第一篇：電阻應變片式傳感器測量橋梁應力報告

傳感器三級項目報告

項目題目：測量橋梁應力傳感

器

指導教師：

儀表三班：

學

號： 一．摘要：

目前，多數橋梁都屬于柱形橋，隨著時間的推移，橋身橋體會逐漸出現承載過重導致應力不集中甚至出現裂紋等破損，為了保證人民的人身財產安全，就要對橋身橋體進行實時監控，采取及時的補救措施。在現在大多數的監測方案中，幾乎都需要傳感器技術，本文對傳感器在測量橋梁應力的應用做了詳細的描述。

傳感器技術是利用各種功能材料實現信息檢測的一門綜合技術學科，是在現今科學領域中實現信息化的基礎技術之一。現代測量、控制與自動化技術的飛速發展，特別是電子信息科學的發展，極大地促進了現代傳感器技術的發展。同時我們也看到，傳感器在日常生活中的運用越來越廣泛，可以說它已成為了測試測量不可或缺的環節。因此，學習、研究并在實踐中不斷運用傳感器技術是具有重大意義的。

測量橋梁應力的基本思路是將傳感器粘附于橋身柱體部分，通過測量橋在空載和承載時傳感器的數值變化，通過數值的轉換與計算，得出橋梁承受的應力。因此，此次測量所需傳感器屬于壓力傳感器。二.電阻應變片的選擇 1電阻應變片類型的選擇

電阻應變計簡稱應變計（亦稱為電阻應變片或簡稱應變片）。它由四個部分組成。

第一是電阻絲（敏感柵），它是應變計的轉換元件。第二是基底和面膠（或覆蓋層）。基底是將長肝氣彈性體表面的應變傳遞到電阻絲柵上的中間介質，并起到電阻絲與彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護電阻絲的作用。

第三是粘合劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起。第四是引出線，它作為聯結測量導線之用。電阻應變片主要分為電阻絲式應變片、金屬箔式應變片和金屬薄膜應變片。由于電阻絲式應變片有橫向效應對測量的精度有影響，使靈敏度降低，而且耐疲勞性能不高。金屬薄膜應變片尚難控制電阻與溫度的變化關系，不常用。故選用金屬箔式應變片。箔式應變片的主要優點：

(1)本身性能穩定，受溫度變化的影響小；

(2)使用溫度范圍比較寬，在-269—+350 度范圍內穩定工作；

(3)適用于各種彈性體材料及彈性結構形式，粘貼操作簡便；

(4)價格便宜。

引線引線 覆蓋覆蓋層 層基片 基片l電阻絲 式敏感柵電阻絲式敏感柵b 金屬電阻應變片的結構

絲式金屬應變片的敏感柵由直徑0.01~0.05mm的電阻絲平行排列而成。

箔式應變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在0.003～0.01mm。其優點是散熱條件好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產。

薄膜應變片是采用真空蒸發或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵，最后再加上保護層。它的優點是應變靈敏度系數大，允許電流密度大，工作范圍廣。

(a)箔式應變片

(b)電阻絲式應變片

(c)絲式應變片

幾種常用應變片的基本形式

2.應變計敏感柵的材料

(1)材料的選用原則

應變計敏感柵合金材料的選擇對制作應變計性能的好壞起著決定性的作用，因此對制作應變計所用的應變電阻合金有以下的要求： a有較高的靈敏系數； b電阻率高；

c電阻溫度系數小，具有足夠的熱穩定性；

d機械強度高，壓碾或拉伸性能好，高溫時耐氧化性能要好，耐腐蝕性能強；

e與其它金屬接觸的熱電勢小； f與引出線焊接容易。三．測量電路原理分析及設計

1.溫度補償原理

電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。1)線路補償法

電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。電橋輸出電壓U0與橋臂參數的關系為：

U0=A（R1 R4-RB R3）

式中：A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數；

當R3和R4為常數時，R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用方向相反。利用這一基本關系可實現對溫度的補償。2）應變片的自補償法

這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片來補償的，稱之為溫度自補償應變片。

由溫度自補償應變片的工作原理，要實現要實現溫度自補償，必須有

?RtR0??t??[0?(?g??s)]?tK0K0

α0=-K0（βg-βs）

上式表明，當被測試件的線膨脹系數βg已知時，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數α0、靈敏系數K0和線膨脹系數βs，使上式成立，則不論溫度如何變化，均有ΔRt/ R0=0，從而達到溫度自補償的目的。

四．測量電路原理分析及設計 1.電橋電路原理

應變片將應變的變化轉化成電阻的相對變化ΔR/R,還要把電阻的變化再轉換成電壓或電流的變化，才能用電測量儀表進行測量。

電橋電路的原理是：如下圖的四臂電橋所示，因為應變片電阻值變化很小，可以認為電源供電電流為常數，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內阻為零。當電橋平衡時，即電橋輸出電壓V0為零的條件是：R1R3=R2R4。

圖2 當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時，即R1R3≠R2R4時，電橋輸出：

U0?R1R3?R2R4(R1?R2)(R3?R4)U

單臂電橋時，令R1=R2,R3=R4,R2,R3,R4為定值電阻，在應變片R1工作時，其電阻R1變化△R,此時電橋的靈敏度為：ku=U/4 電壓輸出為:

