应变片式电阻传感器的测量电路

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应变片式电阻传感器的测量电路

2.3应变片式传感器的测量电路电阻应变计可把机械量变化转换成电阻变化，但电阻变化是很小的，用一般的电子仪表很难直接检测。

例如，常规的金属应变计的灵敏系数k 值在1.8~4.8之间，机械应变在10~6000με之间，相对变化电阻/R R k ε∆=就比较小。

例1设某被测件在额定载荷下产生的应变为1000με，粘贴的应变计阻值120R =Ω，灵敏系数2k =，则其电阻的相对变化为6/21000100.002R R k ε-∆==⨯⨯=电阻变化率仅为0.2%。

这样小的电阻变化，必须用专门的电路才能测量。

测量电路把微弱的电阻变化转换为电压的变化，电桥电路就是这种转换的一种最常用的方法。

2.3.1应变电桥电桥电路即是惠斯通电桥，其结构如图所示。

四个阻抗臂1234,,,Z Z Z Z 以顺时针排列，AC 是电源端，工作电压为U ；BD 为输出端，输出电压为0U 。

在这个阻抗电桥的桥臂上接入应变计，就叫应变电桥。

应变电桥按不同的方式可分为不同的类型，主要有以下分类方式。

1按工作臂分单臂电桥：电桥的一个臂接入应变计。

双臂电桥：电桥的两个臂接入应变计。

全臂电桥：电桥的四个臂都接入应变计。

2按电源分按电源不同，可分为直流电桥和交流电桥。

图2.3.1 电桥电路的结构直流电桥的电源是直流电压，其桥臂只能接入阻性元件，主要用于应变电桥的输出，不需中间放大就可直接显示的情况。

例如半导体应变计的输出灵敏度高，可采用直流应变电桥作为测量电路，直接输出并显示结果。

交流电桥的电源是交流电压，其桥臂可以是阻性（R ）、感性（L ）或容性（C ）元件。

主要用于输出需放大的场合。

例如金属应变计的输出灵敏度较低，应采用这种交流应变电桥作为测量电路，以进一步放大输出。

3按工作方式分按工作方式不同，可分为平衡桥式电路和不平衡桥式电路。

平衡桥式电路又叫零位测量法，它带有调整桥臂平衡的伺服反馈机构，当仪表指示测量值时，电桥处于平衡状态。

零位测量法常用于高精度、长时间的静态应变测量。

电阻应变式传感器的测量电路

图1 电子秤平剖图1 台面壳体２均压框架３电阻应变片４弹性体５补偿电阻６可调支撑脚７底座如图１所示，底座通过贴有电阻应变片的双孔型等强度弹性体梁与均压框架相接，均压框架用螺钉与壳体相联。

弹性体是应变式力传感器将力转换为应变量的关键部件。

研究结果表明，双孔梁弹性体按刚架计算比按平行梁计算精确，而且桥路输出和载荷之间的线形好、灵敏度高。

非线性和灵敏度与竖梁的长度和刚度无关。

由于采用陶材料设计制作弹性梁，其灵敏度结构系数不仅取决于弹性体结构形式和应变区的选择，而且和陶瓷材料的微结构、质量及机械强度等因素密切相关。

为此，进行了双孔梁的应力分析、抗冲击载荷分析、额定载荷计量等，并用计算机进行了有限元分析。

经模拟验证分析，选用图1a所示的双孔梁结构形式。

该梁的应力分布均匀对称，其应力最大点在弹性梁的最薄偏离两端处。

根据图1a所示的结构形式：ε＝M／W．E （1）式中：ε为应变量；M为弯矩；W为抗弯模数；E为弹性模量。

对于这类应变式弹性体上的全等臂电桥，其输出电压V0和桥压Vi有如下关系：V 0＝GF．ε．Vi（2）式中：GF为应变电阻的应变系数。

将式（1）代入式（2），可得：V 0＝GF．M．Vi／W．E （3）对于矩形截面，W＝1／6b．h2式中：b为弹性体承载面宽度；h为弹性体承载梁厚度。

由A—A剖面分析，负荷F必须由一对剪力F／2与之平衡。

若取一应变电阻进行分析，F／2对应变电阻中心点的弯距为M：M＝F（L／2－X）／2 （4）以式（4）代入式（3），可得：V 0＝3F（L／2－X）GF．Vi／b．h2．E （5）由式（5）可见，双孔梁的桥路输出和载荷F之间具有良好的线形，而且灵敏度高。

