3.3.2 金属应变片的主要特性
《传感器与检测技术》复习题
基础知识自测题 第一章传感器的一般特性 1.传感器是检测中首先感受，并将它转换成与有确定对应关系的的器件。 2.传感器的基本特性通常用其特性和特性来描述。当传感器变换的被测量处于动态时，测得的输出一输入关系称为特性。 3.传感器变换的被测量的数值处在稳定状态下，传感器输出与输入的关系称为传感器的 特性，其主要技术指标有：、、和等。 4.传感器实际曲线与理论直线之间的称为传感器的非线性误差，其中的与输出满度值之比称为传感器的。 5.传感器的灵敏度是指稳态标准条件下，变化量与化量的比值。对传感器来说，其灵敏度是常数。 6.传感器的动态特性是指传感器测量时，其输出对输入的特性。 7.传感器中直接感受被测量，并输出与被测量成关系的其它量的元件称为元件。 8.只感受由敏感元件输出的，并且与成确定关系的另一种非电量，然后输出电量的元件，称为元件。 第二章电阻式传感器 1.电阻应变片是将被测试件上的转换成的传感元件。 2.电阻应变片由、、和等部分组成。 3.应变式传感器中的测量电路是将应变片转换成的变化，以便显示或记录被测非电量的大小。 4.金属电阻应变片敏感栅的形式和材料很多，其中形式以式用的最多，材料以用的最广泛。 5.电阻应变片的工作原理就是依据应变效应建立与变形之间的量值关系而工作的。 6.当应变片主轴线与试件轴线方向一致，且受一维应力时，应变片灵敏系数K是应变片的 与试件主应力的之比。 7.电阻应变片中，电阻丝的灵敏系数小于其灵敏系数的现象，称为应变片的横向效应。 8.电阻应变片的温度补偿中，若采用电桥补偿法测量应变片时，工作应变片粘贴在表面上，补偿应变片粘贴在与被测试件完全相同的上，则补偿应变片不。 9.用弹性元件和及一些附件可以组成应变式传感器. 10.应变式传感器按用途划分有：应变式传感器、应变式传感器、应变式传感器等。 11.电阻应变片的配用测量电路采用差动电桥时，不仅可以，同时还能起到的作用。 12.电阻应变片的配用测量电路大都采用交流不平衡电桥，其目的是配接和克服的影响。
电阻应变片压力传感器设计
《电阻应变片的压力传感器设计》 题目电阻应变片的压力传感器设计时间 201608 班级 2014级 姓名 序号 指导教师 教研室主任 系教学主任 2016年08月 前言
随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。 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，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。 本次课程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。 传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。 目录
电阻应变片
电阻应变片 一、应变计的分类 根据敏感栅材料可分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类： 1、金属应变计包括丝式（丝绕式、短接式）应变计、箔式应变计和薄膜应变计； 2、半导体应变计包括体型半导体应变计、扩散型半导体应变计和薄膜半导体应变计； 3、金属或金属氧化物浆料主要是制作厚膜应变计。 二、应变计的主要参数 1、应变计的电阻值应变计的电阻是指应变计在室温环境、未经安装且不受力的情况下，测定的电阻值。应变计电阻值的选定主要根据测量对象和测量仪器的要求。 2、应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数是指：当应变计粘贴在处于单向应力状态的试件表面上，且其纵向(敏感栅纵线方向)与应力方向平行时，应变计的电阻变化率与试件表面贴片处沿应力方向的应变(即沿应变计纵向的应变)的比值，即式中，K为应变计的灵敏系数；ε为试件表面测点处与应变计敏感栅纵线方向平行的应变；RRΔ为由ε所引起的应变计电阻的相对变化,常用的应变计灵敏系数为2.0~2.4。 3、应变计的疲劳寿命: 应变计的疲劳寿命是指：在恒定幅值的交变应力作用下，应变计连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数。 三、金属电阻应变片应用与工作原理电阻应变计有两方面的应用：一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其它物理量作间接测量。用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。 金属电阻应变片的工作原理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所发生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化。