电阻应变式电子称的设计制作

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1.1.2 传感器的主要特性参数 1.灵敏度 灵敏度 灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量 变化和引起此变化的输入量变化的比值。 变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输 入与输出特性曲线的斜率， 入与输出特性曲线的斜率， 如右图所示，可表示为： 如右图所示，可表示为：
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4) 应变片测量电路
R1 E R3 R2
V
R4
R 2 R 4 R1 R3 V = E ( R1 + R 4 )( R 2 + R3 )
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5)应用： 5)应用：测力 应用
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1.1 传感器基础知识 1.1.1 概述
1.定义 定义
传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些 信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示: 信息转换成可用信号的机械电子装置。如下图所示
物理量
电量
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y
dy s= dx
dy dx
0
x
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2. 分辨率 分辨率是指检测仪表能够精确检测出被测量 最小变化值的能力。 最小变化值的能力。输入量从某个任意值缓慢增 加，直到可以测量到输出的变化为止，此时的输 直到可以测量到输出的变化为止， 入量就是分辨率。可以用绝对值， 入量就是分辨率。可以用绝对值，也可以用量程 的百分数来表示。灵敏度愈高，分辨率愈好。 的百分数来表示。灵敏度愈高，分辨率愈好。
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2、元件选择 、 1）IC1选用 ） 选用ICL7126集成块；IC2、IC3选用高精 集成块； 选用 集成块 、 选用高精 度低温标精密运放OP-07；IC4选用 ； 选用LM385－1.2V。 度低温标精密运放 选用 － 。 2）传感器RI选用 ）传感器 选用 选用E350－ZAA箔式电阻应变片，其 箔式电阻应变片， － 箔式电阻应变片 常态阻值为350 。 常态阻值为 3）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。 ）各电阻元件宜选用精密金属膜电阻。 4）RPI选用精密多圈电位器，RP2、RP3经调试 ） 选用精密多圈电位器， 选用精密多圈电位器 、 经调试 后可分别用精密金属膜电阻代替。 后可分别用精密金属膜电阻代替。 5）电容中C1选用云母电容或瓷介电容。 ）电容中 选用云母电容或瓷介电容 选用云母电容或瓷介电容。
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3. 线性度与非线性误差 线性度是用实测的检测系统输入-—输出特性曲 线性度是用实测的检测系统输入 输出特性曲 线与拟合直线之间最大偏差与满量程输出的百分比 来表示的，如下图所示。 来表示的，如下图所示。 线性度可用非线性 误差来表示，计算式为： 误差来表示，计算式为：
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5.传感器的命名 传感器的命名 由主题词加四级修饰语构成。 由主题词加四级修饰语构成。 主题词——传感器； 传感器； 主题词 传感器 第一级修饰语——被测量，包括修饰被测量的定语； 被测量，包括修饰被测量的定语； 第一级修饰语 被测量 第二级修饰语——转换原理，一般可后续以“式”字； 转换原理，一般可后续以“ 第二级修饰语 转换原理 第三级修饰语——特征描述，指必须强调的传感器结 特征描述， 第三级修饰语 特征描述 构、性能、材料特征、敏感元件及其它必要的性能特 性能、材料特征、 征，一般可后续以“型”字； 一般可后续以“ 第四级修饰语——主要技术指标（量程、精确度、灵 第四级修饰语 主要技术指标（量程、精确度、 主要技术指标 敏度等）。 敏度等）。
6)标准产品 6)标准产品
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7)案例： 7)案例：桥梁固有频率测量 案例
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案例： 案例：电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
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1.5 电子称的制作 1、原理 、 如图所示， 如图所示， 采用E350~ZAA 采用 箔式应变片， 箔式应变片， 其常态阻值为 350 。
V
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3.传感器的分类
1)按被测物理量分类 1)按被测物理量分类 常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 流量; 声压,噪声. 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 温度: 温度,热量,比热. 亮度， 光： 亮度，色彩
m Ef = × 100% YFS
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4. 迟滞 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间， 迟滞特性表明检测系统在正向和反向行程期间， 输入—输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。 输入 输出特性曲线不一致的程度。如右下图所示。 输出特性曲线不一致的程度 通过实验， 通过实验，找出输出量的 这种最大差值，并以满量程 这种最大差值， 输出Y 的百分数表示， 输出 FS的百分数表示， 如下式： 如下式：
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3、制作 、 1）电子线路的制作 ） 元件布置：横平竖直，间距适当； 元件布置：横平竖直，间距适当； 锡焊：控制焊点大小，注意虚焊； 锡焊：控制焊点大小，注意虚焊； 2）变形钢件的制作 ） 可用普通钢锯条制作，先将锯齿磨平， 可用普通钢锯条制作，先将锯齿磨平，再将锯条加 热弯成“ 形 并在对应位置钻孔，以装显示部件。 热弯成“U”形，并在对应位置钻孔，以装显示部件。 然后再进行淬火和表面处理，秤钩粘于钢件底部。 然后再进行淬火和表面处理，秤钩粘于钢件底部。应 变片用应变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。 变片用应变胶粘剂粘接于钢件变形最大的部位。