)(434211R R R R R R E +-+=))((43214231R R R R R R R R E ++-•电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。

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

《电阻应变式传感器》课件

薄膜电阻应变式传感器利用薄膜材料制作，具有高灵敏度、低热误差等特点；微型电阻应变式传感器则具有体积小、重量轻、易于集成等优点，常用于微机电系统等领域。
03
电阻应变式传感器的测量电路
直流电桥测量电路
优点
简单、可靠、稳定性好。
缺点
对温度变化敏感，需要采取温度补偿措施。
交流电桥测量电路
优点
对直流电源的稳定性要求较低，可以减小电源波动对测量结果的影响。
在工业生产过程中，电阻应变式压力传感器被广泛应用于压力控制、流量控制等场合，如气瓶压力监测、管道压力监测等。
汽车行业
汽车发动机、气瓶、刹车系统等都需要用到压力传感器，来监测和控制各种气体和液体的压力。
位移传感器的应用实例
自动化生产线
在自动化生产线上，位移传感器被用来检测和控制系统中的物体位置，如机器人手臂的定位、传送带的物体位置检测等。
电阻应变式传感器
目录
• 电阻应变式传感器简介 • 电阻应变式传感器的类型与特性 • 电阻应变式传感器的测量电路 • 电阻应变式传感器的误差来源与补偿方法 • 电阻应变式传感器的应用实例
01
电阻应变式传感器简介
定义与工作原理
定义
电阻应变式传感器是一种将应变转换为电阻变化的传感器，通过测量电阻的变化来测量受力状态。
总结词
半导体应变式传感器具有高灵敏度、低温度系数和良好的线性等优点。
详细描述
半导体应变式传感器利用半导体的压阻效应，即当半导体受到外力作用时，其电阻值会发生变化。这种传感器常用于测量加速度、压力和振动等物理量。
陶瓷电阻应变式传感器
总结词
陶瓷电阻应变式传感器具有耐高温、耐腐蚀、高绝缘性和良好的稳定性等特点。

应变片式传感器-习题

2 ，
， 3 0 ， 4 0
1 R 1 U U K U sr 电桥输出 sc sr 2 R 2
▲若R1，R２产生ΔR的绝对值相等，符号相同时，即 1 , 2 则Usc=0，电桥无输出，两工作臂的作用互相抵消。 22
③四臂工作
此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件③。在某些测试条件 16 下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。
若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2 不承受应变。故由前式可得输出电压为
根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。
13
测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。
R2 R1
补偿应变片粘贴示意图
14
当被测试件不承受应变时， R1 和 R2 处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即
U SC AR1R4 R2 R3 0
20
上式为电桥加减特性表达式。
电桥输出公式讨论： ①单臂工作只有一只电阻 R 产生ΔR 变化时，电桥输出电压
U sc 1 R 1 U sr K U sr 4 R 4
21
②双臂工作 ▲设R1产生正ΔR 的变化，R２产生负ΔR的变化，且变化的绝对值相等；即 1 ，
l R S
两边取对数，得
ln R ln ln l ln S
等式两边取微分，得
dR d dl dS R l S

第2章电阻应变式传感器

2
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.

应变电阻式传感器

tk
0.8
l0 v
(3-17)
式中： l0——应变片基长； v——应变波速。
若取l0=20mm， v=5000 m/s，则tk=3.2×10-6 s。
第3章应变式传感器
3.4 电阻应变片的测量电路
电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路可以分为直流电桥或交流电桥。桥的作用：将应变片产生的应变而引起的电阻变化量 △R转换成电压变化量 △mV或电流变化量 △I 输出。
第3章应变式传感器
3.3 电阻应变片的特性
弹性敏感元件 +电阻应变片⇒ 电阻应变式传感器 3.3.1
物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性元件的基本特性有：
第3章应变式传感器
3.4.1
1. 直流电桥平衡条件电桥电路如图3-9所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及 R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。当RL→∞时，电桥输出电压为
Uo
E
R1 R1 R2
R3 R3 R4
（3-34）
第3章应变式传感器
R1 A
R3
B
Io
R2
C
R4 D
＋
RL Uo －
对变化ΔR/R。理论和实验表明，在一定应变范围内ΔR/R与εt的
R R
Kt
式中， εt为应变片的轴向应变。
（3-16）