电阻应变效应的理论公式如下: R=ρ*(L/S)式中：ρ—电阻率(Ω·mm2/m) L—金属丝的长度(m) S—金属丝的截面积(mm2) 由上式可知，金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中，ρ、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减小，电阻值增加;当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可知金属丝的应变情况。这种转换关系为 ΔR/R=Koε式中:R—金属丝电阻值的变化量; Ko—金属材料的应变灵敏系数,它主要由试验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值; ε—金属材料的轴向应变值,即ε=ΔL/L，因此又称ε为长度应变值,对金属丝而言,其值勤在0.24~0.4之间。 在实际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转换为电阻的变化量输出。 电路原理：通常传感器采用四片等值电阻组成惠氏顿等桥电路。R,B为输入端，G,W为输出端，RS起到保护电路的作用。通过调节RS、R1调节电路的零点平衡。
金属箔式应变片性能实验报告
实验报告 姓名：学号：班级： 实验项目名称：实验一金属箔式应变片性能——单臂电桥，半桥 实验目的：了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况；：验证单臂、半桥性能及相互之间关系。 实验原理： 单臂、半桥、全桥是指在电桥组成工作时，有一个桥臂、二个桥臂、全部四个桥臂（用应变片）阻值都随被测物理量而变化。 电桥的灵敏度：电桥的输出电压（或输出电流） 与被测应变在电桥的一个桥臂上引起的电阻变化率之 间的比值，称为电桥的灵敏度。如图是直流电桥，它 的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成，U。是供桥电 压，输出电压为： 当R1×R3=R2×R4则输出电压U为零，电桥处于平 衡状态。 如果将R4换成贴在试件上的应变片，应变片随试件的受力变形而变形，引起应变片电阻R4的变化，平衡被破坏，输出电压U发生变化。当臂工作时，电桥只有R4桥臂为应变片，电阻变为R＋R，其余各臂仍为固定阻值R,代入上式有 组桥时，R1和R3，R2和R4受力方向一致。 实验步骤（电路图）： （1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，测微头在双平行梁前面的支座上，可以上、下、前、后、左、右调节。 （2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。
（3）根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V档，F／V表置20V档。调节测微头脱离双平行梁，开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，然后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。 图1金属箔式应变片性能—单臂电桥电路 （4）将测微头转动到10mm刻度附近，安装到双平等梁的自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使F／V表显示最小，再旋动测微头，使F／V 表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 （5）——往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下F／V表显示的值。建议每旋动测微头一周即ΔX＝0.5mm 记一个数值填入下表： （6）据所得结果计算灵敏度S＝ΔV／ΔX（式中ΔX为梁的自由端位移变化，ΔV为相应F ／V表显示的电压相应变化）。 (7) 将R3固定电阻换为与R4工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，调节测微头使梁到水平位置（目测），调节电桥W1使F／V表显示表显示为零，重复（5）过程同样测得读数，填入下表： 实验结果及分析： 单臂电桥结果： 位移（mm）-1.0 -0.5 0.5 1.0 1.5 电压（mv）-0.057 -0.044 0.012 0.025 0.036 灵敏度计算：电压变化的平均值=0.013mv S=ΔV／ΔX=0.026mv/mm 结果分析：半桥的灵敏度是单臂电桥灵敏度的2倍。 实验中的注意事项及实验感想、收获或建议等：
电阻应变片的粘贴技术
