同特性的电阻应变片1R ,2R ,3R ,4R ，各应变片灵敏系数K=2，初值为100?。当试件受力F 时，若应变片要承受应变，则其平均应变为ε= 1000μm/m 。测量电路的电源电压为直流3V 。
（1）若只用1个电阻应变片构成单臂测量电桥，求电桥输出电压及电桥非线性误差。 （2）若要求用2个电阻应变片测量，且既要保持与单臂测量电桥相同的电压灵敏度，又要实现温度补偿，请画图标出2个应变片在悬臂梁上所贴的位置，绘出转换电桥，标明这2个应变片在桥臂中的位置？
（3）要使测量电桥电压灵敏度提高为单臂工作时的4倍，
请画图标出各个应变片在悬臂梁上所贴的位置，绘出转换电桥，标明各应变片在各桥臂中的位置，并给出此时电桥输出电压
及电桥非线性误差大小？
2、如图1是一个悬臂梁，现今用电阻应变片测量作用力F 。若考虑电阻应变片的温度线路补偿，请画图表示应变片粘贴的位置和测量线路的接法，指出补偿方法及原理，为保证补偿效果应注意的问题。
图 1
3、四片相同的金属丝应变片（K=2），贴在实心圆柱形测力弹性元件上，如图所示。已知力
kg F 1000=，圆柱断面半径cm r 1=，杨氏模量27/102cm N E ?=，泊松比3.0=μ。
请完成以下内容：（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）求各应变
F
片的应变ε电阻相对变化量R R /?；（3）若供电桥电压V U 6=，求桥路输出电压0U ；（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。
4、采用四个性能完全相同的电阻应变片(灵敏度系数为K)，将其贴在薄壁圆筒式 压力传感元件外表圆周方向，弹性元件周围方向应变p E
d D d
)(2)2(--=
με，式中，p 为待测
压力，μ为泊松比，E 为杨氏模量，d 为筒内径，D 为筒外径。现采用直流电桥电路，供电桥压U 。要求满足如下条件：(1)该压力传感器有温度补偿作用；(2)桥路输出电压灵敏度最高。
试画出应变片粘贴位置和相应桥路原理图并写出桥路输出电压表达式。 5、
如上图所示为一弹性元件为圆柱型的应变式测力传感器结构示意图。已知弹性元件横截面积为S ，弹性模量为E ，应变片初始电阻值（在外力F=0时）均相等，电阻丝灵敏度系数为K 0，泊松比为μ。
（1）设计适当的测量电路（要求采用全桥电路），画出相应电路图，并推导桥路输出电压U 0和外力F 之间的函数关系式。（提示：ΔR< （2）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）。 6、 如上图所示为一悬臂梁式测力传感器结构示意图，在其中部的上、下两面各贴两片电阻应变片。已知弹性元件各参数分别为：cm l 25=；mm t 3=；l x 2 1 = ；cm W 6=； Pa E 51070?=；电阻应变片灵敏度系数1.2=K ，且初始电阻阻值（在外力F 为0时） 均为Ω=1200R 。 （1）设计适当的测量电路，画出相应电路图； （2）分析说明该传感器测力的工作原理（配合所设计的测量电路）； （3）当悬臂梁一端受一向下的外力N F 5.0=作用时，试求此时四个应变片的电阻值 （提示：F WEt x l x 2 ) (6-= ε） ； （4）若桥路供电电压为直流10v 时，计算传感器的输出电压及其非线性误差。 第4章 应变式传感器 一、单项选择题 1、B 2、C 3、D 4、C 5、A 6、A 7、B 8、C 9、B 10、C 11、B 12、D 13、B 14、A 15、D 16、C 17、A 18、D 19、C 20、A 21、C 22、A 23、B 二、多项选择题 1、ABC 2、ABCD 3、ABCD 4、ABCD 5、ABCD 6、ABCD 7、ABCD 8、BCD 9、ABCD 三、填空题 1、电阻值变化量 2、电阻温度系数；试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 3、相邻两臂电阻的比值相等 4、正比 5、工作应变片；补偿块；不承受应变 6、压阻；大 7、非线性误差；提高灵敏度 8、电阻应变片；电阻－应变效应 9、电阻变化量；电量 10、非线性误差；温度补偿 11、弹性元件 12、电阻丝 13、力 14、应变；压阻 15、线路补偿法；应变片自补偿法 16、光刻腐蚀 17、μm 18、信号调节电路 19、有机压电材料 20、横向 21、应变；电阻；电阻应变敏感元件；感知应变；电阻应变敏感元件；将应变转换为电阻变化 22、环境温度；电阻温度系数；试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 23、直流电桥；交流电桥 24、提高桥臂比；半桥差动；全桥差动 四、简答题 1、 答：材料的电阻变化由尺寸变化引起的，称为应变效应。 应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。 2、答： 温度误差产生原因包括两方面： 温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变，试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。 温度补偿方法，基本上分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。 3、答：桥臂的供电电源是直流电的称为直流电桥。 按桥臂工作方式不同，可分为单臂直流电桥、半桥差动直流电桥、全桥差动直流电桥。 单臂直流电桥输出电压为： 半桥差动直流电桥输出电压为： 全桥差动直流电桥输出电压为： 4、答：由于应变电桥的输出电压很小，一 般要加放大器，但直流放大器易产生零漂， 所以应变电桥多采用交流电桥。