电阻应变式传感器实验

③ 用实验仪音频振荡器输出频率为 5KHZ/2Vp-p激励电压，必须从LV插口输出，作为交流电桥供桥电压。
④ 用示波器的“CH1”接相敏检波器的调制信号输入端“4”，“CH2”接相敏检波器的载波信号输入端“5”，调整移相器，使其两信号的波形同相，若此时系统输出不为零，重新反复调整w1,w2及移相器，以确保系统输出为零，且移相器的输出与相敏检波器的输入信号同相。
R1 R2 R3 R4
R5
RX
R6
R7
RW1
RW2
C
2）差分放大器电路单元
差动放大器也是一个电路模块，它是由集成运算放大器组成的增益可调的交直流放大器。可以接成同向、反相放大器，增益可达1～100倍。差动放大器就其功能来说，是放大两个输入信号之差。由于它在电路和性能方面有着许多的优点，因此成为集成运放的主要组成单元。此差动放大器模块主要由运放OP-07组成，它的电路原理如图所示：
3、电阻应变式传感器的用途与特点
主要用于：能转化成形变的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。其主要特点是：① 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；② 灵敏度高，频率
响应特性好，适合于静态、动态测量. ③ 环境适应性好，应用领域广泛。
⑤在应变传感器的托盘上放置一只砝码（20克），读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显表值，直到160-200g砝码加完。记下实验结果填入表，关闭电源。
⑥ 根据实验测量结果，计算出全桥灵敏度S，并作出V—X关系曲线。
重量交流全桥（克）
20 40 60 100 120 140 160 180 200
弹
应
性
变

实验一--应变式传感器

实验一应变式传感器一、应变片单臂电桥性能实验〔一〕、实验目的：了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路。

〔二〕、基本原理：电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成。

一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。

此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将弹性元件的变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出。

它可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测，如力、压力、加速度、力矩、重量等，在机械加工、计量、建筑测量等行业应用十分广泛。

1、应变片的电阻应变效应所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

以圆柱形导体为例：设其长为：L、半径为r、材料的电阻率为ρ时，根据电阻的定义式得〔1—1〕当导体因某种原因产生应变时，其长度L、截面积A和电阻率ρ的变化为dL、dA、dρ相应的电阻变化为dR。

对式〔1—1〕全微分得电阻变化率 dR/R为：〔1—2〕式中：dL/L为导体的轴向应变量εL; dr/r为导体的横向应变量εr由材料力学得：εL= - μεr (1—3)式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为左右；负号表示两者的变化方向相反。

将式〔1—3〕代入式〔1—2〕得：〔1—4〕式〔1—4〕说明电阻应变效应主要取决于它的几何应变〔几何效应〕和本身特有的导电性能〔压阻效应〕。

2、应变灵敏度它是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取〔1—5〕其灵敏度系数为：K=金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。

金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；dR/R<≈dρ⁄ρ。

电阻应变式传感器

电阻应变式传感器
三、电阻应变片的测量电路及温度补偿
（一）测量电路
应变片把机械应变转化为有对应关系的电阻变化后，需要将电阻的变化转换为电压或电流的变化。由于应变量非常小，通常采用测量电桥，将微小的电阻变化转化为电压或电流的变化。根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。电桥的一般形式如图1-7所示。
R
（1-5）
电阻应变式传感器
k0
1 2
/
，其中k0为电阻丝的灵敏系数，即单位应变所引
起的电阻的相对变化。通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝
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量。
k0
1
2
/
可知，电阻丝的灵敏系数受两个因素的影响：
一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ，对某种材料来说
，它是一个常数；另一个是 / ，它是由电阻丝电阻率的改变而引
起的。
/
（1）对于金属材料，是常数，并且比1+2μ小很多，往往可
以忽略不计，故 k0 1 2 。
电阻应变式传感器
（2）对于半导体材料，(dρ/ρ)/ε 的值比1+2μ大得多，电阻丝
的灵敏系数主要由电阻率相对变化所决定。（3）大量实验也表明，在金属电阻丝拉伸比例极限内，电阻
相对变化与轴向应变成正比。通常，金属丝的灵敏系数k0为2左右，不超过4~5，半导体应变片的灵敏系数为100~200。
半导体应变片的灵敏系数比金属电阻丝式应变片高几十倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。
电阻应变式传感器
二、电阻应变片的结构和特性 1. 应变片的分类与结构