电阻应变片的粘贴技术 一、实验目的 1.初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术。 2.初步掌握接线、检查等准备工作。 二、实验设备和器材 1.常温用电阻应变片 2.数字式万用表。 3.502粘结剂。 4.电烙铁、镊子、沙纸。 5.等强度梁试件，温度补偿块。 6.丙酮、药棉等。 7.测量导线若干。 三、实验方法和步骤 1.检查应变片的外观和电阻（电阻为200Ω±0.5Ω）。 2.测点表面的清洁处理：为使应变计与被测试件贴得牢,对测点表面要进行清洁处理。首先把测点表面用砂纸打磨；使测点表面平整、光洁。用棉花球蘸丙酮擦洗表面的油污，到棉花球不黑为止。再用划针在测片位置处划出应变计的座标线。 3.贴片：在测点位置和应变片的底基面上，涂上薄薄一层胶水，用镊子夹住应变片，把应变片轴线对准座标线,上面盖一层聚乙烯塑料膜作为隔层，用手指在应变计的长度方向滚压，挤出片下汽泡和多余的胶水，手指保持不动约1分钟后再放开，注意按住时不要使应变片移动，轻轻掀开薄膜检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象。 4.贴接线端子片、焊接：将端子片基地和待贴位置处涂抹上一层胶水，等贴牢后将应变片的两个引出线分别焊接到端子片上，再将两根导线分别焊接到另外的两个端子上，注意不能出现短路的情况。 5.检查应变片是否通路，并测量阻值。 四.实验结果 1.电阻理论值为120Ω，测量电阻值均符合要求。
一、应变计的选择 1、1/4桥 λε，仪器调零困难。同时也受温度的影响，用手握住导线的变化就能有100εμ2根线的1/4桥：长的引线会引入电阻导致电桥不平衡，6m长的导线导致电桥不平衡量为29000 以上。 λ，仪器调零容易。也不受导线温度的影响。εμ3根线的1/4桥：6m长的导线导致电桥不平衡量为400 2、应变计的长度选择：要基于应力的分布。 λ应变测量的是局部区域的平均，而非某点的微应变。当应力是线性分布，应变计的长度无影响。 λ应力集中时，最好用非常小的应变计贴在应力集中处，应变计应比应力集中点稍大一点。 λ各向异性材料（如混凝土、碳纤维复合材料等），用长应变计在较大区域得到平均值。 3、应变片样式 λ单向应变计：需要知道主应力方向； T型应变计：也需要知道主应力方向；λ 三片应变花：不知道主应力方向时，可随意贴，通过计算可得出最大最小主应力和方向。λ 剪切式应变计：用于剪切和扭转。λ 4、应变计电阻选择 常用的有120Ω、350Ω和1000Ω。 电阻120Ω350Ω 优 点应变计尺寸小电流低，发热功率低 成本稍低可大电压激励，信号噪声小
电阻应变片例题与练习题
电阻应变片传感器例题与习题例题：
例2-3 采用阻值为120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为1和1 000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 解：单臂时40U K U ε=，所以应变为1时660102410244--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为330102410244--?=??==U K U ε/V ；双臂时2 0U K U ε=，所以应变为1时 6 6 01042 10242--?=??==U K U ε/V ，应变为1000时应为 33 010*******--?=??==U K U ε/V ；全桥时U K U ε=0，所以应变为1时 60108-?=U /V ，应变为1000时应为30108-?=U /V 。从上面的计算可知：单臂时灵敏
度最低，双臂时为其两倍，全桥时最高，为单臂的四倍。 例2-4 采用阻值R =120Ω灵敏度系数K =2.0的金属电阻应变片与阻值R =120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V 。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV ，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？ 解：由于不知是何种工作方式，可设为n ，故可得： 得n 要小于2，故应采用全桥工作方式。 例 2-5 解：（1）沿纵向粘贴时： 由112 10t E 0.49E 210N /m σ σεεμε=??= = =?， 6R R R K K 20.490.9810R εε-??=?=?=?=? （2）沿圆周向粘贴时： 66R 0.30.49100.14710R με--?=-=-??=-? 例2-6 解： 按题意要求圆周方向贴四片相同应变片，如果组成等臂全桥电路，当四片全感受应变 时，桥路输出信号为零。故在此种情况下，要求有补偿环境温度变化的功能，同时桥路输出电压还要足够大，应采取两片31R R 、贴在有应变的圆筒壁上做敏感元件，而另两片4 2R R 、
《检测与转换技术》实验二 应变片单臂特性实验
示范实验举例 实验一应变片单臂特性实验 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。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0.3～0.5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。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。且不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。 半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，可正可负，与材料性质和应变方向有关，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。 3、贴片式应变片应用 在贴片式工艺的传感器上普遍应用金属箔式应变片，贴片式半导体应变片（温漂、稳定性、线性度不好而且易损坏）很少应用。一般半导体应变采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀扩散出半导体电阻应变薄膜（扩散出敏感栅），制成扩散型压阻式（压阻效应）传感器。 ＊本实验以金属箔式应变片为研究对象。 4、箔式应变片的基本结构 应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝 或金属箔制成，如图1—1所示。
