基于电阻应变片的压力传感器设计
一款由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成电桥式传感器电路图
压阻式应变压力传感器的主要由电阻应变片按照惠斯通电桥原理组成。
电阻应变片：一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。
它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。
电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。
应变仪、磁性电阻元件、半导体压力传感器等以电桥方式工作是很常见的。
置方式有平衡驱动和方法又抱括恒压驱动和恒流驱动。
本电路用数MA的恒定电流使传感器不平衡置偏，由仪表放大器接收。
传感器采用扩散式压力传感器P-3000S-102G，压力范围为0~1KG/CM2。
电桥式传感器电路图
元件选择：P3000S-102G。
基准电压二极管必须选用1.2V的产品。
在传感器不加压情况下，调节VR1使偏流IB为1.5MA。
断开传感器的一端，接上测量电流用的跨接线，对电流进行测量。
没有必须进行准确的调节，可把VR1换成固定电阻。
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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，
基于电阻应变式传感器的电子秤设计
摘要电阻应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。
电阻应变式传感器是传感器中应用最多的一种，广泛应用于电子秤以及各种新型结构的测量装置。
应变式传感器具有以下优点：（1）测量范围宽、精度高，如测量力可达10-1～106N、0.05% F.S，测量压力可达10～1011Pa、0.1% F.S，测量应变可达με～kμε级；（2）动态响应好，一般电阻应变片响应时间为10-7s，半导体式应变片响应时间达10-11s；（3）结构简单，使用方便，体积小，重量轻；品种多，价格低，耐恶劣环境，易于集成化和智能化。
电阻应变片传感器通过调节放大器的放大倍数，并采用A/D转换器，通过A/D转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，传送到显示电路，最后由显示电路显示数据。
这种电子秤具有精确度高，操作简单，性能稳定，价格低廉，成本低，制作简单等优点。
关键字：电子秤、电子应变片、A/D转换器，显示电路LED。
目录摘要 (I)目录 (II)前言 (1)第1 章绪论 (2)1.1 课题意义 (2)1.2课题方案 (2)第2章测量电路 (3)2.1 应变式传感器的工作原理 (3)2.2 电阻应变片的特性 (4)2.2.1 电阻应变片 (4)2.2.2 横向效应 (5)2.2.3 应变片的温度误差及补偿 (6)2.3电阻应变式传感器的测量电路 (8)2.3.1 直流电桥 (8)2.3.2 交流电桥 (11)第3章应变传感器的应用 (13)3.1 柱(筒)式力传感器 (13)3.2 膜片式压力传感器 (13)第4章差动放大电路 (15)4.1仪表仪器放大器的选择 (15)4.2 差动放大电路图： (16)4.3 A/D转换 (16)4.4 A/D转换器的选择 (17)4.5 电压表部分电路图应用 (17)第5章用电阻片构成的电子秤 (19)总结 (21)参考文献 (22)前言本文简述的是由电阻应变片式传感器组成的电子秤。
《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。
应变片式压力传感器工作原理
应变片式压力传感器工作原理应变片式压力传感器是一种常用的压力测量设备，它通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。
其工作原理基于材料力学中的应变-应力关系。
应变片式压力传感器的工作原理可以分为两个主要步骤：应变测量和压力计算。
首先，应变片感知物体受力后产生的应变。
应变片是一种特殊的电阻材料，通常由金属或半导体材料制成。
当物体受力时，应变片会发生微小的形变，从而产生应变。
应变片上的电阻值会随着应变的变化而发生相应的变化。
为了测量应变片上电阻的变化，常用的方法是采用电桥电路。
电桥电路由四个电阻组成，其中一个电阻是变化的应变片电阻，其余三个电阻是固定的。
当应变片受到应变时，电桥电路中的电阻差会导致电压差的产生。
这个电压差可以通过测量电桥电路的输出电压来得到。
接下来，根据应变和压力之间的线性关系，可以通过压力传感器的校准曲线来将输出电压转换为压力值。
校准曲线可以通过实验测量获得，将已知压力值与输出电压值进行对应，获得一个压力-电压的关系曲线。
当测量到的输出电压通过校准曲线转换后，就可以得到物体所受的压力值。
应变片式压力传感器的精度和灵敏度主要取决于应变片的材料和几何形状。
常用的应变片材料有金属（如钢、铜、铝）和半导体材料（如硅）。
不同的材料具有不同的力学性质，因此适用于不同范围的压力测量。
此外，应变片的形状和布局也会影响传感器的灵敏度和响应速度。
需要注意的是，应变片式压力传感器在使用过程中还需要考虑温度对其性能的影响。
由于材料的热膨胀性质，温度变化会导致应变片的形变，从而产生误差。
为了解决这个问题，常见的方法是在应变片上加热敏电阻，通过测量电阻值的变化来补偿温度的影响。
应变片式压力传感器通过检测物体受力而产生的应变来测量压力大小。
其工作原理基于应变测量和压力计算两个步骤。
通过测量应变片上电阻的变化，并将输出电压转换为压力值，可以实现对压力的准确测量。
