《传感器技术及应用》 项目三 力和压力的测量分解

任务一 使用电阻应变式传感器测量力 二、电阻应变式传感器组件
4. 力和转矩传感器
拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作 用下的短粗圆柱体如图（a）、（b）所示。 测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片， 在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者 测量符号相反的横向应变，从而构成差动式。 另一种弯曲梁和扭转轴上的应变片也均可构 成差动式，如图（c）、（d）所示。此外， 用环状弹性敏感元件测拉（压）力也是较普 遍的，如图（e）所示。
1. 筒式压力传感器
没有压力作用时，这四片应变片构成的全桥处于平衡；当外部压力作 用于应变管内腔时，圆管发生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器 测量范围在106Pa～107Pa或更高的范围。其结构简单，制作方便，使用 面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广泛应用。
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 二、电阻应变式传感器组件
铁架台、烧瓶夹 刮胡刀片 透明塑料杯 502胶水 金属箔式应变片 细塑料套管
棉纱线
砝码 5~20g
若干
若干
电位器
导线
Leabharlann Baidu
100Ω
1
若干
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 实践操作 制作步骤
1）应变片选用如上图3-2所示的金属箔状应变片，其两条金属引出线分别套上 细塑料套管，用502胶水把两片应变片分别贴在刮胡刀片（1/2片）正、反面的 中心位置上，要求胶水要涂得均匀且薄，多用反而不好。注意防止将电阻片的 引线也粘在刀片上。敏感栅的纵轴应与刀片纵向一致。称重传感器的装配侧视 图如图所示。
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 二、电阻应变式传感器组件
5. 应变式加速度传感器
应变式加速度传感器是一种惯性式传感 器。测量时，根据所测振动体的方向，将传 感器粘贴在被测部位。当被测点的加速度沿 图中所示箭头方向时，悬臂梁自由端受惯性 力F=ma的作用，质量块m向加速度a相反的 方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形， 应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出 信号大小与加速度成正比。
R1 R 3 R2 R4
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
（2）双臂半桥电路 初始时
R 1 R 2 , R 3 R 4 ，则输出电压为U0
E R 1 U0 2 R1
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
（3）四臂全桥电路
R 1 U0 E R1
项目三 力和压力的测量
任务一 使用电阻应变式传感器测量力
任务导入 验证应变效应
取一段细电阻丝，两端接上一台三位半数字欧姆表（分 辨率为1/2000以上），测量其初始值并记录下来，然后 将电阻丝均匀拉长，再测量其阻值，会发现其阻值略有
增加。
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 实践操作
简易电子秤的制作
主要实验器材
名称 型号 数量 1副 若干 若干 1 120Ω 2 若干 名称 检测面板微安表PA 直流电源 电阻 电阻 电阻 电位器 型号 量程199.9μA 3V/6V 150Ω 100Ω 47Ω 1.5kΩ 数量 1 各一个 1 2 1 1
按照电路的电源性质不同，桥式电路可分为直流电桥和交流电桥，一般多采用直 流电桥。直流电桥及其三种工作电路如图所示。
直流电桥及其三种工作电路
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
（1）单臂半桥电路
R3 R1 U0 E( ) R1 R 2 R 3 R 4
当电桥平衡时，U0=0，则有
任务一 使用电阻应变式传感器测量力
二、电阻应变式传感器组件
电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片（计）、补偿电阻和外壳组成，常 用的电阻应变式传感器有应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感 器、应变式位移传感器、应变式加速度传感器和测温应变计等
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 二、电阻应变式传感器组件
1. 电阻应变片的分类
按电阻应变片敏感栅材料的不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。
电阻丝应变片结构形式
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
2. 电阻应变片的结构
电阻应变片的结构简图
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 一、电阻应变片的分类与结构
3. 电阻应变片的测量电路
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 实践操作
简易电子秤的制作
左边相邻臂R1、R3分别为刮胡刀片上、下面 粘贴的金属应变片，当刮胡刀片在向下拉力 作用下发生弯曲时，凸面粘贴的应变片被拉 长，电阻值增加，凹面应变片则被压缩，电 阻值减小，这种应变片使用方法不仅使电桥 输出电压增加一倍，还具有温度补偿作用。 电桥测量电路右边的两个相邻臂分别为电阻 器R2和电桥平衡零点调节电路，后者由电阻 器R4、R5、R6和零点调节电位器RP2混联而 成。调节RP2时，其等效电阻值变化范围减 小到125~160Ω，可以实现电桥平衡精密调 节。电桥检测部分由数字微安表PA和灵敏 度调节电位器RP1串联而成。电桥电路采用 直流电源E供电，电压为3V，电桥输出小于 9mV时，传感器称重线性良好。
简易电子秤的制作
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 实践操作 制作步骤
2）安装好铁架台，并用烧瓶夹固定住刮胡刀片传感头根部及上面的引线，另一端悬 空，吊挂好用棉纱线及塑料水杯制成的“吊斗”。 3）按图连接好电路。 4）接通电源E并稳定一段时间后，将灵敏度调节电位器RP1的电阻值逐渐调至最小， 此时电桥检测灵敏度最高。 5）再仔细调节零点电位器RP2，使数字微安表PA的读数恰好为零，此时电桥平衡。 6）在“吊斗”中轻轻放入20g砝码，调节灵敏度电位器RP1，使检测面板微安表读数 为一个整数值，如2.0μ A，灵敏度标定为0.1μ A/g。
2. 膜片压力式传感器
当气体或液体压力作用在弹性元件膜片 的承压面上时，膜片变形，使粘贴在膜片另 一面的电阻应变片随之形变，并改变阻值。 这时测量电路中的电桥失去平衡，产生输出 电压。
任务一 使用电阻应变式传感器测量力 二、电阻应变式传感器组件
3. 组合式压力传感器
当元件感受压力后，推动推杆使梁变形， 从而使电阻应变片随之变形，并改变阻值。 悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器， 可以提高测量的稳定性，减小机械滞后。