电阻应变片的三个实验
第一章传感器实验台介绍ZY13Sens12SB传感器技术实验台由主控台、三源板（温度源、转动源、振动源）、18个传感器、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验桌等六部分组成。 一、实验台的组成 1、主控台部分：提供高稳定的±15V、＋5V、±2V±4V±6V±8V±10V可调及＋2V－＋24V可调四种直流稳压电源；主控台面板上还装有测电压、气压、频率、转速的数显表及计时表。音频信号源（音频振荡器）1kHz~10kHz（可调）；低频信号源（低频振荡器）1Hz~30Hz(可调)；气压源0－20kpa可调；高精度温度转速两用仪表（控制精度±0.5℃），RS232计算机串行接口；流量计；漏电保护器。其中电源、音频、低频、均具有断电保护功能。±2V±4V±6V±8V±10V电源与其它电源、信号Fin、Vin部分不共地。如果与其它电源同时使用时，应将其共地。因断路无输出重新开机即恢复正常。调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。 2、三源板：装有振动源1Hz－30Hz（可调）；旋转源0－2400转／分（可调）；加热源常温＜150℃（可调）。 3、传感器：包括：电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、霍尔转速传感器、磁电转速传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu50铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八种。 4、实验模块部分：应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相／相敏检波／滤波十个模块。 5、数据采集卡及处理软件：数据采集卡采用12位A／D转换、采样速度1500点／秒，采样速度可以选择，既可单独采样亦能连续采样。标准RS232接口，与计算机串行工作。具有网络监控功能和用户认证功能；提供的处理软件有良好的计算机显示界面，可以进行实验项目选择与编辑，数据采集，特性曲线的分析、比较、文件存取、打印等。 二、电路原理 传感器模块电路原理图见模块正面 三、使用方法
普通金属应变片常见参数和使用方法
普通金属应变片常见参数和使用方法 本文档简要的介绍了应变及应变片相关的内容，包括个人在使用中应变片的关键参数，查到的一些应变片品牌，以及应变片的使用技巧，尽管最终应变用的是淘宝货，但这些查阅的资料对应变片的选型和使用很有帮助。其中应变计基础知识引自章和电气。 目录 关键参数 (2) 应变计命名规则 (2) 国产金属应变片举例 (2) 应变片基础知识 (3) 区分应力与应变的概念 (3) 应变片的构造及原理 (4) 惠斯通电桥概述 (5) 温度补偿 (7) 应变片粘贴 (8) 残余应力的概念 (11) 常见品牌： (12)
关键参数 应变计命名规则 常见应变计命名规则 应变计命名规则国产金属应变片举例
应变片基础知识 所谓“应力”，是在施加的外力的影响下物体内部产生的力。如图1所示： 在圆柱体的项部向其垂直施加外力P的时候，物体为了保持原形在内部产生抵抗 外力的力——内力。该内力被物体（这里是单位圆柱体）的截面积所除后得到的值 即是“应力”，或者简单地可概括为单位截面积上的内力，单位为Pa（帕斯卡）或N/m2。 例如，圆柱体截面积为A(m2),所受外力为P(N牛顿)，由外力=内力可得，应力： （Pa或者N/m2） 这里的截面积A与外力的方向垂直，所以得到的应力叫做垂直应力。 图1 ，那么圆柱体的长度则 的比值所表示的伸长率（或压缩 与外力同方向的伸长(或压缩)方向上的应变称为“轴向应变”。应变表示的是伸长率（或压缩率），属于无量纲数，没有单位。由于量值很小(1×10-6百万分之一)，通常单位用“微应变”表示，或简单地用μE表示。 而单位圆柱体在被拉伸的状态下，变长的同时也会变细。直径为d0的棒产生Δd的变形时，直径方向的应变如下式所示： 这种与外力成直角方向上的应变称为“横向应变”。轴向应变与横向应变的比称为泊松比，记为υ。每种材料都有其固定的泊松比，且大部分材料的泊松比都在0.3左右。
电阻应变片的结构及工作原理
