电阻式传感器性能测试应用
实验二电桥测试(电阻式传感器的单臂、全桥电桥性能)实验
实验二电桥测试（1）电阻式传感器的单臂电桥性能实验一、实验目的1、了解电阻应变式传感器的基本结构与使用方法。
2、掌握电阻应变式传感器放大电路的调试方法。
3、掌握单臂电桥电路的工作原理和性能。
二、实验所用单元电阻应变式传感器、调零电桥，差动放大器板、直流稳压电源、数字电压表、位移台架。
三、实验原理及电路1、电阻应变式传感如图1-1所示。
传感器的主要部分是上、下两个悬臂梁，四个电阻应变片贴在梁的根部，可组成单臂、（双臂）半桥与全桥电路，最大测量范围为±3mm。
AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF1─外壳 2─电阻应变片 3─测杆 4─等截面悬臂梁 5─面板接线图图1-1 电阻应变式传感器2、电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，这就是电阻应变效应，其关系为：ΔR/ R＝KΔL/ L=K ε，ΔR为电阻丝变化值，K为应变灵敏系数，ε为电阻丝长度的相对变化量ΔL/ L。
通过施加外力引起应变片变形，测量电路将电阻变化转换为电流或电压的变化。
AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFAHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFρρεμd K S 1)21(++=对于金属应变片，K s 主要取决于式中的第一项。
金属的泊松比通常在0.3左右，对于大多数金属K s 取2。
本实验采用直流电桥来测量金属应变片的工作特性。
3．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 =U BC +U CD =U O [R 3/(R 3+R 4)-R 2/(R 1+R 2)] 1）由式（1）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．当供桥电压一定而且△R i<<R i时，d U=( U/R1) d R1+( U/R2) dR2+( U/R3) dR3+( U/R4) dR42)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K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) 3）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) 4）式（4）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），AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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（4）变为U=0.25 U O ( R / R)= 0.25 U O Kε5）AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF（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（4）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（4）可得U0.25 U O (R / R)0.25 U O Kε] 6)（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（4）变为U0.25 U O (R / R)0.25 U O Kε] 7)AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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) 8)令 n=( R1 / R1- R2 / R2+ R3 / R3- R4 / R4)/ ( R/ R) 9)则S u=0.25n U O10)AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAFAHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF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．3、电阻应变式传感的单臂电桥电路如图1-2所示，图中R 1、R 2、R 3为固定，R 为电阻应变片，输出电压U =EK ε11）E---电桥转换系数：单臂E= U 0/4 半桥（双臂）E= U 0/2 全桥 E= U 0 4.由10）11）可知：S u 、 U 均与电桥的工作臂数、U o 供桥电压成正比；但U o 供桥电压过大会使应变片的温度变大。
热电阻传感器及其应用
机械工程测试技术作业电阻式传感器的应用姓名：李永贤班级：机械设计制造及其自动化13-1班学号：20131129热电阻传感器及其应用摘要：热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合。
介绍了金属热电阻和热敏热电阻传感器的工作原理、分类、结构及应用。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。
在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。
热电阻传感器具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。
1 工作原理在金属中，载流子为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。
热电阻就要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。
热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。
半导体中参加导电的是载流子，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子数目少得多，所以它的电阻率大。