又由于交流电桥的供电电源是交流，为了消除应变片引线寄生电容的影响，同时也为了满足交流电桥的平衡条件，常采用不平衡电桥测量电路。 交流不平衡电桥采用半桥和全桥的方式是为了消除非线性误差和提高系统灵敏度。 5、答：由于电阻温度系数的影响以及试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响，会给电阻应变片的测量带来误差，因此需要进行温度补偿。 A U o E R R n n U o 1 1 2 )1(?+=1 1 2R R E U o ?=1 1 R R E U o ?= 常采用的温度补偿法有电桥补偿法和应变片自补偿法。 6、答：应变式传感器的基本工作原理：当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生形变，变换成相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，将引起应变敏感元件的电阻值发生变化，通过转换电路变成电量输出。输出的电量大小反映了被测物理量的大小。 7、答：电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因主要有两个方面： 一是由于电阻温度系数的影响； 二是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。 常采用的温度补偿法有电桥补偿法和应变片自补偿法。 8、答：应变电桥产生非线性误差的原因是电阻相对变化量的影响。 减小或消除非线性误差的方法是： 1）提高桥臂比 2）采用差动电桥 9、答: 10、答：直流电 桥平衡条件是相邻两臂电阻的比值相等。 交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）： 11、答：直流电桥适合供电电源是交流电的场合，交流电桥适合供电电源是交流的场合。 半桥电路比单桥电路灵敏度提高一倍，全桥电路比单桥电路灵敏度提高4倍，且二者均无非线性误差。 12、答：前者利用金属形变引起电阻的变化；而后者是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化（压阻效应）。 13、答：①金属电阻应变片由四部分组成：敏感栅、基底、盖层、粘结剂、引线。分为金属丝式和箔式。 ②其主要特性参数：灵敏系数、横向效应、机械滞后、零漂及蠕变、温度效应、应变极限、疲劳寿命、绝缘电阻、最大工作电流、动态响应特性。 (b) R 1－工作应变片R 2－补偿应变片 34 12R R R R =2 1 12C C R R = 14、答：应变是物体在外部压力或者拉力作用下发生形变的现象，电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。因为金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸(长度和截面积)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。 15、答：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；③灵敏度高，测量速度快．适合静态、动态测量；④可以测量多种物理量。 16、答：电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时特产生变形，其表面产生应变。粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。 17、答：压阻效应的解释,依据HERMY关于半导体多能谷导带价带模型的公式,当力作用于硅晶体时,晶体的晶格发生形变,它使载流子产生一个能谷到另一个能谷的散射,载流的迁移率发生变化,扰动了纵向和横向的平均有效质量,使硅的电阻发生变化.这个变化随硅单晶的取向不同而不同。即硅的压阻效应与晶体取向有关。 18、答：最为突出的是这种传感器能直接输出一个高电平、低阻抗的信号〔输出电压可达几伏〕，它可以用普通的同轴电缆输出信号，一般不需要再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才需要再放大，并可很容易直接输至示波器、带式记录器、检流计和其它普通的指示仪表。另一个显著的优点是，由于采用石英晶片作压电元件，因此在很宽的温度范围内灵敏度十分稳定，而且经长期使用，性能也几乎不变。 19、答：电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10×e+10～10×e+12Ω，输出阻抗小于100Ω。 五、计算题 1、解：（1）应在悬臂梁上下两侧各粘贴两个应变片，且粘贴位置相对称。 （2） A R1-O + - 2、解：单臂电桥非线性误差：112L 11 1R R R ,n=1R R 1n R γ?= =?++ 所以：111111 R R R 2 1%,R R 992R ??==?+， 应变式灵敏度系数62R 99R K 4.7430010 ε -?== =? 3、解：（1）沿纵向粘贴时： A O + - 由112 10t E 0.49E 210N /m σ σεεμε=??= = =?， 6R R R K K 20.490.9810R εε-??=?=?=?=? （2）沿周向粘贴时： 66R 0.30.49100.14710R με--?=-=-??=-? 4、解：R/R K=ε ? 已知R 1 R=1, R 100 ??Ω∴ = 3 92-4 F 5010110N /m A 0.510 σ?===?? 由E σε=?得，93 11 110510E 210 σ ε-?