电阻应变片的结构及工作原理 电阻应变片的结构如图4-1-3所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的 敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝 或栅状体。引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带 状导线。 (1)粘结剂：是具有一定电绝缘性能的粘结 材料，用它将敏感栅固定在基底上。 (2)覆盖层：用来保护敏感栅而覆盖在上面的 绝缘层。 (3)基底：用以保护敏感栅，并固定引线的 几何形状和相对位置。 电阻应变片能将力学量转变为电学量是利用了金属导线的应变——电阻效应。我 们知道，金属导线的电阻R 与其长度L 成正比，与其截面积A 成反比，即 A L R ρ= (4-1-3) 式中ρ是导线的电阻率。 如果导线沿其轴线方向受力产生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一物理现象被称为金属导线的应变——电阻效应。为了说明产生这一效应的原因，可将式（4-1-3）取对数后进行微分得 ρ ρd A dA L dL R dR +-= (4-1-4) 式中，L dL 为金属导线长度的相对变化，用轴向应变来表示，即L dL =ε；A dA 是截面积的相对变化。2r A π=（r 为金属导线的半径），，r dr A dA 2= r dr 是金属导线半径的相对变化，即径向应变 r 。导线轴向伸长的同时径向缩小，所以轴向应变与径向应变r 有下列关系： μεε-=r (4-1-5) 为金属材料的泊松比。 根据实验，金属材料电阻率相对变化与其体积的相对变化之间的关系为V dV C d =ρρ，C 为金属材料的一个常数，如铜丝C =1 。 由L A V ?= 我们可导出V dV 与、r 之间的关系。 1 2 3 4 5 图4-1-3 电阻应变片 1-敏感栅；2-引线；3-粘结剂； 4-覆盖层；5-基底
应变片单臂特性实验教学内容
应变片单臂特性实验
实验一应变片单臂特性实验 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。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= - (1—3) με r 式中：μ为材料的泊松比，大多数金属材料的泊松比为0.3～0.5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。半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻
基于电阻应变片的压力传感器设计
前言 随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的。因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。 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，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。 本次课程设计的是一个大量程称重传感器，测量范围为1t到100t。 本次课程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。 传感器的设计主要包括弹性元件的设计和处理电路的设计。由于传感器输出的信号是微弱信号，故需要对其进行放大处理；由于传感器输出的信号里混有干扰信号，故需要对其进行检波滤波；由于传感器输出的信号通常都伴随着很大的共模电压（包括干扰电压），故需要设计共模抑制电路。除此之外，还要设计调零电路。
金属箔式应变片实验
实验A 金属箔式应变片――单臂电桥性能实验 一、实验目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。 二、基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR／R＝Kε式中：ΔR／R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数,ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U o1= EKε/4。 三、需用器件与单元：主机箱(±4V、±15V、电压表)、应变式传感器实验模板、托盘、砝码、4 1位数显万用表（自备）。 2 图1 应变片单臂电桥性能实验安装、接线示意图
四、实验步骤： 应变传感器实验模板说明： 实验模板中的R1、R2、R3、R4为应变片，没有文字标记的5个电阻符号下面是空的，其中4个组成电桥模型是为实验者组成电桥方便而设，图中的粗黑曲线表示连接线。 1、根据图1〔应变式传感器（电子秤传感器）已装于应变传感器模板上。传感器中4片应变片和加热电阻已连接在实验模板左上方的R1、R 2、R 3、R4和加热器上。传感器左下角应变片为R1；右下角为R2；右上角为R3；左上角为R4。当传感器托盘支点受压时，R1、R3阻值增加，R2、R4阻值减小，可用四位半数显万用进行测量判别。常态时应变片阻值为350Ω，加热丝电阻值为50Ω左右。〕安装接线。 