应变片的测量电路

A
R2
R3
R4
R1
C
B
D
桥压
U 输出
I12
I34
惠斯登电桥测量原理
电路桥臂组成应变片+固定电阻元件 A,C: 电桥输入端 B,D: 电桥输出端
电桥供电分直流、交流两种早期由于直流放大器的漂移大、线性差，故大多采用交流电桥配交流放大器。现在由于新一代（如斩波稳零集成运放ICL7650)的直流运放完全克服了早期直流放大器的弱点，现在放大器大多采用直流电桥。直流电桥和交流电桥的基本原理是相同的。为了叙述方便，下面先分析直，有：因为P=P1=P2，M1=-M2，所以有：采用全桥接法，既排除载荷偏心的影响，又使输出电压提高二倍
01
单击此处添加小标题
02
单击此处添加小标题
03
单击此处添加小标题
04
单击此处添加小标题
”
τ
单击此处添加小标题
将得到的应变值除4计算求得到Mr。
控制惠斯登电桥性态的关系式
对于应变电桥
等臂电桥: 各个桥臂初始阻值相等半等臂电桥: R1=R2=R’, R3=R4=R’’ , R’ 与R’’不相等.
电桥输入电压恒定时,输出电压与桥臂电阻变化率之间的关系
非线性误差分析令
非线性部分
PART 1
若略去U2,则引入非线性误差,此相对误差：
全臂电桥(同一批四个工作片)
用于以应变片为传感元件的传感器提高灵敏度,提高线性度,消除温度效应四个工作片充当温度补偿片，即承受机械变形，又受环境温度的影响。
电桥灵敏度
R1 ,R4 R2, R3工作片；同时起到温度补偿如果相临两个应变片承受大小相等/方向相反的应变:输出电压
对臂电桥(两个工作片)

传感器章节习题答案10

C1 传感器基础1 什么是传感器？传感器的基本组成包括哪两个部分？这两个部分各起什么作用？答：传感器是一种能把特定被测量的信息按一定规律转换成某种可用信号并输出的器件或装置。

传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件能直接感受或响应被测量；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号。

2简述传感器在自动控制系统中的作用。

答：自动控制系统中传感器的主要作用是将被测非电量转换成与其成一定关系的电量，它是自动控制系统的“感官”、“触角”，自动控制系统通过传感器检测到的信息实现对系统的控制。

因此，传感器是自动控制系统中得首要部件，是实现现代化测量和自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，它对于决定自动控制系统的性能起着重要作用。

3传感器有哪些基本特性？答：传感器的基本特性通常可以分为静态特性和动态特性。

静态特性是指输入的被测量不随时间变化或随时间缓慢变化时表现的特性。

表征传感器静态特性的主要参数有线性度、灵敏度、分辨力和迟滞、重复性；动态特性是指传感器跟踪输入信号变化的特性，表征传感器动态特性的主要参数有响应速度、频率响应。

4简述传感器的发展方向答：1)．新材料的开发与应用在原有的半导体、陶瓷材料等基础上，利用新的制造材料来提升传感器性能，提高传感器的产品质量，降低生产成本。

2)．新制造技术的应用采用精密细微加工技术、蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封接技术、全固态封接技术，应用使传感器集成化、超小型化。

3)．新型传感器的开发利用新的物理效应、化学效应、生物效应开发出相应的新型传感器，从而为提高传感器的性能，拓展传感器的应用范围提供了新的动力。

4)．传感器的集成化利用集成技术，将敏感元件、测量电路、放大电路、补偿电路、运算电路等制作在同一芯片上，使传感器体积小、质量轻、生产自动化程度高、制造成本低、稳定性和可靠性高、电路设计简单、安装调试时间短。

