电阻应变片式压力传感器1 (1)
应变式压力传感器的原理及应用
应变式压力传感器的原理及应用
一、应变式压力传感器的工作原理
应变式压力传感器是通过应变测量物体受力大小的一种传感器。
其工作原理是：在物体内部或表面放置应变片，当外部施加压力时，应变片就会发生形变并沿着其敏感方向产生感应电阻的变化。
传感器接收感应电阻的信号，并将其转化为电信号输出。
因此，当外界的压力改变时，应变感应电阻的值也随之改变，进而实现对压力变化的检测与测量。
二、应变式压力传感器在电子秤中的应用
电子秤是应变式压力传感器的主要应用领域之一。
在电子秤中，传感器被安装在秤盘下面，在物品放在秤盘上时，其所承受的重力会被传感器感知并转化为电信号，进而计算出物品的重量。
目前，市面上电子秤的类型繁多，其中最为流行的是称重范围较小（数百克至数千克）的电子秤。
这类秤采用应变式压力传感器作为其核心部件，具有灵敏度高、精度高、反应迅速的特点。
同时，由于应变式压应力传感器具有结构简单，易于维护等优点，因此在电子秤中的应用也较为广泛。
《传感器与检测技术》-题库分析
《传感器与检测技术》题库一、填空：1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。
2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。
3.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A TT BA 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ⎰+-。
在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。
4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。
相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。
（2分）5. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）6. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的7 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。
8、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。
9、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。
10、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。
11、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。
电阻应变片压力传感器实验报告
电阻应变片压力传感器实验报告电阻应变式传感器&压力传感器实验报告电阻应变式传感器&压力传感器——实验报告院系：管理学院姓名：胡阳学号：PB12214074电阻应变式传感器实验内容1、自己设法确认各传感器的受力是拉伸还是压缩力，并用图示说明。
2、利用所提供的元件连接单臂电桥，桥电压由万用表给出，记下零点电压。
3、依次增加砝码，测量单臂电桥的m~U定标曲线。
有了定标曲线后，就作成了一台简易的电子秤。
提示：电子秤的量程约2公斤，请勿加载过重的物体，以免损坏应变片。
4、测量待测物体的质量。
5、连接全桥电路，重复1~3步。
6、比较电路的灵敏度。
7、实验总结数据处理:1.单臂，全桥的定标线（一）单臂电桥-52.6-52.7U/mV-52.9-53.0-53.1-53.20100200300400500m/gLinear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------A -53.17155 0.00501B 0.00107 1.65553E-5------------------------------------------------------------ R SD N P------------------------------------------------------------ 0.99952 0.00692 6 0.0001（二）全桥：0.0530.0520.051U/V0.0490.0480100200300400500600m/gLinear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameter Value Error------------------------------------------------------------A 0.05271 2.06453E-5B -7.33992E-6 5.71108E-8------------------------------------------------------------R SD N P-------------------------------------------------------------0.99985 3.02908E-5 7 0.0001------------------------------------------------------------2、待测物体质量，比较两种电路灵敏度：单臂电桥：U= -53.17155 +0.00107 * m ; 待测物体电压：-52.57mV代入式子求得待测物体质量：m=562.20g全桥电路：U=0.05271 +（-7.33992E-6）* m；待测物体电压：0.0493V代入式子求得待测物体质量：m=464.58g单臂电桥S1=0.00107（mV/g）全桥电路S2=0.00734（mV/g）可知S3S2S1，即全桥电路的灵敏度高，单臂电桥的灵敏度低。
电阻应变片式传感器及应用
S
L
L L 2 S S S
L 应变： L 引入两个概念 D D 泊松比： L L
R L S R L S
2DD S S 4 4 S D 2 S D
R1 U U R1 1 2 R R1 2 4 R 1 R1 2R
R R1 1 1 R1 1 2R R1 0 2R
U o
U R1 4 R
以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近
似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。
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，灵敏度相 等，漂移抵消，迟滞、蠕变非 常小，动态响应快。
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。
p 压阻式固态 压力传感器
内部结构
信号处 理电路
导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象， 称为电阻应变效应
金属应变片有:丝式和箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.