2、放大器输出调零：将图1实验模板上放大器的两输入端口引线暂时脱开，再用导线将两输入端短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实验模板放大器的调零电位器R W4，使电压表显示为零。 3、应变片单臂电桥实验：拆去放大器输入端口的短接线，将暂时脱开的引线复原(见图1接线图)。调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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200g（或500 g）砝码加完。记下实验结果填入表1画出实验曲线。 4、根据表1计算系统灵敏度S＝ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差δ， δ=Δm/y FS ×100％式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差：y FS 满量程输出平均值，此处为200g（或500g）。实验完毕，关闭电源。 五、思考题： 单臂电桥时，作为桥臂电阻应变片应选用：（1）正（受拉）应变片（2）负（受压）应变片（3）正、负应变片均可以。
金属箔式应变片半桥性能实验报告
南京信息工程大学传感器实验(实习)报告 实验(实习)名称金属箔式应变片半桥性能实验实验(实习)日期12.2得分指导老师 系专业班级姓名学号 实验目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能、了解其特点。 实验内容： 基本原理：不同受力方向的两只应变片接入电桥作为邻边，电桥输出灵敏度提高，非线性得到改善。当应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U O2＝EKε／2。 需用器件与单元：主机箱、应变式传感器实验模板、托盘、砝码。 实验步骤： 1、将托盘安装到应变传感器的托盘支点上。将实验模板差动放大器调零：用导线将实验模板上的±15v、⊥插口与主机箱电源±15v、⊥分别相连，再将实验模板中的放大器的两输入口短接(V i＝0)；调节放大器的增益电位器R W3大约到中间位置(先逆时针旋到底，再顺时针旋转2圈)；将主机箱电压表的量程切换开关打到2V档，合上主机箱电源开关；调节实 验模板放大器的调零电位器R W4，使电压表显示为零。 图2 应变式传感器半桥接线图 2、拆去放大器输入端口的短接线，根据图2接线。注意R2应和R3受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。调节实验模板上的桥路平衡电位器R W1，使主机箱电压表显示为零；在应变传感器的托盘上放置一只砝码，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200g（或500 g）砝码加完。记下实验数据填入表2画出实验曲线，计算灵敏度S2＝U／W，非线性误差δ。实验完
毕，关闭电源。 实验结果： 表2 解：S=200/80=2.5 δ=Δm/y FS×100％=1/200x100%=0.5%
金属电阻应变片的种类、材料及粘贴
1．金属电阻应变片的种类金属电阻应变片种类繁多，形式多样，但常见的基本结构有金属丝式应变片、金属箔式应变片和薄膜式应变片。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。 2．电阻应变片的结构金属丝式电阻应变片由敏感栅、基底、盖层、黏合层和引线等组成。图2-2为金属丝式应变片的典型结构图。其中敏感栅是应变片内实现应变——．电阻转换的最重要的传感元件，一般采用的栅丝直径为0. 015～ mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，L为栅长，n为基宽。根据不同用途，栅长可为～200 mm。基底用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速、准确地传递到敏感栅上，因此基底做得很薄，一般为0. 02～ mm。盖层起防潮、防腐、防损的作用，用以保护敏感栅。用专门的薄纸制成的基底和盖层称为纸基，用各种黏合剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基，现多采月后者。黏合剂将敏感栅、基底及盖层黏合在一起。在使用应变片时也采用黏合剂将应变片与被测件黏牢。引线常用直径为～ mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。 金属箔式应变片的基本结构如图2-3所示，其敏感栅是由很薄的金属箔片制成的，厚度只有0. 01～ mm，用光刻、腐蚀等技术制作。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减少横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地随同试件变形。此外与金属丝式应变片相比，金属箔式应变片还具有散热性能好、允许电流大、灵敏度高、寿命长、可制成任意形状、易加工、生产效率高等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位。 但需要注意，制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式的大，有的能相差几十欧姆，故需要作阻值的调整。对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求如下。 ①灵敏系数K。值大，并且在较大应变范围内保持常数。 ②电阻温度系数小。 ③电阻率大。 ④机械强度高，且易于拉丝或辗薄。 ⑤与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小。