===??， 所以3 R /R 1/100 K 2510 ε -?= = =? 5、解：（1） (2)圆桶截面积 应变片1、2、3、4感受纵向应变； 应变片5、6、7、8感受纵向应变； 满量程时： （3）全受拉： i o 1234U U k(),()()2(1)4 εεεεεεμεμεεμε= --+∴=----+=+总 所以3 i i i -611U U F 101010U K K(1+)2(10.3)10.37mV 42AE 259.710 2.110εμ?===??+=???总 6、解：（1） 311o 11234R (R R )10112 U E []4[]0.099V 0.01V (R R )R R R 2012201 +?=?-=?-==≈+?++ （2）311 o 112234 R R R U =E [ ]0(R R )+(R R )R +R ±??-=±?±? （3）当R 1受拉应变，R 2受压应变时： 311o 112234R R R 1011U =E [ ]4[]0.02V 20mV (R R )+(R R )R +R 2002 +??-=?-==+?-? 当R 1受压应变，R 2受拉应变时： 311o 112234R R R 991 U =E [ ]4[]0.02V 20mV (R R )+(R R )R +R 2002 -??-=?-=-=--?+? 7、解：（1）R /R K ε ?= 所以： 631 1 R k 2.05800101.6410R ε--?==??=? 31R 1.63101200.1968-?=??=Ω （2）41 311o 2 1241123 R R R R R n U E E R R R (1n)R (1)(1)R R R ???=?=???+++?+ 令n=1，331 Uo 31.64101.2310V 4 --=??? =? 1'11 o o 2 111 R n R R n U E ,U E R (1+n)R (1+n)(1n) R ?? ?=? ?=??+?+ 所以非线性误差为：1 'o o 1 L 1o 1 R U U R 0.08%R U 1+n+ R γ?-= ==? （3）减小非线性误差的方法： ① 提高桥臂比：非线性误差减小，由2 n K E (1n) =? +知，电桥的电压灵敏度将降低，要使灵敏度不降低，必须相应地提高供电电压，电压的提高受到应变片允许功耗的限制。 ② 采用差动电桥。 8、解：① 应变片组成半桥电路： 311o 114322R (R R )E R 21.2U E [ ]0.01V (R R )R R (R R )2R 2120+??Ω =?-=?=?=+?+++?Ω ② o u U E K 1R /R 2 = ==? ③ R3、R4可以进行温度补偿。 9、解：（1） Ω =?=?∴?==?-1968.01064.11131 1 R K R K R R εε (2) 31o 1R E 3U 1.64100.00123V 4R 4-?= ?=??= 111L 1111R R R 0.1968 0.00082R 2R R 2120+0.19682+ R γ??====?+?? (3)采用差动电桥： 半桥差动：1o 1 R E U 20.00123=0.00246V 2R ?= ?=?， L 0γ= 全桥差动：1 o 1R U E 40.00123=0.00492V R ?=?=?，L 0γ= 10、解：（1）R /R K ε ?= 所以： 6-43R K 2.058001016.4101.6410R ε--?=?=??=?=? 3R R R 1201.64100.1968R -??=?=??=Ω （2）33o E R 3 U 1.64101.23104R 4 --?=?=??=? 11、解：（1）单臂：o E R 41 U 0.01V 4R 4100 ?=?=?= （2）设R1、R2同受拉应变，311o 112234 R (R R ) U E []0(R +R )+(R +R )R R +?=?-=??+ 所以不能感受同极性应变。 设R 1受拉应变，R 2受压应变。 o E R 41U 0.02V 2R 2100 ?= ?=?= 12、解：要想有最大输出，应接成差动形式，上下各粘贴一个应变片，感受拉、压不同应变。 F 50KN A A σ= =， 3411 50KN 510E 510210σε--===???? R/R K ε ?= ， 3 3-411R 155010K 7.510R 510210 ε-???===???? A 所以3 -411 R 155010R R 1000.75R 510210????=?=?=Ω??? 半桥差动： o E R U 2R ?=? ，所以4625101040E 13.33V 753-???=== 13、解：（1）单臂： （2） 不能。同极性时，Uo=0 （3） 四个臂全为应变片，应接成全桥差动电路。两个受拉应变，两个受压应变。 14、解：（1）全桥上下各粘贴两个应变片，且位置对称。 R 1，R 4贴上边，R 2，R 3贴下边。 （2）R/R K= ε ?，所以： 2R K 2100.02R ε-?=?=?= 33111 y 112233111 R R R R R U E [ E 300.020.6V (R +R )+(R -R )(R -R )+(R +R )R -?+??=?-=?==?=???? 15、解：（1）R 1为应变片时属于单臂 o E R 41.2U 0.01V 4R 4120 ?= ?=?= （2）如R 1，R 2感受极性和大小相同，Uo=0。 （3） ① 若R 1受拉应变，R 2受压应变： 311o 112234R R R 1201.21 U E [ ]4[]0.02V (R R )(R R )R R 2402 +?