2-1传感器与检测技术
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2014-8-25 16
三、测量转换电路——不平衡电桥
U i R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
2-3
2014-8-25
17
电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
调节RP，最终可以 使R1/R2=R4/R3（ R1、
R2是R1、R2并联RP后的
2014-8-25
50
投入式液位计外形（续）
橡胶 背压管 光柱 显示器
压阻式 固态压力 传感器
2014-8-25
51
投入式液位传感器
投入式液位传感
器安装方便，适应于
深度为 几米 至 几十
米，且混有 大 量 污 物、杂质的水或其他 液体的液位测量。
2014-8-25 52
投入式液位计液位的计算：
等效电阻），电桥趋于
平衡，Uo被预调到零位，
这一过程称为调零。图
中的R5是用于减小调节
范围的限流电阻。
2014-8-25
18
单臂电桥
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。
2014-8-25
19
双臂电桥
R1、 R2为应变 片， R3、R4为固定 电阻 。应变片R1 、 R2 感受到的应变 1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo 成倍地增大。
2014-8-25 20
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变 片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍 地增大。上述三种工作方式中， 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。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
汽车衡
2014-8-25
32
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
2014-8-25
33
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
K FU i F Uo U om F Fm Fm
高压进气口
绝对压力传感器
2014-8-25 47
小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
p1进气管
固态压力 传感器
p2进气管
2014-8-25 48
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管
表压压力传感器
2014-8-25
49
投入式液位计
压阻式固态压力传感器用于投入式液位计： p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用 硅油传导压力而与液体相通。
安装高度h0处水的表压
p1=gh1
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求水的深度。
2014-8-25
53
电阻应变仪
下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με； 分辨率： 1με；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120Ω或其他阻值； 测量点数：8/16点；
第二章
电阻传感器
本章学习电阻式传感器的原 理及应用，包括：电位器、电阻 应变片、测温热电阻、气敏电阻 及湿敏电阻等。
2014-8-25
1
第一节
电阻应变式传感器
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。
电阻应变式传感器主要由电阻应变 片及测量转换电路等组成。
敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，
动态响应快。
2014-8-25
44
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
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。
2014-8-25
45
压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理电路
2014-8-25
46
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
2014-8-25
6
二、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者 可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用 较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于 金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所 取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、 一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔 式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时 间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还 可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、 电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消， 从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变 式传感器中。
55
电阻应变仪（续）
2014-8-25
56
与计算机接口的多路电阻应变测量模块
2014-8-25
57
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
2014-8-25 58
第 一 节作业
P38，2、3
2014-8-25
59
休息一下
2014-8-25
60
2014-8-25
54
电阻应变仪（续）
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
右图所示的静动态 应变仪技术指标：
量程：1±10000με 频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3% 零点飘移： - /℃：±0.1με - /24小时：±0.5με
2014-8-25
灵敏度变化： - /℃：±0.05% - /24小时：±0.3% 信噪比：52dB
2014-8-25 7
箔式应变片的外形
2014-8-25
8
半导体应变片及金属 丝式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变片 外形
2014-8-25
9
应变片主要性能指标举例
上表中，哪几个型号是半导体应变片？ 依据是什么？
2014-8-25 10
应变片的粘贴：
1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴 力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或 脱脂棉球擦洗。
2014-8-25 23
应变式力传感器
应变式力传感器
F
F
F
2014-8-25
F
24
各种悬臂梁
2014-8-25
25
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
2014-8-25
电缆
26
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
2014-8-25
27
应变式荷重传感器的外形及 应变片的粘贴位置
F
R 2
R
4
R1
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个半导体应变
电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵
2014-8-25
2
一、工作原理应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
l l R 2 A r
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3
二、应变片的工作原理
设有一长度为、截面积为 A 、半径为 r 、电阻率 为的金属单丝，它的电阻值R可表示为
l l R 2 A r
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力） 时，上式中 、r 、 l都将发生变化，从而导致电阻值 R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、 r变小， 均导致 R变大；又如，某些半导体受拉时， 将变大 ，导致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是 线性的，即 R K x K—电阻应变片的灵敏度 2-1
2014-8-25 5
应变片用于测量力F的计算公式
由材料力学可知，x=F /（AE），所以R /R又 可表示为 R F
AE 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及 弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出R /R的数值 ，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤
的称重。
R
K
2-2
2014-8-25
R
4ຫໍສະໝຸດ Baidu
微应变(μ ε )
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左 右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时， 电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料 大几十倍。 在材料力学中，x =/称为电阻丝的轴向应变，也称 纵向应变，是量纲为1的数。 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导致断裂。
