项目二 任务一 电阻应变片式传感器在简易电子秤中的应用

F AE
AE R K0 R
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（2-9）
由此可知，试件受力 F 正比于电阻值的相对变化量变化Δ R/R。在应变 片的灵敏度 K0 和试件的横截面积 A 以及弹性模量 E 均已知的情况下，只要 测得Δ R/R 的数值，既可以得到试件所受的应力 F 的数值。
3.电阻应变片的种类结构 电阻应变片种类繁多，形式多样，但常用的应变片可分为两类:金属电 阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片根据敏感栅分为丝式、箔 式和薄膜式三种，如图 2-4 所示。 金属丝式应变片使用最早，有纸基和胶基之分。金属丝式应变片由于 蠕变较大,逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。 箔式应变片的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚 度一般在 0.003～0.01mm） 。材料多为电阻率较高，热稳定性好的铜镍合金 （康铜） 。金属箔式应变片的线栅的尺寸正确、 线条均匀，可根据需要制 成任意形状的箔式应变片和微型小基长（如基长为 0.1 mm）的应变片，敏 感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 便于批量生产, 生产效率高。 薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄的绝缘基片上蒸 镀金属电阻薄膜 （厚度在零点几纳米到几百纳米） , 再加上保护层制成。 其 优点是灵敏度高 , 允许通过的电流密度大 , 工作温度范围广 , 可工作于 -197～317°C, 也可用于核辐射等特殊情况下。 半导体电阻应变片则是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅，灵敏度较 大，机械滞后小、频率响应快，电阻值变化范围较宽，容易小型化；但是 热稳定性差，测量误差较大。
四．任务评价
自评、互评、教师讲评。
五、 任务拓展（本次任务完成的同学可先行考虑）
1.本训练所需设备 应变式传感器实验模块 （电阻应变片式传感器已安装在实验模块上） ， 砝码、THSRZ-2 传感器实验台。 2.训练步骤 （1） 重复上一个训练的前 3 步，分别完成差动放大电路调零、直流电桥 接线和直流电桥调零。 （2）将 10 只砝码置于传感器的托盘上，调节电位器 Rw3（原为满量程时 的增益） ，使数显电压表显示为 0.200V（2V 档测量） 。 检查 评价 巩固 提高
o
Io R5 R2 C R4 RL Uo
RL
Uo
Ui
o
(a)基本测量电路
（b）调零测量电路
图 2-5 直流电桥测量电路 在实际测量中，将电桥的桥臂由应变片来替代，微小应变引起微小 电阻的变化， 电桥则输出不平衡电压的微小变化。 一般直流电桥的输出需 要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多， 所以此时仍视电桥为开路情况。 为了获得最大的电桥输出， 常采用全等臂 电桥（R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =R ） 。当受应变时，若应变片电阻变化为△R1、△
图 2-15 直流电桥（全桥）接线图 （3）直流电桥调零。
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在悬臂梁一端加上托盘， 并且将直流电桥输出接到差动放大电路的输入 端 Ui，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节 Rw1 使 电压表显示为零。 （4） 在托盘上放置一只砝码 （20g） ， 读取数显表数值， 并记录表 2-1 中， 依次增加砝码和读取相应的数显表电压值，直到 10 个砝码即 200g 砝码加 完。 表 2-1 砝码重量和电阻应变式实验模块输出电压关系 重量(g) 电压(mV) （5）实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。
课外作业
1． 完成技能训练。 2. 完成拓展练习。
教学后记
-1-
教学 程序
安全 规范
教学内容
★ 课前整理：
实验室安全规范化管理按照 7S 管理要求进行，强调仪容仪表、职业着 装规范、安全、实训卫生等。
师生活动
教师发出指令； 学生 7S 整理。
讲授 新课
一、项目任务描述