在实际应用中，还需要考虑材料的选择和温度补偿等因素，以提高传感器的性能和精度。
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器工作原理
应变式压力传感器是一种常见的压力测量装置，其工作原理如下：
1. 压力传感器通常由一个金属薄片或金属箔制成，被称为应变片。
应变片具有较高的弹性和导电性能。
2. 当外界施加压力时，应变片会发生变形，使其长度和宽度发生微小的改变。
这种变形称为应变。
3. 应变片的变形导致了其电阻的改变，从而导致了电阻值的变化。
4. 应变片上的测量电桥测量这种电阻的变化。
电桥通常由四个电阻组成，其中两个形成应变片的一部分，另外两个为参考电阻。
5. 当压力施加到应变片上时，电阻值会发生变化，导致电桥失衡。
6. 失衡的电桥输出信号经过放大和处理后，转换为与压力成比例的电压或电流信号，输出给压力计或控制系统。
总结起来，应变式压力传感器通过测量应变片上的电阻变化来确定被测压力大小。
压力传感器电路工作原理
压力传感器电路工作原理
答案：
压力传感器电路的工作原理主要基于压电效应、压阻效应和弹性敏感元件的形变。
具体来说：
压电式压力传感器。
其主要工作原理是压电效应，即某些晶体在受到机械力作用时发生变形，从而产生极化效应，导致电信号的输出。
当外力作用在压电材料上时，其表面会形成电荷，这些电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗后，被转换成为与外力成正比关系的电量输出。
压阻式压力传感器。
其基于压阻效应，即材料在受到机械应力时电阻值发生变化。
在压阻式压力传感器中，通常使用电阻应变片，这些应变片吸附在基体材料上，随着机械形变而产生阻值变化。
电阻式压力传感器。
其基于电阻应变效应，即金属电阻应变片随机械形变而产生阻值变化的现象。
当压力作用于弹性元件上时，它会产生形变，从而使电阻片的电阻值发生变化，这个变化的电阻值可以通过导线传输到电路中，从而被处理成标准的电信号。
弹性敏感元件的形变。
在压力传感器中，弹性敏感元件（如弹性膜）用于感受压力的变化，这些元件在大气压或其他外力作用下发生形变，通过惠斯通电桥等测量电路将形变转换为电压或电流信号，从而度量压力的大小。
不同类型的压力传感器（如压电式、压阻式、电阻式）可能采用不同的材料和技术，但它们的核心工作原理都是将压力的变化转换为可测量的电信号。
电阻应变式压力传感器的原理
电阻应变式压力传感器的原理
电阻应变式压力传感器是一种常见的压力测量装置，其工作原理基于电阻在受力作用下发生应变的特性。
该传感器通常由一个金属薄膜或金属箔片制成，被粘贴或固定在一个特殊的基座上。
金属薄膜上通常有细微的导电电阻线路，这些线路被连接到外部电路上。
当传感器受到压力时，薄膜或箔片发生弯曲或拉伸，导致电阻线路的长度、宽度或电阻值发生变化。
通过测量电阻值的变化，可以间接确定压力的大小。
传感器外部的电路会通过电流的流过测量电阻并采集电阻值，根据电阻值的变化可以计算出压力的数值。
为了提高传感器的灵敏度和精度，常常采用电桥的结构来测量电阻值。
电桥由四个电阻元件组成，其中一个是传感器本身，其余三个用作参考电阻。
传感器和参考电阻之间形成一个电路，应变导致电桥平衡被破坏，使电桥的电压输出不为零。
通过测量电桥的电压输出，可以将其转化为压力值。
电阻应变式压力传感器的工作原理基于电阻值的变化，因此其测量的精度和灵敏度受到传感器材料、结构和外界环境等因素的影响。
为了保证测量的准确性，需要对传感器进行校准，并选择合适的传感器类型和参数。
电阻应变式压力传感器介绍
如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试 件上，这时各直线段上的金属丝只感
受沿其轴向拉应变εx，故其各微段电
阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微 段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却
并非是εx。所产生的电阻变化与直线
段上同长微段的不一样，在θ=90°的 微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产
2.绝缘电阻(敏感栅与基底间电阻值：要求>1010欧姆；
3.应变片的灵敏系数（K）
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系， 用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性， 与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变
特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在
在金属丝的弹性范围内，灵敏系数KS 为常数，即 ：
R R
Ks
线性关系
通常很小，常用10-6表示之。例如，当 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
14
800(动态)
450(静态)
13.3
800(动态)
450(静态)
13.3
800(动态)
550(静态)
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1000(动态)
800(静态)
9
1000(动态)
800(静态)
9
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800(静态)