随温度的升高，半导体中更多的价电子受热激发跃迁到较高能级而产生新的电子—空穴对，因而参加到电的载流子数目增加了，半导体的电阻率也就降低了（电导率增加）。
因为载流子数目随温度上升按指数规律增加，所以半导体的电阻率也就随温度上升按指数规律下降。
热敏电阻正是利用半导体这种载流子数随温度变化而变化的特性制成的一种温度敏感元件。
电阻式传感器教学课件
通过测量电阻值的变化，可以得 知被测物理量的变化，从而实现 非电量到电量的转换。
电阻式传感器的分类
01
02
03
应变片式
利用导体材料的应变效应 ，将压力、应变等物理量 转换为电阻值变化。
热电阻式
利用导体或半导体的温度 效应，将温度变化转换为 电阻值变化。
电位计式
利用电位计的电刷在电阻 体上滑动，将位移或角位 移转换为电阻值变化。
稳定性与可靠性
稳定性
稳定性是指电阻式传感器在长时间使用或在不同条件下保持 其性能参数的能力。稳定性好的传感器能够提供更可靠、更 准确的测量结果。
可靠性
可靠性是指电阻式传感器在规定条件下和规定时间内完成规 定功能的能力。可靠性高的传感器具有更长的使用寿命和更 高的可靠性，能够保证测量的稳定性和准确性。
后续评估和改进。
06
电阻式传感器的发展趋势与展 望
Chapter
新材料、新工艺的应用
高分子电阻式传感器
01
利用高分子材料的导电性，具有灵敏度高、响应速度快、耐腐
蚀等特点。
纳米电阻式传感器
02
利用纳米材料的超小尺寸效应，实现传感器的高精度和高灵敏
度。
陶瓷电阻式传感器
03
利用陶瓷材料的稳定性和绝缘性，具有高温、高压、高频等优
良特性。
多功能、智能化的发展趋势
集成化
将多个传感器集成在一个芯片上，实现多参数、 多功能的测量。
智能化
通过微处理器和算法的应用，实现传感器的自校 准、自补偿和自诊断等功能。
网络化
通过物联网技术，实现传感器数据的远程传输和 实时监测。
在物联网、人工智能等领域的应用前景
物联网
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，
传感器与检测技术电阻式温度传感器
04电数字式体温计电阻式温度传感器的测试项目描述•数字式体温计是利用电阻式温度传感器将温度转换成数字信号，然后通过显示器(如液晶、数码管、LED矩阵等)以数字形式显示温度，能快速准确地测量人体温度。
与传统的水银体温计相比，具有读数字方便，测量时间短，测量精度高，能记忆并有提示音等优点，尤其是数字体温计不含水银，对人体及周围环境无害特别适合于医院，家庭使用，如图4-1所示。
•通过本项目的学习，主要给•大家介绍电阻式温度传感器•（也称为热电阻传感器）的•工作原理及常见的热电阻传•感器。
一、温度测量的基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。
温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。
模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。
它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。
各类温度计的刻度均由温标确定。
2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。
几种温标的对比正常体温为37 C，相当于华氏温度多少度？知识准备•一、热电阻传感器•热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。
下面介绍金属热电阻传感器。
•（一）金属热电阻的工作原理•金属热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。
当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。
取一只100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。
•（二）常用热电阻及特性•常用热电阻材料有铂、铜、铁和镍等，它们的电阻温度系数在(3～6)×10−3/℃范围内，下面分别介绍它们的使用特性。
•1．铂电阻•又称白金，是目前公认的制造热电阻的最好材料。
它的优点是性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。
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
2、电阻式传感器原理与应用
dA 2 dr Ar
x
dL L
y
dr r
r为金属丝半径
εx为金属丝轴向应变
εy为金属丝横向应变
➢ 轴向应变εx的数值一般很小， 常以微应变度量；
➢ μ为电阻丝材料的泊松比，一 般金属μ=0.3-0.5；
对金属材料，电阻率几乎不变：
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
由于空腔内传压介质的高度比被测溶 液的高度高，因而腰形筒微压传感器处 于负压状态。
为了提高测量的灵敏度，安装了两只 性能完全相同的微压传感器。
液位传感器： 当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压
传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：
U0 U1 U2 (A1 A2 ) g h
料常用康铜和镍铬合金等。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。
半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类 型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上 施加力时，其电阻的变化方式不同)。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
✓灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
✓绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。 一般大于1010Ω。