现在的电子秤常采用将电阻应变片贴在敏感元件（悬臂梁）上，用于 检测物体的重量，如图2-1所示。利用电阻应变片和悬臂梁制成一个简易的 电子秤（称重小于1kg） ，通过调试和标定，能够对自己的个人物品（比如 手机、笔、本子、纸）等进行称重。
图 2-4 电阻应变片 1-焊接电极 4．电阻应变片的测量转换电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变
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2-基底
3-半导体
化直接使用欧姆表测量出来非常困难。因此要把电阻相对的变化△R/R 测量出来需要设计专用的测量电路，通常我们采用不平衡电桥的测量 微小的电阻值变化。 直流电桥的基本形式如图 2-5（a）所示。R1，R2，R3，R4 称为电桥 的桥臂，RL 为其负载（可以是测量仪表内阻或其它负载） 。 当 RL→∞（开路）时,电桥的输出电压 U 0 应为：
R R / R K 0 或K 0 R
（2-8）
式（2-8）表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系，从而可 以通过测量电阻的变化，得知金属材料应变的大小。
2.电阻应变片的测量原理 实际应用时，通常将电阻丝做成电阻应变片后用于测量机械应变。以 电阻丝应变片为例，图 2-3 所示的是电阻丝应变片的结构示意图。将金属 电阻丝排列成栅网状粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，电阻丝两端 焊有引出线，使它们变成一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。图 中电阻丝应变片的有效工作部分，称为敏感栅，L 为敏感栅的长度，b 为敏 感栅的宽度。
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单臂电桥就是将电桥中的一个桥臂用应变片来代替，其余三个桥臂 为固定电阻，如图 2-6（a）所示。假设 R1 为应变片，则应变片受力后产生 的电阻变化量为 ΔR1，则电桥的输出电压为
1 R1 U0 Ui 4 R1
（2-13）
将两个应变相反的应变片（即一个应变片受拉，一个受压，应变符号 相反）接入电桥的相邻臂上，其余两个桥臂为固定电阻，如图 2-6（b）所 示，称为双臂电桥或者半桥。若图中 ΔR1=-ΔR2， R1=R2，该电桥输出电压 U0 为：
B R 1 +Δ R 1 A R3 D
o
Io R2 C R4 RL Uo R1&# RL Uo R1+ΔR1 A R3-ΔR3
B
Io R2-ΔR2 C R4+ΔR4 RL Uo
D
o o
D
o o
Ui
Ui
Ui
o
(a)单臂电桥
（b）双臂电桥 图 2-6 电桥测量电路
U0 Ui (
R3 R1 ) R1 R2 R3 R 4
（2-10）
当电桥平衡时，U 0 =0，由上式可得到： R 1 ˙ R 4 = R 2 ˙ R 3 或 R1/R2=R3/R4 式（2-11）称为电桥平衡条件。
B R1 A R3 D
o
（2-11）
Io R2 C R4
o
B R1 A RP R3 D Ui
公开课教案
项目二 任务一
项目名称 授 课 时 间
电阻应变片式传感器在简易电子秤中的应用
授课教师
理实一体化
授课 班级
1、 了解电阻应变片的结构与分类。
授课 类型
课 时
2
教学目标
2、 掌握电阻应变片的工作原理 3、 理解直流电桥的性能。 4、掌握测量直流电桥的调零方法和电子秤的标定。
教学重点
1. 掌握电阻应变片的测量原理 2. 学会简易电子秤的标定 1. 了解电阻应变片的粘贴方式。
R (1 2 ) R R K 0 R (1 2 )
（2-6） （2-7）
上式中 K0 称为金属电阻丝的灵敏度，其物理意义是单位应变所引起的 电阻相对变化。灵敏度受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变 化，即（1+2μ ） ；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即
确定工作任务
二、知识链接
1.应变效应 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变 形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称 为应变效应。 未受力之前的金属电阻丝的电阻 R 为：
教师讲授， 通过实 物或多媒体演示
R
L A
（2-1）
图 2-2 电阻应变效应示意图 故 或
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。由