+=?-=?-=+?+-?+ ② 若R 1受压应变，R 2受拉应变： R 1 (b) 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 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。 电阻应变式压力传感器工作原理细解 2011-10-14 15:37元器件交易网 字号： 中心议题： 电阻应变式压力传感器工作原理 微压力传感器接口电路设计 微压力传感器接口系统的软件设计 微压力传感器接口电路测试与结果分析 解决方案： 电桥放大电路设计 AD7715接口电路设计 单片机接口电路设计 本文采用惠斯通电桥滤出微压力传感器输出的模拟变量，然后用INA118放大器将此信号放大，用7715A/D 进行模数转换，将转换完成的数字量经单片机处理，最后由LCD 将其显示，采用LM334 做的精密5 V 恒流源为电桥电路供电，完成了微压力传感器接口电路设计，既能保证检测的实时性，也能提高测量精度。 微压力传感器信号是控制器的前端，它在测试或控制系统中处于首位，对微压力传感器获取的信号能否进行准确地提取、处理是衡量一个系统可靠性的关键因素。后续接口电路主要指信号调节和转换电路，即能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。由于用集成电路工艺制造出的压力传感器往往存在：零点输出和零点温漂，灵敏度温漂，输出信号非线性，输出信号幅值低或不标准化等问题。本文的研究工作，主要集中在以下几个方面： (1)介绍微压力传感器接口电路总体方案设计、系统的组成和工作原理。 (2)系统的硬件设计，介绍主要硬件的选型及接口电路，包括A/D 转换电路、单片机接口电路、1602显示电路。 (3)对系统采用的软件设计进行研究，并简要阐述主要流程图，包括主程序、A/D 转换程序、1602显示程序。 1 电阻应变式压力传感器工作原理 电阻应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把4 个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。 当有压力时各桥臂的电阻状态都将改变，电桥的电压输出会有变化。 式中：Uo 为输出电压，Ui 为输入电压。 当输入电压一定且ΔRi < 《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 （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： 传感器与检测技术 电阻应变式压力传感器的设计 电阻应变式压力传感器的设计 1. 、方案设计 原理框图如图一所示 数显表头低通滤波相敏检波U 过零比较器 2.2应变片检测原理 电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。 设一根电阻丝，电阻率为?，长度为I,截面积为S,在未受力时的电阻值为 丄----- ① S 如图一所示，电阻丝在拉力F作用下，长度I增加，截面S减少，电阻率T也相 应变化，将引起电阻变化△ R,其值为 . . ：l S , —-p ————② RIS^ 对于半径r为的电阻丝，截面面积S—：r2，则有：ss—2：n r。令电阻丝的 轴向应变为；- J.I，径向应变为?汀r =—巩.丄|)一；，；由材料力学可知， 为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得 空—(1+2忙三 R ? 通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为 AP P / 从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺 受力引起(1 ^1);由材料电阻率变化引起的(，1耳；_1。对于金属丝材料, (;_1项的值比(1,2丄)小很多，可以忽略，故K = 1 。大量实验证明在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即为常数通常金属丝的—1.7?3.6。④可写成 2.3弹性元件的选择及设计 本次设计对质量的检测是通过对压力的检测实现的，所以弹性元件承受物重也即压力，这就要求弹性元件具有较好的韧性、强度及抗疲劳性，通过查设计手册，决定选取合金结构钢 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); 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。 (1) 1 dR d R dA A 四种压力传感器的基本工作原理及特点 一：电阻应变式传感器 1 1电阻应变式传感器定义 被测的动态压力作用在弹性敏感元件上， 使它产生变形，在其变形的部位粘 贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称 为电阻应变式压力传感器。 1.2电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片 箔式应变片是以厚度为0.002―― 0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔 栅宽度为0.003――0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝 （直 径0. 015--0. 05mm ），平行地排成栅形（一般2――40条），电阻值60――200 ?， 通常为 120 ?