✓其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度 等）。
3.2 测量电路及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路
将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测 量的测量。
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应 变所引起的电阻相对变化。
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系 数”，由实验测定。
第07单元 电阻应变式传感器应用——称重实验
砝码产生的实际电压变化值:
（3）观察场景模拟实验界面情况 （4）更换砝码
片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。
（1）电子应变片的结构
金属丝式应变片的结构包括： 1）基底 2）敏感栅 3）盖层 4）引线
（2）电阻的应变效应 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻
值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生 变化的现象，称为金属电阻的应变效应。应变效应 图如下
原始电阻为:
⑦J2接口，测量直流电桥平衡电路输出的负端电压，即 AD623负端输入（2脚）电压；
⑧接地GND接口J4；
⑨信号AD值接口接口J3，测试经信号放大模块放大后电路 输出的电压，该电压由AD623（6脚）输出，经R3和R7分 压后采集R7的电压；
信号放大电路:
输出电压经过分压后作为A/D转换器的输入模拟电 压，即模块中信号AD值对地电压，它的为：
直流电桥电路图：
交流电桥电路：
（1）直流电桥工作原理 输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为：
（2）电阻应变片的测量电桥 电阻应变式传感器的测量直流电桥电路：
受到拉应变，电路输出电压为：
假设一只受拉，一只受压，且受力相等，使得应变 片的电阻变化大小也相等，即，电路的输出电压为：
（3）应变片直流全桥电路 将4只应变片接入电桥，且差动工作，电路构成四臂 直流电桥。当电桥四个臂的电阻发生改变而产生增 量时，假定和臂受到拉应变，和臂受到压应变，此 时若四臂电阻变化相等，即,则输出电压为：
信号放大的放大系数为：
（2）称重传感模块场景模拟界面认识
任务一 实验目的 任务二 实验原理 任务三 实验步骤
1. 启动称重传感模块 称重传感模块工作实图如图
（1）将NEWLab实验硬件平台通电并与电脑连接。
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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：
dR d （ 1 2 ） R
（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。 金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应； 可取 ：
电阻应变片的应用 ——电子秤重装置的设计
本次所设计的称重装置要求达到的称重精度为0.1克， 称重范围为10克——1000克。同学们可根据测量要求自行 设计实现方案。方案最好以YL—CG实训台为依托，尽量 少采用其它的元器件、电路模块或设备，这样便于更方便 地实施。这里给出两种方案供参考：方案一是建立在实训 一的基础上，产用一个测量应变片来进行检测；此方案简 单易行，所用模块少，但精度较低，不一定能满足测量要 求；方案二是建立在实训二的基础上，产用交流全桥测量 电路，用到四个电阻应变片。可以获得较高的测量精度和 足够的测量范围；但所用电路模块较多，结构较复杂，实 现起来较困难。
R4 W2 R1
R1 R3
2 D1 D2
7 μA741
+15V R5 V0
Vi1
R5 W1 R2 R4 W2 C
6 4
R2 Vi2
3
+ 5 W1
1
R3
图1.4
电桥模块原理图
-15V 图1.5 差放电路原理图
从电路图中可以看出此差动放大器模块主要由三部分组成：一是信号 的输入输出部分；二是零点调节部分:当一个理想运算放大器的两个输入 端输入相同的电压或直接接地时，其输出电压应为零，但在实际应用时 却不为零，因此需要通过调零电路来进行校准，即通过调节W1的大小来 实现。调零的原理是将运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运算放 大器本身的失调电压，达到调零的目的；三是增益部分。当运算放大器 的 反 相 端 和 同 相 端 分 别 输 入 信 号 V1 和 V2 时 ， 则 输 出 端 电 压 ： Vo ＝ － RF•V1/R1＋（1＋RF/R1）（R3/（R2＋R3））•V2； 其中RF＝R4＋W2。由于RF为R4＋W2之和，所以随着W2的改变将有不同 的增益表现.。此模块的具体使用方法如下： 1．将输入端“Vi1”和“Vi2”通过连接线同地相接，其输出端“Vo” 接到 电压表的输入端； 2．接通实验台的总电源，观察电压表上显示的数字，如果不能持续 保持“ 0”数字，则需通过对 W1进行顺时针或逆时针方向细致地旋转来使 输出为零； 通过上述的步骤之后，差动放大器的初始调零工作就结束了，但是 放大倍数旋钮W2要预先按要求旋至合适的位置上。电压表也直接做在实 训台面板上，使用时应注意被测量电压不能大于它的量程，否则显示会 溢出。
5 4
3 2
1 图1 应变片结构
4.测量电路 为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应 用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵 敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地 满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。 电桥电路按辅助电源分有直流电桥和交流电桥，由于直流电桥的输 出信号在进一步放大时易产生零漂，故交流电桥的应用更为广泛。直 流电桥只用于较大应变的测量，交流电桥可用于各种应变的测量。 电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种。基本电路如图 1.2所示。