于金属材料的 1+2μ ＞＞(∆ ρ /ρ )/ε ， 所以金属材料的灵敏度以受力后几 何尺寸的变化为主，不同的金属材料虽然灵敏度有所差异，但是一般都在 1～2 之间。而半导体材料则相反(∆ ρ /ρ )/ε ＞＞1+2μ ，即受力后电阻率 发生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。 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 K0 为常数。
R2、△R3 和△R4，当每个桥臂的电阻变化量△Ri《Ri 时，则电桥输出电压
U0
U i R1 R2 R3 R4 U i ( ) K (1 2 3 4 ) 4 R1 R2 R3 R4 4
(2-12)
实际应用时，R 1 、 R 2 、 R 3 和 R 4 不可能严格相等，所以在未受力时， 桥路的输出也不一定为零，因此一般测量电路均设有调零电路，如图 2-5 （b）所示。调节 Rp 可使电桥平衡，输出电压为零，图中的 R5 为限流电阻。 根据电桥工作的不同组合，可以分成 3 种工作方式：单臂电桥、双 臂电桥（半桥） 、全桥，如图 2-6 所示。
（c）全桥
三、任务实施
1. 本技能训练所需设备
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应变式传感器实验模块（电阻应变片式传感器已安装在实验模块 上），砝码、THSRZ-2 传感器实验台。 2．简易电子秤的工作原理 操作 训练 将四个金属箔式应变片分别贴在悬臂梁的上下两侧，在悬臂梁一端安 装上托盘，再将四个金属箔式应变片接入直流电桥，构成全桥模式，通过 差动放大电路输出。完成了直流电桥和差动放大电路的调零后可以开始砝 码的称重。 当被测重物放至到托盘上，悬臂梁式一段受到压力发生形变，应变片 随悬臂梁产生形变悬臂梁上侧的两个应变片被拉伸，下侧的两个应变片被 压缩，再将应变片电阻微小变化通过直流电桥转换成电压的微小变化。 3．训练步骤（实训仿真） （1）差动放大器调零。 从实验台的电压源接入± 15V 电源，检查无误后，合上实验台电源开关， 将差动放大电路的输入端 Ui 短接并与地短接， 输出端 Uo2 接数显电压表 （选 择 2V 档） 。将电位器 Rw3 调到增益最大位置（顺时针转到底） ，调节电位器 Rw4 使电压表显示为 0V。关闭实验台电源。 注意： Rw3、Rw4 的位置确定后不能改动。 （2）完成直流电桥的接线 拔掉差动放大器输入端的短接线，按图 2-15 连线，将悬臂梁上的四个 应变电阻（R1、R2、R3、R4）接入电桥构成一个全桥直流电桥。图中直流 电桥的直流电压由试验台的可调电压源接入。
教学难点
2. 学会差动放大电路调零和直流电桥调零。 3.学会简易电子秤测量标定。
教学设备 选用教材 教材内容 处理说明
天煌 THSRZ-2 型传感器实验装置
《传感器与检测技术》校本讲义 任玮主编 结合本校设备配置和本课程的教学目标设定要求，将项目中的内容整合，根据学 生情况灵活调整，使本课程教学更具可操作性，强化了理论联系实际，突出了在做中 学的理念，更切合专业人才培养的实际要求，着重培养了学生的自主探究及动手能力。
U0
U i R1 R2 R3 R4 R1 ( ) Ui 4 R1 R2 R3 R4 R1
(2-15)
由式（2-15）可知，全桥的输出灵敏度最高，是双臂电桥（半桥） 的两倍，单臂电桥的四倍。并且采用双臂电桥（半桥）和全桥的工作方式 可以实现温度补偿。在应变片实际使用时，除了应变会引起应变片电阻值 变化，温度的变化也会引起应变片电阻值的变化。采用双臂电桥（半桥） 或者全桥时，温度引起应变片的电阻值变化 ΔRt 相同，代入公式（2-12）后， 可以相互抵消，实现温度自补偿。
图 2-3 1—基片
电阻丝应变片的结构示意图
2—直径为 0.025mm 左右高电阻率的合金电阻丝 4—引线，用以和外接导线连接
3—覆盖层
用应变片测量试件的应变或应力时，将电阻应变片贴在试件表面，在 外力作用下，试件产生微小机械变形，应变片随其发生相同的变化，导致 应变片电阻也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量△R 时，便可得到 试件的应变值ε ，根据应力和应变的关系，得到应力值 F
1 R R 1 R U0 Ui ( 1 2 ) Ui 1 4 R1 R2 2 R1
（2-14）
如图 2-6（c）所示将四个桥臂都用应变片替换，且两个应变片受拉， 两个应变片受压，两个应变符号相同应变片的接入相对臂上，则构成全桥 电路。若满足△R1=-△R2=△R3=-△R4，R 1 =R 2 =R 3 =R 4 ， 则输出电压为：