当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越 高，满量程输出电压Uom也越高。 思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
例2-2 现用图2-8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2-8所示的荷重传感器铭牌上得到F 3N，K = 2mV/V，根据式（2-5）得 =100 10 m F Uom=24mV。被测荷重
2014-8-25
13
4.焊接： 将引线和端子用 烙铁焊接起来，
注意不要把端子
扯断。
2014-8-25
14
5.固定： 焊接后用胶 布将引线和 被测对象固 定在一起，
防止损坏引
线和应变片。
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15
三、测量转换电路——不平衡电桥
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直 接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难， 且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为 100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2 的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2， 所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变 化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测 量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转 换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。
Fm U O 100 103 6 103 3 F 12.5 10 N 1.3t 3 KF Ui 2 10 24
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个 荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电
2014-8-25 11
2.贴片：在应变 片的表面和处理过的 粘贴表面上，各涂一 层均匀的粘贴胶 ， 用镊子将应变片放上 去，并调好位置，然 后盖上塑料薄膜，用 手指揉和滚压，排出 下面的气泡 。
2014-8-25
12
3.测量 ：从 分开的端子处， 预先用万用表测 量应变片的电阻， 发现端子折断和 坏的应变片。
2014-8-25 21
全桥的温度补偿原理
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，可以相互抵 消，所以全桥的温漂 较小；半桥也同样能 克服温漂。
2014-8-25 22
四、应变效应的应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应 变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将 应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量 转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用 应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一 般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量 转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于 被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接 从应变仪上读取被测试件的应变量。
压Uo =24mV， 请估算汽车的质量。
汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，
是否会影响测量结果？为什么？
荷重传感器用于构件 的称重
荷重传感器
（共 3个，120度分布，以达到 均衡目的，另两个未拍出）
垫块
底座
电缆
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
吊钩秤
三、测量转换电路——不平衡电桥
U i R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
2-3
2014-8-25
17
电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
调节RP，最终可以 使R1/R2=R4/R3（ R1、
R2是R1、R2并联RP后的
2014-8-25
50
投入式液位计外形（续）
橡胶 背压管 光柱 显示器
压阻式 固态压力 传感器
2014-8-25
51
投入式液位传感器
投入式液位传感
器安装方便，适应于
深度为 几米 至 几十
米，且混有 大 量 污 物、杂质的水或其他 液体的液位测量。
2014-8-25 52
投入式液位计液位的计算：
等效电阻），电桥趋于
平衡，Uo被预调到零位，
这一过程称为调零。图
中的R5是用于减小调节
范围的限流电阻。
2014-8-25
18
单臂电桥
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。
2014-8-25
19
双臂电桥
R1、 R2为应变 片， R3、R4为固定 电阻 。应变片R1 、 R2 感受到的应变 1~2以及产生的电 阻增量正负号相间， 可以使输出电压Uo 成倍地增大。
2014-8-25 20
四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片， 如果设法使试件受力后，应变 片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍 地增大。上述三种工作方式中， 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。采用全桥（或双 臂半桥）还能实现温度自补偿。
F
F
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
荷重传感器原理演示
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
汽车衡
2014-8-25
32
汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
2014-8-25
33
汽车衡称重系统
荷重传感器计算公式
K FU i F Uo U om F Fm Fm
高压进气口
绝对压力传感器
2014-8-25 47
小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
p1进气管
固态压力 传感器
p2进气管
2014-8-25 48
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管
表压压力传感器
2014-8-25
49
投入式液位计
压阻式固态压力传感器用于投入式液位计： p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用 硅油传导压力而与液体相通。
安装高度h0处水的表压
p1=gh1
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力 为98kPa，求水的深度。
2014-8-25
53
电阻应变仪
下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με； 分辨率： 1με；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120Ω或其他阻值； 测量点数：8/16点；
第二章
电阻传感器
本章学习电阻式传感器的原 理及应用，包括：电位器、电阻 应变片、测温热电阻、气敏电阻 及湿敏电阻等。
2014-8-25
1
第一节
电阻应变式传感器
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。
电阻应变式传感器主要由电阻应变 片及测量转换电路等组成。
敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，
动态响应快。
2014-8-25
44
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
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。
2014-8-25
45
压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理电路
2014-8-25
46
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
2014-8-25
6
二、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者 可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用 较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于 金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所 取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、 一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔 式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时 间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还 可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、 电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消， 从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变 式传感器中。