金属箔式应变片及转换电路性能实验报告
学院：信息工程学院专业：班级： 姓名：学号： 实验二 一、实验目的 1、了解应变片的测试原理与应用领域 2,掌握应变片测试方法及典型转换电路原理 3、通过实验数据分析处理，掌握获得传感器静态特性性能指标的过程和方法。 二、实验内容和要求 1,观察金属箔式应变片的结构、贴片方式以及接桥方式; 2.测试应变梁变形时的应变输出; 3、比较应变片不同接桥方式对电桥输出结果的影响。 三、多验主要仪器设备和材料 1, CYS型传感器系统综合实验仪 2,若干接插连接实验导线。 3、万用表(非必需) 四、实验方法、步骤及结果测试 一)实验原理 应变片是最常用的测力传感元件。当使用应变片进行测试时，首先要将应变片牢固地粘贴到测试体表面。当测件受力发生变形，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值也随之发生相应变化。之后，再通过测量转换电路，将电阻值变化转换成电压信号输出显示。 直流电桥是最常用的一种电测转换电路。当电桥的相对臂电阻阻值乘积相等时，电桥平衡，此时电桥输出电压为零。若设电桥桥臂的四个电阻初始值分别为:R1=R2=R3=R4=R，当测试体表面产生变形，则其电阻的相对变化率分别为△R1 /R1、△R2/R2, △R3/R3和△R4/R4。当使用一个应变片时，可组成半桥单臂电桥，在电阻变化量△R较小的情况下，电桥输出电压为U0=U△R/4*R；当使用二个应变片差动连接，组成半桥双臂电桥，则有U0=U△R/2*R；而用四个应变片组成全桥形式，则输出电压为U0=U△R/R。由此可见，半桥单臂、半桥双臂和全桥电路的灵敏度是依次增大的。 通过本实验，可以验证说明箔式应变片组成半桥单臂、半桥双臂和全桥的原理及工作性能。 二）实验步骤及结果测试 1、仪表及电路调零 2、半桥单臂接桥方式测试 ○1接桥。按半桥单臂电桥测试接线原理图，将实验模块用实验线连接成测试电桥。桥路中R1、R2、R3和WD为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R为箔式应变片。直流源为+-4V ②测微头置位·测微头装于悬臂梁前端的永气磁钢上。初始时，测微头一般位于悬臂梁上方，不与梁接触。测微头置位，即是调节测微头旋转，通过顶杆使应变梁处于基本水平状态。此时可认为悬臂梁上的应交片不受力其电阻为应变片初始值。
电阻应变片
电阻应变片 电阻应变片贴片技巧公开 电阻应变片贴片技巧公开 目前市面上流行的称重传感器，高压力传感器以及扭矩传感器都是贴片工艺制造的也就是粘贴电阻应变 片。电阻应变片贴的好坏影响传感器的特性，不如精度，输岀信号大小等，如果粘贴的不好，传感器也就是一个次品无法在进行下一步的工艺。因此可以说传感器最关键最基本的一步就是粘贴电阻应变片。（电阻应变片的组成及工艺原理请参见我司撰写的其他文章）。上次“扭矩传感器技术公开”的这一文章上也大致的说了下贴片的重要性。故此，着重用一篇文章来介绍如何贴电阻应变片。下面的介绍中我以实验的方式向大家介绍这一工艺。如有其他问题也可以与我司人员联系。 一、实验目的 1?了解应变片的测量原理、结构、种类； 2?掌握应变片的粘贴技术及质量检查与防潮方法。 二、实验原理（应变片） 在机械工程测试技术中，广泛应用电阻应变片，因为它能准确地测量各种力参数。对于应变片的正确选取和粘贴质量的好坏，将直接影响应变片的性能和测量的准确性。 （一）应变片的分类 应变片可分为金属式和半导体式两大类： 金属式：丝式、箔式、薄膜式；半导体式：薄膜式、扩散式。 根据基底材料不同又可分为纸基、胶基和金属片基等。 （二）基底材料 基底材料要满足如下要求：机械强度高，粘贴容易，电绝缘性好，热稳定性好，抗潮湿性能好，挠性好（能够粘贴在曲率半径很小的曲面上），无滞后和蠕变。 1?胶基：是由有机聚合材料的薄片作为基底的称为胶基应变片；（1）酚醛、环氧树脂基底（箔式片居多）， 它具有良好的耐热和防潮性能，使用温度达成180 C，并且长时间稳定性好；（2）聚酰亚胺基底，使用温 度-260 'C?400 C，绝缘性能好，因此可以做得很薄，通常为0.025mm,应变片的柔韧性好；（3）石棉、 玻璃纤维增强塑料作基底，主要在高温下使用。 （三）敏感元件材料 对敏感材料的要求：灵敏度K。在尽可能大的应变范围内是常数；K。尽可能大；具有足够的热稳定性；电 阻系数高且受温度变化的影响小；在一定的电阻值要求下，电阻系数越高，电阻丝的长度越短，因此可以减小电阻应变片的尺寸。
金属箔式应变片