应变效应：
受外力F作用 应力 L，S， R
dR dL L d L dS 对R按应力 求全微分得： 2 d S d S d S d
r r t t 若半导体只沿纵向受应 力，则 r E 式中： r t 纵向、横向压阻系数 E 半导体弹性模数
R (1 2 r E ) r E R
r t 纵向、横向应力 纵向应变
' ' R1' R1 1，R2 R2 1，R3' R3 1，R4 R4 1，
《电阻应变式传感器》课件
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 。
应变片式压力传感器.pptx
一、应变片压力传感器
1—应变筒； 2— 外 壳 ； 3—密封膜片
图1 应变片压力传感器示意图
谢谢大家！专业专注源自专心《化工仪表与自动化控制》
——应变片式压力传感器
工作单位：山东轻工职业学院
主讲：石飞
一、应变片压力传感器
应变片式压力传感器利用电阻应变原理构成。电阻应变片有金属和半 导体应变片两类，被测压力使应变片产生应变。当应变片产生压缩（拉伸） 应变时，其阻值减小（增加），再通过桥式电路获得相应的毫伏级电势输 出，并用毫伏计或其他记录仪表显示出被测压力，从而组成应变片式压力 计。
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.
《传感器与检测技术》-题库分析
《传感器与检测技术》题库一、填空：1，测量系统的静态特性指标主要有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性等。
2.霍尔元件灵敏度的物理意义是表示在单位磁感应强度相单位控制电流时的霍尔电势大小。
3.热电偶所产生的热电势是两种导体的接触电势和单一导体的温差电势组成的，其表达式为Eab （T ，To ）=T B A TT BA 0d )(N N ln )T T (e k 0σ-σ⎰+-。
在热电偶温度补偿中补偿导线法（即冷端延长线法）是在连接导线和热电偶之间，接入延长线，它的作用是将热电偶的参考端移至离热源较远并且环境温度较稳定的地方，以减小冷端温度变化的影响。
4.压磁式传感器的工作原理是：某些铁磁物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为正压电效应。
相反，某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为负压电效应。
（2分）5. 变气隙式自感传感器，当街铁移动靠近铁芯时，铁芯上的线圈电感量（①增加②减小③不变）6. 仪表的精度等级是用仪表的（① 相对误差 ② 绝对误差 ③ 引用误差）来表示的7 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。
8、变面积式自感传感器，当衔铁移动使磁路中空气缝隙的面积增大时，铁心上线圈的电感量（①增大，②减小，③不变）。
9、在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。
10、在变压器式传感器中，原方和副方互感M 的大小与原方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与副方线圈的匝数成（①正比，②反比，③不成比例），与回路中磁阻成（①正比，②反比，③不成比例）。
11、传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件 和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。
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现在的液位传感器主要分为两种 一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器， 浮球式液位变送器等。 第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位 变送器等。 我们设计的传感器属于第一类，根据浮力原理，利用微 小的金属应变传感技术来测量液体的液位。 目前研发的液位传感器如光电液位传感器利用光在两种 不同介质界面发生反射折射原理而开发的新型接触式点 液位测控装置。。
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。
8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。
液位传感器有以下特点： 1、安装方便、结构简单、经济耐用。 2、采用三级防 雷设计，抗雷击效果好。 3、满度、零位长期稳定性可达0.１%FS/年。在补偿温 度0～70℃范围内，温度飘移低于0.１%FS，在整个允许 工作温度范围内低于0.３%FS。
式中：K为应变片灵敏系数；g 为试件线膨胀系数；s 为应变片敏感栅 材料线膨胀系数。 因此由于温度变化引起的总电阻相对变化为：
R R R t K g s t R t R t1 R t 2
通常，在常温应变测量中采用桥路补偿法，
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。
l R S
如上图所示，电阻丝在拉力F作用下，长度l增加，截面S减少，电阻 率也相应变化，将引起电阻变化 R 其值
R l S R l S
对于半径为r的电阻丝，截面积S=r2，则有
S
S
2 r
r
令电阻丝的轴向应变为
l l
径向应变
r l r l
R K R
桥式电路的选择：
常见桥式电路：
R1R4 R2 R3 R1 R2 R3 R4
一般电桥的输出电压为
U 0 Ui
如图两臂差动电桥电路的电压输出为
R1 R1 R4 R2 R2 R3 U 0 Ui ... R1 R1 R2 R2 R3 R4 设初始时
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。
4、液位传感器适合多点压力参数组网采集，总线支持 255台设备。可同时具备：4-20mA输出和RS485通讯功能 ，输出电流分辨率优于3uA。
5、智能信号处理技术，精度高、稳定性好，抗干扰性 能强。 6、固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。 具有反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不 会损坏变送器
如图所示，这种方法简单，经济， 补偿效果好。
电桥非线性误差：
实际电桥电压与应变片的电阻相对变化为非 线性关系，如式所示，当电阻变化量很小至 可以忽略不计，或则远小于1时，电桥电压 与电阻相对变化可以认为是线性的.
