第二章电阻传感器第一讲电阻应变片
第2章_电阻应变式传感器1
16
2 金属电阻应变片主要特性
一、 金属电阻应变片结构及材料
此类金属应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。
1) 丝式应变片
如下页图所示，基本结构由四部分组成：敏感栅、基底 和盖层、粘接剂、引线。敏感栅是应变片最重要的部分。将金 属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为 纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只 要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简 单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小。
第2章 电阻式传感器
学习要求：
1.掌握电阻式传感器的工作原理 ， 2.了解电阻式传感器的结构、分类， 3.掌握电位器式传感器、电阻应变式传感器在结构 和工作原理的相同点和不同点， 4.掌握电阻应变式传感器的测量电路形式及分析方 法， 5.了解电阻式传感器的应用。
应变片式传感器
电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片主要特性
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R Ksx R
线性关系
x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程 中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变 (με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要 大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而 10 导致断裂。
定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变
d dR 所引起的电阻相对变化量。其表达式为： kS R 1 2
x
x
灵敏系数ks受两个因素影响
一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即 （dρ/ρ）/εx。 ks 1 2 对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/εx 故 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变 化与应变成正比，即ks为常数。 dR
第2章 电阻应变式传感器
（ 2 2 ）
传感器原理与应用——第二章
电阻相对变化量为：
dR dL d dA R L A
若电阻丝是圆形的， 则A=πr ² 微分 ,对r
（ 3 2 ）
l
2r
2(r-dr)
F
l+ dl
得dA=2πr dr，则：
dA 2rdr dr 2 2 A r r
图2-1 金属丝的应变效应
• 应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量 等参数应用最广泛的传感器。
传感器原理与应用——第二章
2.1 电阻应变片的基本原理 应变式传感器的核心元件是电阻应变片，它可将试件 上的应力变化转换成电阻变化。 2.1.1 应变效应 当导体或半导体在受到外界力的作用而不能产生位移
时，则会产生机械变形（它的几何形状和尺寸将
指 示 应 变 卸载
Δε
εi
加载 机械应变εR 图2-6 应变片的机械滞后
传感器原理与应用——第二章
产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使
敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变
片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充
分等。
机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常 在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机 械滞后所产生的实验误差。
很宽的范围内均为线性关系。
传感器原理与应用——第二章
即:
R
R
K 或
K
R
R
（ 14 2 ）
K为金属应变片的灵敏系数。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的
灵敏系数KS。原因主要是胶层传递变形失真及横向效
第2章 电阻应变式传感器
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 电阻应变式传感器的工作原理? 电阻应变式传感器的工作原理? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
第二章、应变式传感器1
（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数； （2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。
3.4 电阻应变片的测量电路
单臂应变电桥
工作臂 双臂应变电桥 全臂应变电桥
应
变
电源
直流电桥：
电
交流电桥:
桥
电源端对称
桥臂关系 半等臂电桥 输出端对称
全等臂电桥
3.4.1 直流电桥
平衡条件 R1R4=R2R3
n=R2/R1=R4/R3
常用金属薄膜应变片
金属应变片的基本结构
转换元件 F
敏感元件
二、半导体应变片结构 体型、薄膜型和扩散型
1、体型半导体应变片 半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小
条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。
体型半导体应变片的结构
2、薄膜型半导体应变片
通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积 半导体材料薄膜而制成。
对电阻丝材料应有如下要求：
① 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大； ③ 电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
表3-1 常用金属电阻丝材料的性能