实验一 传感器综合实验-金属箔式应变片 一、实验目的 1、了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 2、验证单臂、半桥、全桥的性能及相互之间关系。 二、所需模块及仪器设备： 直流恒压源 DH-VC2、电桥模块（只提供器件）、差动放大器（含调零模块）、电桥模 块、测微头及连接件、应变片、万用表、九孔板接口平台和传感器实验台一。 旋钮初始位置：直流恒压源 DH-VC2±4V 档，万用表打到 2V 档，差动放大增益中间位置。 三．实验原理： 传感器是实验测量获取信息的重要环节，通常传感器是指一个完整的测量系统或者装置，他能感受规定的被测量的信号并按一定的规律转化成输出信号。传感器给出的是电信号。 传感器的组成 传感器由图1-1所示的几部分组成。其中，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量；转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量；上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。 图1-1 传感器的组成 由半导体材料制成的物性性传感器基本是敏感元件与转换元件二合一，直接能将被测量转换为电量输出，如压电传感器、光电池。热敏电阻等。 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量的值处于稳定状态时的输入输出关系。只考虑传感器的静态特性时，输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度，迟滞和重复性等。 1．线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看，希望具有线性关系，即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性，如果不考虑迟滞和蠕变等因素，传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示： 01122n n y a a x a x ...a x =++++ （1-1）
电阻应变片例题与练习题
电阻应变片传感器例题与习题 例题: 例M 采用四片相間时金属丝应变片(K=2),将英結在实心岡柱形测力弾性丘件上。 4111512-1(!!) 所示,应变片 1、309 ［为 1.56x10 4，应变片趴 4的 t 为-0.41 ,: 求仃)画出应变片在圆柱上贴粘位置及相应测量桥路原理图；(2)各应变片的电眼相对变化 匱 3RN ⑶君供电桥压UN V,求桥烙输出电压5" ⑷此种测輦方式能否科偿 坏境覗巫对碍童的越响了说明原因， ff ：(l)按題意采用四个拍诃应变片側力弹性兀件.贴的位SSUffi2 Ka)所示。际兔沿 轴向在力F 作 用下产生正应变引＞0,￡,＞0：/?2^ 沿圖周方向貼则产主负应变5＜仇訂＜ 皿伞应变电01按人桥郵位蜀如圏21(b)所示c ?从而组曲全桥测盘电路可以提髙输出起 斥灵戰度」 ⑵ = =2X1,56X10-* =3.12X 10 * K i 叫 AD 云二衬=-底产-J X O.47XJO 4= -O,?MX LO 4 = 4(3.12X10"^ 0.94X K )-4)X 6=1.22 mV (4)此种测量方式可以补偿环境沮度变化的形响因。因为四个榊同电职应变在同样环境条 件卜'感曼汩度变化产生电相对业化量相网,在全桥电路中不匪响输岀电压值，闪 AR ( t _ AR 2/ _ 厶尺訂 _ SR t r _ ^ 6 解：单臂时U 0 所以应变为1时U 0 6 4 2 10 4 10 6/V ，应变为 1000时应为U 4 2 10 3 10 3 /V ； 双臂时U 0 ，所以应变为 U 0 U 0 U 0 10 6 10 /V 应变为 1000 时应 8 10 3 2 10 , 4 2 3 10 /V /V ，应变为1000时应为U 0 全桥时U 0 K U ，所以应变为1 3 8 10 /V 。从上面的计算可知： 单臂时灵敏度 ^2-2…台用等涌度聳作为沖性元件的电子秤■在鑒的上、卩面各贴两片相同的电聊应 愛片（K =町如图 2吃（韵所示心 ESH / = IW mm,6 "1 mni = 3 mm, E - 2x 104 M/mm\ 现將四丰应变片攥入图（b ）克流拼路中.电桥电叢电托JJ-fi V “当力f = Q.5眾时?求电桥 輪也电压%七 解：由图5）所示四片相同电齟应变片聒于尊窿度梁上，下面各两片「号亟力F 柞啊梁端 部耳.魅 匕表面&和尺』产生止厲变电肌蟹化而T 表面R.和&则产生负应变电阻亶化.其 应变絶对值相等.即 电阻相对变化屋为 凡一卫？ 现将四个应变电限揽图〔讨所赤接人轿路组咸彈曹全祈电路.其检出桥粘电压为 门 M 门 v 门一覚"6M 例2-3 采用阻值为120Q 灵敏度系数 K=2.0的金属电阻应变片和阻值为 120 Q 的固定电阻 组成电桥，供桥电压为 4V ，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为 1和1 000 时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。 U 6F1 br 7^ L 6 AR . 寸3