，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即 制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于 待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时， 电阻片 也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。 I 绘式应吏片 b ）笹式应变片 材料的电阻变化率由下式决定: 式中; R—材料电阻2 3 —材料电阻率 由材料力学知识得; K —金属电阻应变片的敏感度系数 式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分 dR 、dL 改写成增 量出、/L,可得 由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形 而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了 ZR 的变化，也就得 到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。 1.3电阻应变式传感器的分类及特点 「测低压用的膜片式压力传感器 常用的电阻应变式压力传感器包括彳测中压用的膜片一一应变筒式压力传感器 -测高压用 的应变筒式压力传感器 1.3.1膜片一一应变筒式压力传感器的特点 该传感器的特点是具有 较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、 动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。 适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如 火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。 1.3.2膜片式应变压力传咸器的特点 A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性 较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于 0.5%，同时又有较高 的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。 B 这种传感器与膜片一应变筒式压力传感器相比， 自振频率较低，因此在低dR "R [(1 2 ) C(1 2 )] 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 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。 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 第1章传感器基础理论思考题与习题答案 什么是传感器（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 传感器特性在检测系统中起到什么作用 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器由哪几部分组成说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图所示。 传感器的性能参数反映了传感器的什么关系静态参数有哪些各种参数代表什么意义动态参数有那些应如何选择 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=℃、S2=mV、S3=V，求系统的总的灵敏度。 某线性位移测量仪，当被测位移由变到时，位移测量仪的输出电压由减至，求该仪器的灵敏度。 应变片压力传感器原理与应用 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU显示或执行机构。 金属电阻应变片的内部结构 如图1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：P——金属导体的电阻率cm2/m） S ——导体的截面积（cm2） L ——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 2、陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间 稳定性，传感器自带温度补偿0?70 C,并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻 可以使它的工作温度范围高达-40?135C，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信 号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传 感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 4、蓝宝石压力传感器原理与应用 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。 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 湖南科技大学 传感器课程设计 题目 作者 学院机电工程学院 专业测控技术与仪器 学号 指导教师 二〇一七年六月十日 应变式传感器应用广泛，很多地方都得以应用，而本次课程设计的重点是设计一个应变片柱式传感器用来称重。