2 3 R R R R R R L 1 R 2R R R R 2 2R R
由材料力学可知，为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得
R 1 2 R
通常把单位应电所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其 表达式为 R R 1 2 K 从④可以明显看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材 料的几何尺寸受力引起
对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱， 并且使用时间长了会非线性度误差会增大， 故还需要增加调零电路
应变片式的特点
应变式传感器具有很多特点： 1、分辨力高，能测出极微小的应变，如1-2微应变； 2、误差较小，一般小于1%； 3、尺），最大可达20%；
R1 R2 R3 R4 R
则式可以简化为工作时一片受拉一片受压，即
R1 R2 R
工作时
U i R U i U0 K 2 R 2
差动电桥电压灵敏度为 Ui KU 2 同理若采用四臂电桥，如图所示并设初始时
R1 R2 R3 R4 R
输出为
5、既可测静态，也可测快速交变应力；
6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、 记录和处理；
7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个 大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加 速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学 腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；
U0 Ui R U i K R
四臂电桥的电压灵敏度为
KU Ui
通过比较其电压灵敏度知四臂电桥（全桥）电路的灵敏度高，故选用四 臂电桥电路
传感器简图：
总体结构设计：应变片，放大器，转换开关，A/D转换器，单片机， 接口电路，该电路一下该电路由三部分组成：
（1）电源电路部分；（2）电桥电路部分；（3）放大电路部分
(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
R
电路灵敏度
电路灵敏度为应变片灵敏度，桥路灵敏度，三运放电路 增益以及滤波电路增益之积，即
K KS KU A1 K P
取
K S 2.0
即得
R R8 R13 R18 K 2.0 1 1 7 1 U R0 R9 R17
特点及缺点：
应变片式压力传感器的特点是 灵敏度系数高，K=30~175（而电阻丝其数值 约在1.6~3.6之间）
横向效应小（应变片的核心部分是敏感栅。将 电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但其 直线段和圆弧段的应变状态不同，其灵敏系 数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，该现象称 为横向效应。）
缺点是
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。
工作原理：
电阻应变式传感器为本设计的主要部件，传 感器中的弹性元件感受物体的重力并将其转化 为应变片的电阻变化，再利用交流全桥测量原 理得到一定大小的输出电压，通过电路输出电 压和标准重量的线性关系，建立具体的数学模 型，在显示表头中将电压（V）改为质量（kg） 即可实现对物品质量的称重。
流程图：
应变效应：
应变片检测原理 电阻应变片（金属丝、箔式或半导体应变片）粘贴在测量压力的 弹性元件表面上，当被测压力变化时，弹性元件内部应力变形，这 个变形应力使应变片的电阻产生变形，根据所测电阻变化的大小来 测量未知压力，也实现本次设计未知质量的检测。设一根电阻丝， 电阻率为，长度为, l,截面积为S，在未受力时的电阻值为
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α ，则应变片产生的电阻相对变化为
R t R t 1
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，相应的电阻相对变化为
R K g s t R t 2