5)．传感器的智能化开发具有自补偿、自诊断、自校正及数据的自存储和分析等功能的智能传感器。

应变片式电阻传感器实验报告

应变片式电阻传感器实验报告
一、实验目的
本次实验的主要目的是通过对应变片式电阻传感器的实验研究，掌握其工作原理以及应用技术，进一步加深对电阻传感器的了解和掌握。

二、实验原理
应变片式电阻传感器是一种利用应变片电阻变化来检测物体变形的传感器。

当物体受到外力作用时，会发生应变，应变片的电阻值也会相应地发生变化。

通过利用测量电桥的原理，可以精确地检测出应变片的电阻值变化，从而得到物体受力情况的参数。

三、实验步骤
1.将应变片式电阻传感器连接到电桥电路上，调整电压和电流的大小。

2.将被测物体放在应变片式电阻传感器上，施加不同大小的外力，记录下应变片电阻值的变化。

3.根据实验数据，进行数据分析和处理，得到物体受力情况的参数。

四、实验结果
通过实验数据的采集和处理，我们得到了物体受力情况的各项参数。

实验结果表明，应变片式电阻传感器具有高灵敏度、高精度、高可靠性等优点，在物体受力测试和工业自动化控制领域有着广泛的应
用前景。

五、实验结论
本次实验通过对应变片式电阻传感器的研究和测试，我们了解了其工作原理和应用技术，掌握了其在物体受力测试和工业自动化控制领域的应用前景。

同时，我们也发现了一些问题和不足之处，需要进一步加以完善和改进。

六、实验心得
本次实验让我更加深入地了解了电阻传感器的工作原理和应用技术，同时也提高了我的实验操作能力和数据处理能力。

通过本次实验，我也发现了一些需要进一步改进和完善的地方，希望能在今后的学习和实践中继续加以改进和提高。

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

传感器题库

1、通常希望传感器的输入和输出之间具有一一对应关系，这样的传感器才能如实反映待测的信息。

16 在规定条件下，传感器校准曲线与拟合曲线间最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度。

15、传感器就是通过敏感元件、传感元件和电子线路把非电生物信息转化成电学量的装置17、电阻应变片式传感器测量电路采用差动电桥时，不仅可以温度补偿，同时还能起到提高测量灵敏度的作用。

2、直流电桥的补偿包括零位补偿、温漂补偿、非线性补偿、灵敏度温漂补偿。

2、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，这种现象称应变效应；固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。

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，这种现象称为横向效应。

16、在传感器测量电路中，应用电桥测量线路把电阻变化转化成电流或电压变化的线路。

20、电阻应变效应是指在一定的范围内，拉伸金属导体，金属导体的电阻变化和应变成正比。

电容传感器的输入被测量与输出被测量间的关系，除（①变面积型②变极距型③变介电常数型）外是线性的。

空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器3、一般电容式传感器可分为三种类型变面积型，变介质介电常数型，变极板间距型5、电容式传感器根据其组成原理分为变面积型、变极距型和变介质型。

21、电容式传感器根据其组成原理分为变面积型、变极距型和变介质型。

17、自感式传感器是利用位移的变化使线圈的自感量发生变化的一种机电转换装置14、电涡流式传感器可以测量位移、厚度、加速度等物理量，其本身不与被测对象接触，适于生理测量工作。

25、正压电效应是将压力变化转换为电变化，这种传感器称为非谐振式压电传感器。

4、压电元件测量电路采用前置放大器的目的是：把压电式传感器的高输出阻抗换成低阻抗输出、放大压电式传感器输出的弱信号目前常用的前置放大器有电压放大器，电荷放大器两种。

电阻应变片传感器灵敏度的测量

电阻应变片传感器灵敏度的测量1．了解电阻应变片传感器的转换原理；2．掌握电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；3．利用电阻应变片直流电桥测量传感器的电压输出灵敏度．电阻应变片直流电桥的工作原理和特性；讲授、讨论、实验演示相结合。