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于 它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形 范围内能保持为常数， 进入塑性变形范围内也基本上 能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当 采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在 ±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊 接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
Κ κ 卡帕 Kappa 介质常数 Λ λ 兰姆达 Lambda 波长（小写）；体积 Μ μ 缪 Mu 磁导系数；微 ;放大因数（小写） Ν ν 纽 Nu 磁阻系数 Ξ ξ 克西 Xi Ο ο 奥米克戎 Omicron Π π 派 Pi 圆周率=圆周÷直径=3.1416 Ρ ρ 柔 Rho 电阻系数（小写） Σ σ 西格玛 总和（大写），表面密度；跨导（小写） Τ τ 陶 Tau 时间常数 Υ υ 宇普西隆 Upsilon 位移 Φ φ 斐(佛爱) Phi 磁通； 角 Χ x 西 Chi Ψ ψ 普西 Psi 角速；介质电通量（静电力线）；角 Ω ω 欧米伽 Omega 欧姆（大写）；角速（小写）；
《电阻应变片传感器》PPT课件
4. 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
通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为 25mA；在动态测量时，允许电流可达75~100mA。
5. 应变极限 指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相
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10%，当指定应变值大于真实应变值的10% 时，真实应变值称为应变片的极限应变。
电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域 测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其 敏感栅材料及制作方法可分类如下表：
3
电阻应变片的种类
4
2.2 电阻应变片的工作原理
2.2.1 金属的应变效应 ❖ 金属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。由于
因温度变化引起的电阻变化作用相互抵消，这样就起到了温度补 偿的作用。
31
图2-6 桥路补偿法
32
2. 应变片自补偿法
粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产
生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自 补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。
（1）选择式自补偿应变片
由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为
是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同（一个为正，一个为
负）的特性，将二者串联绕制成敏感栅，如图2-7所示。若两段敏
感栅的电阻R1和 R2 ，由于温度变化而产生的电阻变化
大小相等而符号相反，就可以实现温度补偿，电阻
R1t
R2t
R R R /
1
2t
2
R R R /
2
1t 1
R R 而其中 ( ) ( )
传感器原理及应用-第2章
电桥电路
力、加速度、荷重等
应变
电阻变化
电压、电流
图2-1 电阻应变式传感器典型结构与测量原理
电阻应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导 体的压阻效应制成的一种传感元件。
电阻应变片的分类： 金属应变片和半导体应变片。
一、电阻应变片
（一）工作原理——应变效应
导体或半导体材料在外力的作用下产生机械变形时， 其电阻值相应发生变化的现象称为应变效应。
第二章 应变式传感器
主要内容：
一、电阻应变式传感器 二、压阻式传感器
本章重点：
电阻应变式传感器的构成原理及特性 电桥测量电路的结构形式及特点 压阻式传感器的工作原理
基本要求：
掌握电阻应变式传感器的构成原理及特性， 掌握电桥测量电路的结构形式及和差特性，掌握 压阻式传感器的工作原理及设计特点。
in2x
图2-10 应变片对应变波的动态响应
应变片对正弦应变波的响应是在其栅长 l 范围内所
感受应变量的平均值 m，低于真实应变波 t ，从而
产生误差。
t 瞬时应变片中点的应变(真实应变波) 值为：
t
0
s
in2
xt
t 瞬时应变片的平均应变(实际响应波) 值为：
m
也可写成增量形式
RRKs
l l
Ks
式中，Ks——金属丝的应变灵敏系数。物理意义是单位应变 所引起的电阻相对变化量。
金属丝的灵敏系数取决于两部分：
①金属丝几何尺寸的变化， 0 .3 (1 2 ) 1 .6
②电阻率随应变而引起的变化
Hale Waihona Puke 金属丝几何尺寸 金属本身的特性C
如康铜，C≈1， Ks ≈2.0。其他金属， Ks一般在1.8~4.8范围内。
第二章 电阻式传感器
4 1
3
4
5
2
3
图1薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层
3–金属箔基底 4--引线
2
1
图2扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线
型号的编排规则
电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅 长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接 线方式。如B F 350 -- 3 AA 80 （23） N6 – X的含义是：
而引起的（称“压阻效应”）。 εx
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；对半 导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验 表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。其它金属或合金，KS在1.8～4.8
范围内。
dR R
KS
x
(2) 半导体应变片的工作原理