55
电阻应变仪（续）
2014-8-25
56
与计算机接口的多路电阻应变测量模块
2014-8-25
57
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
2014-8-25 58
第 一 节作业
P38，2、3
2014-8-25
59
休息一下
2014-8-25
60
2014-8-25
54
电阻应变仪（续）
（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
右图所示的静动态 应变仪技术指标：
量程：1±10000με 频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3% 零点飘移： - /℃：±0.1με - /24小时：±0.5με
2014-8-25
灵敏度变化： - /℃：±0.05% - /24小时：±0.3% 信噪比：52dB
2014-8-25 7
箔式应变片的外形
2014-8-25
8
半导体应变片及金属 丝式应变片的结构
金属丝式应变片的 内部结构
半导体应变片 外形
2014-8-25
9
应变片主要性能指标举例
上表中，哪几个型号是半导体应变片？ 依据是什么？
2014-8-25 10
应变片的粘贴：
1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴 力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或 脱脂棉球擦洗。
2014-8-25 23
应变式力传感器
应变式力传感器
F
F
F
2014-8-25
F
24
各种悬臂梁
2014-8-25
25
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
2014-8-25
电缆
26
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形
2014-8-25
27
应变式荷重传感器的外形及 应变片的粘贴位置
F
R 2
R
4
R1
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
便携式
应变式数显扭矩扳手
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个半导体应变
电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵
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2
一、工作原理应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
l l R 2 A r
2014-8-25
3
二、应变片的工作原理
设有一长度为、截面积为 A 、半径为 r 、电阻率 为的金属单丝，它的电阻值R可表示为
l l R 2 A r
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力） 时，上式中 、r 、 l都将发生变化，从而导致电阻值 R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、 r变小， 均导致 R变大；又如，某些半导体受拉时， 将变大 ，导致R变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是 线性的，即 R K x K—电阻应变片的灵敏度 2-1
2014-8-25 5
应变片用于测量力F的计算公式
由材料力学可知，x=F /（AE），所以R /R又 可表示为 R F
AE 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及 弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出R /R的数值 ，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤
的称重。
R
K
2-2
2014-8-25
R
4ຫໍສະໝຸດ Baidu
微应变(μ ε )
对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左 右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时， 电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料 大几十倍。 在材料力学中，x =/称为电阻丝的轴向应变，也称 纵向应变，是量纲为1的数。 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导致断裂。
当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越 高，满量程输出电压Uom也越高。 思考：综合考虑灵敏度与功耗发热， Ui 的取值范围多少为好？
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
例2-2 现用图2-8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2-8所示的荷重传感器铭牌上得到F 3N，K = 2mV/V，根据式（2-5）得 =100 10 m F Uom=24mV。被测荷重
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4.焊接： 将引线和端子用 烙铁焊接起来，
注意不要把端子
扯断。
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14
5.固定： 焊接后用胶 布将引线和 被测对象固 定在一起，
防止损坏引
线和应变片。
2014-8-25
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三、测量转换电路——不平衡电桥
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直 接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难， 且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为 100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2 的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2， 所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变 化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测 量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转 换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。
Fm U O 100 103 6 103 3 F 12.5 10 N 1.3t 3 KF Ui 2 10 24
荷重传感器应用估算
K FU i F Uo U om F Fm Fm
在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个 荷重传感器，量程Fm =20t， 灵敏度KF =2.5mV/V， 使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等， Ui =12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电
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2.贴片：在应变 片的表面和处理过的 粘贴表面上，各涂一 层均匀的粘贴胶 ， 用镊子将应变片放上 去，并调好位置，然 后盖上塑料薄膜，用 手指揉和滚压，排出 下面的气泡 。
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3.测量 ：从 分开的端子处， 预先用万用表测 量应变片的电阻， 发现端子折断和 坏的应变片。
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全桥的温度补偿原理
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，可以相互抵 消，所以全桥的温漂 较小；半桥也同样能 克服温漂。
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四、应变效应的应用
应变效应的应用十分广泛。它可以测量应 变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将 应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量 转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用 应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一 般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量 转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于 被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接 从应变仪上读取被测试件的应变量。
压Uo =24mV， 请估算汽车的质量。
汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，
是否会影响测量结果？为什么？
荷重传感器用于构件 的称重
荷重传感器
（共 3个，120度分布，以达到 均衡目的，另两个未拍出）
垫块
底座
电缆
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
电子天平
电子天平的精度 可达十万分之一
人体秤
吊钩秤