3个学时一、前言在众多的传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来实现电测非电量目的的，它们统称为电阻式传感器．由于各种电阻材料受被测量(如位移、应变、压力、温度、加速度等)作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而电阻式传感器的种类多且应用范围广．其中常用的就是利用某些金属或半导体材料制成的电阻应变片传感器，它是一种力敏传感器．二、实验仪器直流稳压电源±4V，金属箔式电阻应变片（两片、两片）、直流平衡电位器WD，平行式单臂悬臂梁、砝码、差动放大器直流电源开关、差动放大器和数字电压表．三、实验原理1、应变片的转换原理电阻应变片传感器由粘贴了电阻应变敏感元件的弹性元件和变换测量电路成．被测力学量作用在一定形状的弹性元件上（如悬臂梁等）使之产生变形．这时，粘贴在其上的电阻应变敏感元件将力学量引起的形变转化为自身电阻值的变化，再由变换测量电路将电阻的变化转化为电压变化后输出．工程中使用最多的电阻应变敏感元件是金属箔或半导体电阻应变片．考查一段圆截面的导体（金属丝），图1，设其长为L，截面积为A（直径为D），原始电阻为RR = ρL/A （1）式中，ρ为金属丝的电阻率．当金属丝受到轴向力F而被拉伸（或压缩）产生形变，其电阻值会随之变化．通过对（1）式两边取对数后再取全微分得：dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ(2)式中dR/R =ε为材料轴向线应变，且dA/ A=2 dD/ D．根据材料力学，在金属丝单向受力状态下，dD /D=-µdL/ L （3）式中µ为导体材料的泊松比．因此，有dR/ R =(1+ 2μ) dL/ L+ dρ/ρ(4)实验发现，金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变化间的关系为dρ/ρ=c dV/ V （5）式中，c为常数（由一定的材料和加工方式决定），dV / V= dL/ L+dA/ A=(1- 2µ)ε .将式（5）代入（4），且当△R<<R时，可得∆ R/ R =[( 1+2μ)+ c( 1-2μ)]ε=Kε（6）式中，K = (1+ 2μ) + c(1- 2μ)为金属丝材料的应变灵敏系数．上式表明，金属材料电阻的相对变化与其线应变成正比．这就是金属材料的应变电阻效应．2．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 =UBC+UCD=UO[R3/(R3+R4)-R2/(R1+R2)] （7）由式（7）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．当供桥电压一定且△R i<<R i时，d U=(∂ U/∂R1) d R1+(∂ U/∂R2) dR2+(∂ U/∂R3) dR3+(∂ U/∂R4) dR4(8)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)（9）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)（10）式（10）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），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（10）变为∆ U=0.25 U O (∆ R / R)= 0.25 U O Kε（11）（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（10）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（10）可得∆ U=2[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=2 [ 0.25 U O Kε] (12)（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（10）变为∆ U=4[ 0.25 U O (∆ R / R) ]=4 [ 0.25 U O Kε] (13)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) (14) 令 n=(∆ R1 / R1- ∆ R2 / R2+ ∆ R3 / R3- ∆ R4 / R4)/ (∆ R/ R) (15)则S u=0.25n U O (16)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．四、实验内容与步骤1．金属箔电阻应变片传感器单臂电桥灵敏度测量（1）熟悉各部件配置、功能、使用方法、操作注意事项和附录等；（2）开启仪器及放大器电源，放大器输出调零（输入端对地短路，输出端接电压表，增益旋钮顺时针方向轻旋到底，旋转调零旋钮使输出为零．）；（3）调零后电位器位置不要变化，并关闭仪器电源；（4）按图5 将实验部件用实验线连接成测试单臂桥路．桥路中R2，R3，R4为电桥中固定电阻，WD 为直流平衡调节电位器，R1为工作臂应变片（受力符号↕），直流激励电源为±4V．（5）确认接线无误后开启仪器及放大器电源，同时预热数分钟．调整电桥WD电位器，使测试系统输出为零；（6）在载物平台上加标准砝码，每加一个记录一个放大器输出电压值，并列表：（7）利用最小二乘法计算单臂电桥电压输出灵敏度S，S = ΔV/Δm，并做出V～m 关系曲线．（8）改变应变桥，接成半桥、全桥，照（4）、（5）、（6）和（7）的方法分别测量；（9）比较三种应变桥的灵敏度，并做出定性的结论．五、数据表格及数据处理1．数据表格(1)单臂电桥质量m（g）电压（v）(2)半桥质量m（g）电压（v）(2)全桥质量m（g）电压（v）2．利用最小二乘法计算单臂电桥、半桥和全桥的电压输出灵敏度S，S =ΔV/Δm，并做出V～m 关系六、注意事项1．实验前应检查实验接插线是否完好，连接电路时应尽量使用较短的接插线，以避免引入干扰．2．接插线插入插孔时轻轻地做一小角度的转动，以保证接触良好，拔出时也轻轻地转动一下拔出，切记用力拉扯接插线尾部，以免造成内部导线断裂．3．稳压电源不能对地短路．4．应变片接入电桥时注意其受力方向．要接成差动形式．5．直流激励电压不能过大，以免造成应变片自然损坏．七、教学后记1、本实验关键是实验原理的理解和实验电路图的连接。

