自动检测技术及应用2-1检测教案,第二章,第一节

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2024年5月6日发(作者：)

自动检测技术课程 授课教案

第二章

电阻传感器Ⅰ

课题：电阻应变传感器的

原理及应用

课时安排：2

难点

：

重点：

教学目的和要求

电桥的调零，温度补偿

电阻应变传感器的应用

1．了解应变效应的原理。

2．了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。

3．掌握应变效应的应用

。

课次编号：3

教材分析

采用教学方法和实施步骤

：

讲授、课堂讨论、分

析

教具

：

各种应变片

演示先来做一个实验。当用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减

各

教

小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω

学

增大到10.05Ω，如图所示

。

环

节

和

内

容

电阻丝在拉力作用下阻值增大

引出结论：应变效应

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生

变化，这种现象称为应变效应。

在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量

ε

x

＝Δl/l，称为纵向应变

图2-3 几种不同类型的电阻应变片

a）金属丝式 b）金属箔式 c）单轴2元素半导体应变片

1－电阻丝 2－金属箔 3－半导体 4－基片 5－引脚 6－定位标记

应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。半导体应变片的灵敏度比金属

应变片高几十倍，但一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重，必须考虑温度补

偿。表2-2列出了一些常用应变片的主要技术参数。

1

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表2-1 应变片主要技术指标

参数名称

PZ-120型

PJ-120型

BX-200型

BA-120型

BB-350型

PBD-1K型

PBD-120型

电阻值

/

Ω

120

120

200

120

350

120(1+10%)

灵敏度

1.92.1

1.92.1

1.92.2

1.92.2

1.92.2

120(1+5%)

电阻温度系数

/

（1/℃）

2010

-6

2010

-6

－

－

－

0.4%

0.2%

①

极限工作温度最大工作电流

/

℃

-1040

-1040

-3060

-30200

-30170

40

40

/

mA

20

20

25

25

25

15

25

1000(1+10%) 145(1+5%)

提问：表2-2中，哪几种型号属于半导体应变片？依据是什么？

三、测量转换电路

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧表测量其电阻值的变化将十分困

难，且误差很大，所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将电阻的变化转

换为输出电压U

o

。

不平衡电桥测量转换电路如图2-7a所示。电桥的一个对角线结点接入电源电压

U

i

，另一个对角线节点为输出电压U

o

。

提问：电桥平衡条件是什么？

为了使电桥在测量前的输出电压为零，应该选择四个桥臂电阻，使R

1

R

3

=R

2

R

4

或

R

1

/R

2

=R

4

/R

3

。

图2-4 桥式测量转换电路

a）基本应变桥路 b）桥路的调零原理

不平衡电桥的分类：

根据不同的要求，应变电桥有3种不同的工作方式。

1）单臂半桥工作方式（R

1

为应变片，R

2

、R

3

、R

4

为固定电阻，R

2

＝R

3

＝R

4

＝0）；

2）双臂半桥工作方式（R

1

、R

2

为应变片，R

3

、R

4

为固定电阻，R

3

=R

4

=0）；

3）全桥工作方式（电桥的四个桥臂都为应变片）。

重点：什么是电桥的调零：

实际使用中，R

1

、R

2

、R

3

、R

4

不可能严格地成比例关系，所以即使在未受力时，

桥路的输出也不一定能严格为零，因此必须设置调零电路。调节RP，可以使电桥趋于

平衡，U

o

被预调到零位，这一过程称为调零。

讨论调零的原理和电位器的调节方向。讨论图中的R

5

是用于减小调节范围的限流

电阻的原理。

四、应变效应的应用

2

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1．应变式力传感器

应变式测力传感器的几种形式

a）环式 b）环式外形 c）悬臂梁式

解释什么是悬臂梁？

悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁的灵敏度较高，多用于较

小力的测量。常见的电子秤中就多采用悬臂梁来测量质量（重量）。

2．应变式荷重传感器

测力或荷重（称重）的传感器很大一部分采用应变式荷重传感器。荷重传感器如

图2-11所示，它的输出电压U

o

正比于荷重F

。

荷重传感器结构示意图

a）外形图 b）应变片在承重等截面圆柱上的粘贴位置

荷重传感器的输出电压U

o

正比于荷重F。实际运用中，生产厂商一般会给出荷重传

感器的灵敏度K

F

。设荷重传感器的满量程为F

m

，桥路激励电压为U

i

，满量程时的输出

电压为U

om

，则K

F

被定义为

K

F



U

om

（2-8）

U

i

桥路所加的激励源电压U

i

越高，满量程输出电压U

om

也越高，U

i

通常为12V左右。

由于U

o

往往是mV数量级，而U

i

往往是V级（12V左右），所以荷重传感器的灵敏

度以mV/V为单位。在额定荷重范围内，输出电压U

o

与被测荷重F成正比，所以有

U

o

F

（2-9）



U

om

F

m

3

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将式（2-8）代入式（2-9）可得到在被测荷重为F时的输出电压U

o

为

U

o



KU

F

U

om



Fi

F

（2-10）

F

m

F

m

例：用某荷重传感器称重。当桥路电压U

i

为6V时，测得桥路的输出电压U

o

为8mV，

求被测荷重为多少吨？

解：从该荷重传感器铭牌上得到F

m

=100103N，K

F

= 2mV/V， 可计算得到U

om

=12mV。

根据上述公式计算得被测荷重：

33

U

F10010810

3

o

m

F66.6710N6.8t

3

K

F

U

i

2106

课外学习指导

课堂补充作业

第2题

课外作业

检测教学目标实

考察学生能否掌握不同应变片的用途，以及不平衡电桥的调零的概念。

现程度

4

本文标签： 应变传感器电桥荷重