的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其 结构如图所示。
2）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有
绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图1。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型
导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型 半导体应变片。图2为扩散型半导体应变片示意图。这是一种 应用很广的半导体应变片。
半导体应变片是利用半导体
材料的压阻效应而制成的一种纯
1
电阻性元件。
2 3
对一块半导体材料的某一轴 12 3
向施加一定的载荷而产生应力时，
它的电阻率会发生变化，这种物 理现象称为半导体的压阻效应。
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
16
2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
17
应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
18
25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，
粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系
数为αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
26
由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
13
金属薄膜应变片
• 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
15
检测技术及仪表 电阻传感器 第二章
常用应变片二（箔式）
箔式应变片
原理： 它是利用光刻腐蚀法将电 阻箔材在绝缘基底上制成各种 图形的应变片； 优点： 敏感栅尺寸准确，线条均 匀； 其弯头横向效应可以忽略； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高；
箔式应变片的外形
二、种类
（3）金属薄膜应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基
d dR R K (1 2 )
压阻效应 （2-6）
应变效应
灵敏系数K 受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即 1+2μ ；另一个是应变片受力后材料的电阻率 发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2μ的值要比
(dρ/ρ)/ε大得多;
（2-2）
由公式（2-2）可以看出，当 R 2 R 4 R1R 3时电桥
平衡，此时电桥输出 U o 0 。
Ui R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
（2-3）
单臂
半桥
全桥
一个桥臂是应变片
二个桥臂是应变片
四个桥臂均是应变片
1
单臂 R1 R2
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。
一、结构 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引 线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可 制作引线。
二、种类
金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。 （1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴 于弹性体上就可构成应变式传感器。
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
自动检测技术及应用2-1检测教案,第二章,第一节
演示先来做一个实验。当用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω，如图所示。
电阻丝在拉力作用下阻值增大
引出结论：应变效应
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
表2-1应变片主要技术指标
参数名称
电阻值/Ω
灵敏度
电阻温度系数/（1/℃）
极限工作温度/℃
最大工作电流/mA
PZ-120型
PJ-120型
BX-200型
BA-120型
BB-350型
PBD-1K型
PBD-120型
120
120
200
120
350
1000(1+10%)
120(1+10%)
1.92.1
1.92.1
2．应变式荷重传感器
测力或荷重（称重）的传感器很大一部分采用应变式荷重传感器。荷重传感器如图2-11所示，它的输出电压Uo正比于荷重F。
荷重传感器结构示意图
a）外形图b）应变片在承重等截面圆柱上的粘贴位置
荷重传感器的输出电压Uo正比于荷重F。实际运用中，生产厂商一般会给出荷重传感器的灵敏度KF。设荷重传感器的满量程为Fm，桥路激励电压为Ui，满量程时的输出电压为Uom，则KF被定义为
讨论调零的原理和电位器的调节方向。讨论图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻的原理。
四、应变效应的应用
1．应变式力传感器
应变式测力传感器的几种形式
a）环式b）环式外形c）悬臂梁式
解释什么是悬臂梁？
悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁的灵敏度较高，多用于较小力的测量。常见的电子秤中就多采用悬臂梁来测量质量（重量）。
传感器与检测技术第二章电阻式传感器.ppt
11
2.1 电位器式传感器
二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率 电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，
但阻值无变化 当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然
增加，特性曲线出现阶跃
其阶跃值即视在分辨率为
U Umax n
12
2.1 电位器式传感器