研究的重点是传感器的基本原理，其中包括基本的理论分析、弹性元件的选材、弹性元件的尺寸设计、应变的选材、应变校验等。 课程设计的内容包括：掌握和了解相关传感器的基本测量方法和研究动态、制定传感器测量方案、进行必要的理论计算分析、用CAD对传感器结构及零件进行设计、对转换电路进行计算和设计等。 关键词：圆柱式、应变片、称重、形变 一、工作原理及特点——————————————————1 1、工作原理————————————————————————1 2、测量特点————————————————————————1 二、柱式传感器结构设计————————————————2 1、弹性元件材料的选定及要求————————————————2 2、弹性元件材料的处理———————————————————3 3、几种应变片的比较及选定—————————————————3 4、应变片材料的选定及要求—————————————————4 三、相关理论分析———————————————————6 1、弹性敏感元件的特性参数计算———————————————6 2、应变片参数的计算————————————————————7 3、弹性元件变形与应变片电阻值关系—————————————7 四、电路的设计————————————————————9 参考文献—————————————————————10 传感器技术实验报告 院（系）机械工程系专业班级 姓名同组同学 实验时间 2014 年月日，第周，星期第节实验地点单片机与传感器实验室实验台号 实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、实验仪器： 应变传感器实验模块、托盘、砝码（每只约20g）、、数显电压表、±15V、±4V电源、万用表（自备）。 三、实验原理： 电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε，式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=Δl/l为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感组件，如图1-1所示，四个金属箔应变片分别贴在弹性体的上下两侧，弹性体受到压力发生形变，应变片随弹性体形变被拉伸，或被压缩。 图1-1 通过这些应变片转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，如图1-2所示R5、R6、R7为固定电阻，与应变片一起构成一个单臂电桥，其输出电压 εk E R R R R R E U 4 R 4E 21140=??≈??+?? = （1-1） E 为电桥电源电压，R 为固定电阻值，式1-1表明单臂电桥输出为非线性，非线性误差为%10021L ???- =R R γ。 四、实验内容与步骤 1．图1-1应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R 1、R 2、R 3、R 4 上，可用万用表测量判别，R 1=R 2=R 3=R 4=350Ω。 2．从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端U i 短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档），调节电位器Rw 3，使电压表显示为0V ，Rw 3的位置确定后不能改动，关闭主控台电源。 图1-2 应变式传感器单臂电桥实验接线图 3．将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R 1）接入电桥与R 5、R 6、R 7构成一个单臂直流电桥，见图1-2，接好电桥调零电位器Rw 1，直流电源±4V （从主控台接入），电桥输出接到差动放大器的输入端U i ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，调节Rw 1,使电压表显示为零。 4．在应变传感器托盘上放置一只砝码，调节Rw 4，改变差动放大器的增益，使数显电压表显示2mV ，读取数显表数值，保持Rw 4不变，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到200g 砝码加完，记录实验结果，填入表1-1，关闭电源。 重量(g) 电压(mV) 压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，江苏省苏科仪表有限公司技术部的同志就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用： 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m）电阻应变片式传感器
电阻应变式传感器.
压力传感器工作原理
电阻应变片压力传感器设计
电阻应变式传感器
电阻应变式压力传感器的设计精品
传感器实验报告应变片测量
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(完整版)四种压力传感器的基本工作原理及特点
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电阻应变式传感器的基本原理、结构和应用
电阻式传感器单臂电桥性能实验
《传感器原理及应用》课后答案
应变片压力传感器原理与应用
基于电阻应变片的压力传感器设计
电阻应变式传感器-实验报告
电阻应变片的压力传感器设计
传感器实验报告(电阻应变式传感器)
压力传感器原理及应用