术),也就是对一些非电量如:压力、力矩、应变、位
移、速度、温度、流量、液位、重量等进行检测， 在现代化的自动检测、遥控和自动控制系统中，这 是必不可少的部分，如果缺少了传感器技术，自动 化将无从谈起。
传感器好比人的五官，人通过五官即：眼（视
觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）、四肢
身体（触觉）感知和接收外界的信息，然后通过神经
+4V R1 r RD R4 + 液晶电 压表
R2 -4V
R3
图1.3
测量原理图
所用仪器设备介绍
本次实验用到的仪器设备主要应变电桥、差动放大器、直流稳压电源 及液晶电压表等四种。应变电桥作为一个电路模块，由四个5.1K的电阻和一 个于交流电路中。 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。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μ A741组成，它的电路原理如图1.5所 示：
dR （ 12 ） R
（1—5）
dR （ 1 2） l R
其灵敏度系数为： K=
（1—6）
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。
3.基本结构
电阻应变式传感器主要有四个部分组成，如图1.1所示： 1，引出线，作为连接测量导线用，对测量精度至关重要； 2，电阻丝也叫敏感栅，是应变片的转换元件，是这类 传感器的核心构件；3，粘结剂，它的作用是将电阻丝 与基底粘贴在一起；4，基底，基底是将传感器弹性体 的应变传送到敏感栅上的中间介质，并起到在电阻丝 和弹性体之间的绝缘作用和保护作用；5，面胶或叫 覆盖层，是一层薄膜，起到保护敏感栅的作用；
传感元件又称变换器，能将敏感元件感测受 到的非电量变换成为电量。
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是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，此类传感器主要是在弹性元件上通过特定 工艺粘贴电阻应变片来组成。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，再通过测量电路进一步将 电阻的改变转换成电压或电流信号输出。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. 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 用下产生应变的同时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 其电阻R为（根据电阻的定义式） L L R （1—1） A r
敏感元件 被测非电量
传感元件
测量电路 电量
辅助电源
传感器组成框图
敏感元件能直接感受被测非电量，并按一定 规律转换成与被测非电量有确定对应关系的其 它物理量（一般仍为非电量）。 电阻应变片是与弹性膜固连在一起的，弹性 膜片的应变传递给电阻应变片，引起电阻应变 片电阻值的变化，也就是说电阻应变片能将应 变转换成电阻的变化，所以电阻应变片就是传 感元件。
思考题
1.电阻应变式传感器的灵敏度与哪些因素有关？ 2.试分析所测数据中存在的非线性因素，并说明解决的办法。 3.分析你在本实验中测得的数据可能存在的误差情况。 4.电桥电源的大小与稳定对测量结果会产生什么样的影响？
山西大学
物 理 实 验 中 心
李保春 E-mail：s6109@
根据电阻应变式传感器的工作原理，利用CSY— 998型传感器实验台提供的设备来进行测试。基 本原理如图1.3所示，图中R1、R2、R3为普通电 阻，R4为应变电阻；RD和r组成调零电位器，采 用4V直流稳压电源。 实验台有一应变梁，梁上贴有应变片，并有一 个放砝码的托盘，通过加砝码来改变梁的应变， 再由测量电路将梁的应变转换成电压信号经差 动放大器放大后送入直流电压表显示。由于梁 的应变非常小，故需使用差放来放大，为使放 大器工作稳定，减少零漂，可采用交流电桥， 以得到更好的检测效果。通过砝码重量（每个 砝码重为20 g）可对其标定，测试出它的线性范 围，并标出其单位：mV/g；例如：测出放置1个 砝码时的电压输出为5 mV（可进行调整），2个 砝码时的电压输出为10 mV，等等；就可算出其 标定值为0.25 mV/g。
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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：
dR dL dr d 2 R L r
（1—2） 为导体的横向应变量 εr； r （1—3）
dr
式中：dL 为导体的轴向应变量εL； L L r 由材料力学得：
R2 R1 R3 U0 R1
R2 R3 e ~0 R1
R2 R3 U0
R4 E e
R4
R4 E
~
图a 直流电桥 图b 交流电桥 图c 单臂输出
R2 R2 R1 R3 U0 R1 R4 R4 E E R3 U0
图d 双臂输出
图e 全桥输出
注
此为应变电阻
图1.2 电桥电路工作原理
电阻应变式传感器性能测试原理
电阻式传感器性能测试及应用
电阻式传感 器性能测试 及应用
传感器简介 传感器工作原理 实验电路 电子秤设计
山西大学物理实验中心
传感器指能感知某一非电量的信息，并能将之转 化为可加以利用的信息的装置。或者说是将被测非 电量信号转换为与之有确定对应关系的电量信号输 出的器件或装置。传感器技术（也可以说是测量技
系统传输给大脑进行加工处理。传感器则是一个控制
系统的“电五官”，它感测到外界的信息，然后反馈
给系统的处理器即“电脑”进行加工处理。如果一个 控制系统没有传感器，就象一个人没有五官，其结果 是可想而知的。
传感器一般是利用物理、化学、生物等的某些效 应或原理按照一定的制造工艺研制的。通常由敏感 元件、传感元件（转换元件）、测量电路（信号调 节与转换电路）和辅助电源几部分组成。