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1.4 电阻应变应变片
电阻应变片基于金属导体的应 变效应，即阻值随机械变形的变化 变效应， 而发生变。 而发生变。
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1) 工作原理
金属应变片的电阻R 金属应变片的电阻R为
R = ρ l / A
ρl
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
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3) 应变片的主要参数
几何参数：表距L和丝栅宽度b 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 表示。 b×L表示。 电阻值：应变计的原始电阻值。 电阻值：应变计的原始电阻值。 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 其它表示应变计性能的参数（工作温度、 其它表示应变计性能的参数（工作温度、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏 度等）。 度等）。
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2)按工作原理分类: 2)按工作原理分类: 按工作原理分类 机械式,电气式,光学式，流体式等。 机械式,电气式,光学式，流体式等。
切削力测量应变片
动圈式磁电传感器
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3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 按信号变换特征 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型: 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片. 供给能量的变化.例如:电阻应变片.
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4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 按敏感元件与被测对象之间的能量关系
物性型： 物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信 号变换。 水银温度计。 号变换。如:水银温度计。 结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。
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2.传感器的组成 传感器的组成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器 件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换 件的作用是感受被测物理量， 输出。 输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进 行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。如下 图的温度电阻。 图的温度电阻。
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金属应变计
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半导体应变计
dR dl 2 dr dρ = + R l r ρ
简化为： 简化为：
dR dρ = λEε = R ρ
优点：灵敏度大;体积小; 优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
dr dl = = ε r l
金属丝体积不变： 金属丝体积不变：
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有：
dR dρ = ε + 2 ε + ρ R
金属丝应变片： 金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变： 对金属材料，导电率不变：
dR = (1 + 2 ) ε R
应变计
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项目一： 项目一：电子称的设计与制作
技能训练目标要求: 技能训练目标要求: 1.了解传感器的作用与工程应用情况 1.了解传感器的作用与工程应用情况 2.了解传感器的分类 2.了解传感器的分类 3.了解应变片的原理与用途 3.了解应变片的原理与用途 4.学会应变测量电路的设计与制作 4.学会应变测量电路的设计与制作 5.掌握电桥测量电路的制作要领 5.掌握电桥测量电路的制作要领
m Et = × 100% YFS
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1.2 检测系统的基本组成 一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感 器、测量电路和显示记录装置等几部分组成。检测 测量电路和显示记录装置等几部分组成。 系统的组成框图如下 ：
指示仪
被测量
传感器
测量 电路
记录仪
电源
数据处 理仪器
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1.3 相对误差 相对误差是仪表指示值的绝对误差δ与被测量真 相对误差是仪表指示值的绝对误差 与被测量真 的比值，常用百分数表示， 值x0的比值，常用百分数表示，即
x x0 r = × 100% = × 100% x0 x0
相对误差比绝对误差能更好地说明测量的精确程 在上面的例子中: 度。在上面的例子中
如果以测量仪表整个量程中， 如果以测量仪表整个量程中，可能出现的绝 对误差最大值δm代替 ，则可得到最大引用误差 代替δ， 对误差最大值 代替 r0m。
r0 m =
δm
L
× 100%
对一台确定的仪表或一个检测系统， 对一台确定的仪表或一个检测系统，最大引用 误差就是一个定值。 误差就是一个定值。
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0.001 r1 = 100% = 0.01% 10
δ
r2 =
0.01 100% = 0.005% 200
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引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值， 引用误差是绝对误差与仪表量程上的比值， 通常以百分数表示。 通常以百分数表示。引用误差
r0 =
δ
L
× 100%
代入
l dR = dl 2 dA + dρ A A A R = ρ l / A
ρ
dl dA dρ dR = R R +R l A ρ
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有：
dR dl dA dρ = + R l A ρ
A =π r
2
金属丝： 金属丝：
dR dl 2 dr dρ = + R l r ρ