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1000(动态)
2.基底材料
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持 敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称 为基底长，其宽度称为基底宽。
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基于电阻应变片的压力传感器设计
一、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，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。
二、初始条件：采用电阻应变片设计测量力、压力、加速度、位移等物理量的传感器，
设计时自行确定被测变量及测试范围，并根据测量的需要选择应变片的型号、数量、粘
贴方式以及弹性元件的结构形式、相关测试电路等。
三、方案的选择
此次传感器课程设计选用应变式拉压传感器。设计中只要把应半片贴在承受负载的
弹性元件上，通过测量弹性元件的应变大小即可求出对应的负载大小，而弹性元件的应
变大小可以通过应变片电阻大小的变化量来求得。故可以通过选择不同的弹性元件和测
量电路来提出不同的方案。
四、方案的制定
1、根据弹性体的结构形式的不同可分为：
轮辐式，梁式，环式，柱式等。在测量拉/压
力上主要用到的是柱式传感器。柱式传感器
的弹性元件分为实心和空心两种，如图1.1所示。（a是实心，b是空心）
1.1 柱式传感器的弹性元件
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化Δ
R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，
才能用电测仪表进行测量。常用的有两臂差动电桥
和全桥电路，如图1.2所示。
图1.2 直流电桥电路
2、电路转换部分
一般电桥的输出电压为
))((43213241ioRRRRRRRRUU
(2-1)
如图1. 2，两臂差动电桥电路的电压输出为
))(()(432211322411ioRRRRRRRRRRRRUU
）（
… （2-2)
设初始时RRRRR4321,工作时一片受拉一片受压，即RRR21,则式
（3-11）可以简化为
22iioURRUU
（2-3）
差动电桥电压灵敏度为
2
i
U
U
（2-4）
同理若采用四臂电桥，如图3.2所示并设初始时RRRRR4321，工作时
RRRRR
2341
时，输出为
iio
UURRU
（2-5）
四臂电桥的电压灵敏度为
iUU
（2-6）
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。
3、 应变片的选择
电阻应变片
五、测量电路的设计与计算
1电桥电路的设计与计算
依照课程设计中的方案选择知使
用的电桥为全桥电路。在实际测量中，
作用力不可能正好通过柱体的中心轴
线，所以这样的柱体弹性元件除了受
到拉（压）外，还受到横向力和弯矩。
通过图5.1所示应变片的粘贴、连接
方法可以减小这种影响。 图5.1 应变片的粘贴和连接方法
图中各应变片上的应变分别为
t4411''
t3322''
式中：
t
为温度引起的虚假应变。
根据桥式电路输出
为
itio1]2121[144UUU）（）（）（ （5-1）
电桥电压灵敏度为
i1UU）（ （5-2）
电路设计中，应变片的连接如右图所示，对应图6.1
所示的应变片接法。所选用的是全桥形式的差动电桥，
且为提高电桥灵敏度或进行温度补偿，每个桥臂都安置
两个应变片。
此外，由于在零压力时，传感器大约有2mV的不平衡输出，并且放大器有输入失调
电压，因此，用组成的电桥电路进行零位调整。通过改变电位器 图
5.2 全桥的电路设计
的值，可改变补偿电压的大小，以使得零压力时U0=0V，
为了保证足够的调整精度，电位器为多圈电位器。
2、误差来源与精度分析
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：应变片的
电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试
材料的线膨胀系数不同。
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
t)(t1
RR
（7-1）
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
t)()(sgt2
RR
(7-2)
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：
t)(t)()()(sgt2t1t
RRRRRR
（7-3）
通常，在常温应变测量中采用桥路补偿法，如图6.1所示，这种方法简单，经济，
补偿效果好。
电桥的非线性误差
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（7-4）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。
RRRRRRRRRRRRRRL2])()(1[2
232
（7-4）
电路的灵敏度
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
PUA•••1s
（7-5）
由式（6-2），(6-8),(6-9)，并取s=2.0得
i
1718913o
87
)1(1)1(0.2URRRRRRR）（
（7-6）