在移动过程中，会使得临近的量匝短路，电位器 总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视 在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即一个小 的阶跃。
U max•Umax
9
2.1 电位器式传感器
线性电位器的骨架截面此处处相等、并且由材料 均匀的导线按相等的节距绕成。对某一匝节距为 t线圈来说，电阻变化量为：
Rl2(bh)
AA
10
2.1 电位器式传感器
电阻灵敏度：
kR
R max X max
nR2(bh)
nt At
电压灵敏度：
kuU Xm ma a x xIX R m maax xI2(bA h)t
16
xmax
eby
n xmax
1 100% n
2.1 电位器式传感器
从图2-5中可见,在理想情况下，特性曲线每个 阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直 线即是理论直线（灵敏度），阶梯曲线围绕它 上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误
差。电位器的阶梯误差γj通常以理想阶梯特性
曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出 电压值的百分数表示，即
所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)的电压分辨
率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最
大输出电压Umax之比的百分数,即为：
Umax
eba
n Umax
电阻应变片式压力传感器1 (1)ppt课件
传感器简图：
灵敏度与误差分析：
误差来源
电阻应变片引起的误差 用应变片测量时，由于环境温度所引起的电阻变化与试 件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产 生很大的测量误差。 造成应变片温度误差的原因主要有 两个：
（1）应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；
（2）电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。
本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。
设计初衷：
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。
(1 2)
由材料电阻率变化引起的
( ) 1
对于金属材料 ( ) 1 项的值比 (1 2) 小很多，可以忽略， 所以 K 1 2 大量实验证明， 在电阻丝拉伸比例极限内，电阻 的相对变化与应变对于金属丝材料成正比，即为常数。通常金属丝 的=1.7-3,6。可写成
电阻应变片式 压力传感器1 (1)
光电传感器
超声波液位传感器
与此相比我们的传感器具有结构简单，定位精度 较高，不需调试，灵敏度较高，耗电少，体积小 等诸多优点。
较之不足的就是定位精度稳定性与市场成熟的传 感器还有差距
设计初衷：
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。
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教师授课方案（首页）授课班级09D电气1、电气2 授课日期课节 2 课堂类型讲授课题第二章电阻式传感器第一讲电阻应变片式传感器教学目的与要求【知识目标】1、了解应变效应；2、掌握电桥测量转换电路的计算以及调零的方法；3、掌握应变传感器的应用。
【能力目标】培养及提高学生工程计算能力以及桥路转换电路调零的实际操作能力。
【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。
重点难点重点：掌握电桥测量转换电路的计算以及调零的方法难点：电桥电路教具教学辅助活动教具：电阻应变片、电阻式传感器、多媒体课件、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论一节教学过程安排复习1、测量的基本概念、测量方法、误差分类、测量结果的数据统计处理2、了解传感器的基本特性5分钟讲课1、简介电位器式传感器2、简介电阻应变片的工作原理3、重点学习测量转换电路—电桥电路计算及调零方法4、例题巩固5、学习电阻应变的应用—应变式电阻传感器70分钟小结1、小结见内页之后2、利用10分钟时间与学生互动答疑13分钟作业习题册第二章应变式电阻传感器习题2分钟任课教师：叶睿2011年1月17日审查教师签字：年月日教案附页【复习提问】上节课知识点：1、测量的基本概念、测量方法2、误差分类3、测量结果的数据统计处理4、了解传感器的基本特性第二章电阻式传感器【章节导入】电阻传感器种类繁多，应用领域广泛。
基本原理将被测量变成电阻的变化量，通过此变化量的测量从而达到测量被测量的目的。
【本章要点】电阻式传感器的原理、测量转换电路及应用包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻。
第一节电位器式传感器【本节内容设计】由电位器传感器的原理描述引出测量转换电路，最后学习电位器式传感器的应用。
【授课内容】一、电位器式传感器的原理利用电位器电阻的变化量进行对被测量的测量。
二、电位器式传感器的转换电路1、测量转换电路的作用2、电位器式传感器的测量转换电路—图例三、电位器式传感器的应用电位器式传感器摩擦力大，现改用耐磨、稳定性好的导电塑料做传感器。
有输出电压大的优点。
用于张力测量、直线行程、角度控制、伺服电机的位置反馈元件Uo=EiX/L第二节 应变式电阻式传感器【本节内容设计】一、介绍工作原理即应变效应 二、学习应变片的分类三、重点掌握测量转换电路—电桥电路 四、学习应变式电阻式传感器的应用 【授课内容】一、介绍工作原理即应变效应 1、应变效应：—实验方法演示导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化。
2、电阻应变片的灵敏度： 实验证明，电阻丝或半导体应变片的电阻相对变化量∆R /R 与材料力学中的轴向应变εx 的关系在很大范围内是线性的，即x K RRε=∆ （2-1） 二、应变片的种类结构 1、应变片的分类：金属应变片、半导体应变片两大类。
金属应变片可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。
2、金属丝式特点应变片价格便宜，多用于要求不高的应变、应力的大批量、一次性试验。
3、箔式应变片的特点一致性较好，适合于大批量生产，目前广泛用于各种应变式传感器的制造中。
4、半导体应变片特点是用半导体材料作敏感栅而制成的。
当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。