应变片式电阻传感器实验报告

应变片式电阻传感器实验报告
一、实验目的
本次实验的目的是通过实验了解应变片式电阻传感器的工作原理和使用方法，掌握应变片式电阻传感器的基本特性和应用场景。

二、实验原理
应变片式电阻传感器是一种基于电阻变化的传感器，其工作原理是利用应变片的应变变化引起电阻值的变化，从而实现对应变片所受应变的测量。

应变片式电阻传感器的特点是精度高、响应速度快、可靠性好、使用寿命长等。

三、实验步骤
1.将应变片式电阻传感器连接到电路板上，并连接电源和万用表。

2.通过手动施加外力，使应变片受到应变，记录下此时的电阻值。

3.重复以上步骤，记录不同应变下的电阻值。

4.根据实验数据，绘制应变-电阻曲线图。

四、实验结果
通过实验，我们得到了应变-电阻曲线图，可以看出应变片式电阻传
感器的电阻值随着应变的增加而增加，呈现出线性关系。

同时，我们还发现应变片式电阻传感器的响应速度很快，精度高，可以满足很多实际应用场景的需求。

五、实验结论
应变片式电阻传感器是一种精度高、响应速度快、可靠性好、使用寿命长的传感器，可以广泛应用于工业自动化、机器人控制、航空航天等领域。

通过本次实验，我们深入了解了应变片式电阻传感器的工作原理和特性，为今后的实际应用提供了基础。

六、实验心得
通过本次实验，我深刻认识到了应变片式电阻传感器的重要性和应用价值，同时也掌握了应变片式电阻传感器的基本使用方法和实验技巧。

在今后的学习和工作中，我将更加注重实践操作，不断提高自己的实验能力和技术水平。

第3章电阻式传感器

通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量通过应力变化，并转换为电阻的变化进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。
3. 主要特性（1）应变片灵敏系数 k
k0 表征金属丝的灵敏系数，但金属丝做成应变片后，电阻应变特征与单根金属丝不同。实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做成应变片以后灵敏系数与k0不同，必须重新标定。通常采用实验的方法，按统一的标准，如受单向力拉力或压力，试件材料为钢，箔松系数μ=0.285；取成品的 5% 进行测定，取平均值做产品的灵敏系数，称标称灵敏系数k ，即产品出厂时标注的灵敏系数。实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即k＜k0 如果实际应用与标定条件不同时，k 误差较大需要修正。
• • •
（2）横向效应

直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。
实际应变变化 ε = ΔL/L 比拉直了看要小，可见直线的电阻丝作成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。
☻ 园弧部分使灵敏系数 k0↓下降，这种现象
称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长，横向效应越小。
R3 R1 R1 U0 E R R R R R R 1 2 2 3 4 1
按等臂电桥：
R3 R1 R1 U0 E R1 R1 R 2 R 2 R3 R 4
R 2 / R1 R 4 / R 3
n R 2 / R1
U0 E
n ( R1 / R1 ) (1 R1 / R1 n ) 1 n
• 由于 R 1 R 1 ，忽略分母中 R1 / R1 • 电桥输出电压可近似为电桥输出的电压灵敏度为

应变片式电阻传感器的测量电路