它的主要优点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）,主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。
在使用时，需采用温度补偿及非线性补偿措施。
5、应变片主要技术指标表2-1 应变片主要技术指标 参数名称 电阻值 /Ω灵敏度电阻温度系数 /℃-1 极限工作温度 /℃ 最大流PZ-120型 PJ-120型 BX-200型 BA-120型 BB-350型 PBD-1K 型 PBD-120型 120 120 200 120 350 1000±10% 120±10% 1.9～2.1 1.9～2.1 1.9～2.2 1.9～2.2 1.9～2.2 140±5% 120±5% 20⨯10-6 20⨯10-6 －① － － <0.4% <0.2% -10～40 -10～40 -30～60 -30～200 -30～170 <40 <402020 25 25 25 15 20其中PZ 为纸质丝式， PJ 为胶质丝式，BX 、BA 、BB 为箔式，PBD 为半导体应变片。
标称电阻一般有100、120、200、350 Ω三、测量转换电路应变片的变化量十分微小，必须使用不平衡电桥将∆R /R 转换为输出电压U o 。
1、电桥平衡的条件：为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R 1R 3=R 2R 4或R 1/R 2=R 4/R 3。
2、应变电桥的三种不同的工作方式：1）单臂半桥工作方式：R 1为应变片，R 2、R 3、R 4为固定电阻，∆R 2～∆R 4均为零。
RRUi Uo ∆=42）双臂半桥工作方式：R 1、R 2为应变片，R 3、R 4为固定电阻，∆R 3=∆R 4=0。
RR Ui Uo ∆=23）全桥工作方式：电桥的四个桥臂都为应变片。
εUiK RRUi Uo =∆= 电桥的输出电压估算：)(444332211i o R R R R R R R R U U ∆-∆+∆-∆=（2-2）结论：上述三种工作方式比较：全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。
3、温漂补偿：采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。
当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，代入式（2-2），可以相互抵消，所以这两种桥路具有温度自补偿功能。
4、电桥的调零：调零的必要性：实际使用中，R 1、R 2、R 3、R 4不可能严格成比例关系，所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因此必须设置调零电路。
调零电路：图例。
调节RP ，最终可以使R 1与（½R P ＋R 5）、R 2与（½R P ＋R 5）的并联结果之比R 1'/R 2'等于R 4/R 3，电桥趋于平衡，U o 被预调到零位。
R 5的用于减小调节范围的限流电阻。
四、应变效应的应用（1）掌握应变式力传感器—各种悬臂梁测力悬臂梁：一端固定、一端自由的弹性敏感元件。
它的特点：灵敏度比较高，多用于较小力的测量。
（2）掌握及计算应变式荷重传感器 测力和荷重（称重）传感器很大一部分是采用应变式荷重传感器。
荷重传感器的输出电压U o 的计算：生产厂家一般均给出荷重传感器的灵敏度K F 。
设荷重传感器的满量程为F m ，桥路电压为U i ，满量程时的输出电压为U om ，则K F 被定义为iomU U K F =（2-3） 由于U o 往往是mV 数量级，而U i 往往是V 级（10V 左右），所以荷重传感器的灵敏度以mV/V 为单位。
mom o F FU U = （2-4） ++- -Uo R1 R4 U i R2 R3 R5 Rp将式（2-3）代入式（2-4）可得到在被测荷重为F 时的输出电压U oi o om m mF K U FU U F F F == （2-9） 例：现用图所示的荷重传感器称重。
当桥路电压为6V 时，测得桥路的输出电压为24mV ，求被测荷重为多少吨。
解 ： 从图所示的荷重传感器铭牌上得F m=100⨯103N ，KF = 2mV/V 因得出U om=24mV 。
则被测荷重（3）简介应变式扭矩（转矩）传感器。
（4）简介应变式加速度传感器。
F=ma（5）掌握固态压阻式传感器工作原理利用半导体的压阻效应和集成电路工艺制成的传感器，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快.没有可动部分。
同样受拉为正应变，受压为负应变。
内部隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。
（6）电阻应变仪从应变仪的用途 静态应变仪 动态应变仪 静态应变仪：用来测量不随时间而变化或缓慢变化的静态应变，精度高,分辨率可达1um/mm 动态应变仪：用于动态测量，工作频率达0～20KHz ，采用动态特性、稳定性、线性度好的放大器来放大桥路输出的动态电压信号。
随着集成电路、数字显示电路的不断发展，能做到定时、定点切()3i 124o 1234() 2-34R U R R R U R R R R ∆∆∆∆=-+-333O 3F i 1001061012.510N 1.3t 21024m F U F K U --⨯⨯⨯===⨯=⨯⨯2266FL mLa Ebh Ebh ε==Q 26mL Ebh 梁确定后为常数aε∴∝换，测量数据自动修正、存储、显示和打印。
配上适当的接口，将数据传送给计算机。
电阻应变仪是利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用仪器，广泛用于应变、荷重、压力等机械量的测量。
电阻应变片接入测量电桥，电桥有音频振荡器提供的0.4—10KHz激荡信号供电，应变片的电阻变化经电桥后转换成载波电压的变化，其幅值较小需放大，放大后的电压信号经相敏检波器解调，最后经低通滤波器滤去残余高频和高次谐波，获得放大的动态应变信号。
[知识小结]:1、了解电位器式传感器的原理、测量转换电路及应用。
2、通过对应变效应、应变片的分类、应变片的性能指标，对应变式电阻传感器有初步的认识。
3、重点掌握应变式电阻传感器的测量转换电路—电桥电路的几种连接方法的计算及应用。
4、通过举例对几种应变式电阻式传感器的功能学习，能够对应变式传感器进行更好地应用[教学后记]:通过课堂习题的检验,作业的批改,第二堂课的提问,检验出学生对本节课的知识掌握良好,可以顺利地进行下一阶段的学习.[板书设计]:如下第二章电阻式传感器第一节电位式传感器一、原理二、测量转换电路三、应用第二节应变式电阻传感器知识小结。