UO=(U/4)(△R1/R1)2.非線性誤差

為減少非線性誤差，電橋電路常用的措施為：①采用差動電橋；②采用恒流源電橋。為了提高電橋靈敏度或進行溫度補償，在橋臂中往往安置兩個應變片，電橋也可采用四臂差動電橋，其輸出電壓為：

UO=U△R/R 所以，本設計所選用的是全橋形式的差動電橋，且為提高電橋靈敏度或進行溫度補償，每個橋臂都安置兩個應變片。3.轉換電路和信號放大電路

來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制它，但是必須要求外接電阻完全平衡對稱，運算放大器才具有理想特性。否則，放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關，又與運算放大器本身的共模抑制能力有關。一般運算放大器共模抑制比可達80dB，而采用由幾個集成運算放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達100～120dB。

結合以上幾點，采用了低漂移運算放大器構成的三運放高共模抑制比放大電路。具體的電路如圖所示

本電路主要分為三個部分，第一就是調理調幅電路，二就是電橋轉換電路，三就是增益放大電路，這里面還包括共模抑制電路。

4.電橋轉換電路

電阻應變片的電阻R1,R2,R3,R4的電阻都為350歐。由這四個電阻組成一個全橋放大電路。

5.放大電路和共模補償電路

它由三個集成運算放大器組成，其中N1，N2為兩個性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運算放大器，構成平衡對稱（或稱同向并聯型）差動放大輸入級，N3構成雙端輸入單端輸出的輸出級，用來進一步抑制N1，N2的共模信號，并適應接地負載的需要。

由輸入級電路可寫出流過R6，R7和R14都電流IR為

IR=(U02-Ui2)/R7=(Ui1-U01)/R6=(Ui2-Ui1)/R14

由此求得 U01 =（1＋R6/ R14）Ui1－R6 Ui2/ R14 U02 =（1＋R7/ R14）Ui2－R7Ui1/ R14

于是，輸入級的輸入電壓，即運算放大器N2與N1輸出之差為

U02－U01 =[1＋（R6＋R7）/ R14]（Ui2-Ui1）

其差模增益Kd為 Kd＝（U02－U01）/（Ui2-Ui1）＝1＋（R6＋R7）/ R14

它的原理是由運放U1，U2組成第一級差分式電路，U3組成第二級差分式電路。在第一級電路中，V1，V2分別加到U1和U2的同相端，R6,R7和R14組成的反饋網絡，引入了深度的電壓串聯負反饋，兩運放U1，U2的兩輸入端形成虛短和虛斷,按照上面的分析，可以計算出： 差模增益Kd為

Kd?1?R6?R7 R14R12 R10R12R?R7?(1?6)R10R14運算放大器U3的差模增益：Kd3??電路的放大增益為：A?Kd?Kd3??所以設計的放大電路的放大倍數為：A??R?R7R12?(1?6)，試驗中，這個實驗可以調節R14,R15R10R14同時改變，達到調節增益的目的。而且放大增益很大，有很寬的調節范圍。

6.電路調零調幅電路

如圖所示，通過調節R5可以調節電橋的供電電壓，并且可以在任何時候把電路調零，所以該電路稱為調零調幅電路。電路圖如下：

此電路靈敏度很大。五.總結與心得

經過本次三級項目的學習與設計，不僅對電阻應變式傳感器有了更深入的了解，還鍛煉了我們的動手能力，對本方向上的專業知識掌握的更系統化更全面;在組內我們幾個人分工明確，互相學習，充分培養了個人溝通能力和團隊協作能力相信對以后的工作會有很大的益處。

第二篇：電阻應變式稱重傳感器等工作原理

電阻應變式稱重傳感器等工作原理

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理：彈性體（彈性元件，敏感梁）在外作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。

一、電阻應變

電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數是靈敏系數K。我們來介紹一下它的意義。

設有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R：

R = ρL/S（Ω）（2—1）

當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。對式（2--1）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有：

ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2（2—2）

用式（2--1）去除式（2--2）得到

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S（2—3）

另外，我們知道導線的橫截面積S = πr2，則 Δs = 2πr*Δr，所以

ΔS/S = 2Δr/r（2—4）

從材料力學我們知道

Δr/r =-μΔL/L（2—5）

其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數。把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L

=（1 + 2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

= K *ΔL/L（2--6）

其中

K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）

式（2--6））說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。

需要說明的是：靈敏度系數K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便

常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（２--６）常寫作：

ΔR/R = Kε(2—8)

二、彈性體

彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區），使粘貼在此區的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。

第三篇：大三暑期傳感器原理實習報告-應變式加速度傳感器設計

文章標題：大三暑期傳感器原理實習報告-應變式加速度傳感器設計

應變式加速度傳感器設計

——大三暑期傳感器原理實習報告

(西南交大機械制造及自動化張其美19990780)

1、設計任務及技術指標

應變式加速度傳感器的結構設計、特性曲線繪制等。

測量范圍：20g；精度：1；尺寸：不大于；頻響：0.1~100HZ；重量：不大于20g；共橋電壓：5V~24V（DC）。

2、結構設計

（1）采用等強度梁結構；

（2）材料選擇及尺寸確定；

a、殼體及質量塊選用碳鋼

彈性模量：（與疲勞破壞有關）

泊松比：

b、彈性元件（梁）選用鈹青銅（或硅梁）

彈性模量：

密度：

抗拉強度：

c、許用應力：（簡單梁）取

（3）設計計算；

設計原則：

a、在最小載荷F和相應的最大繞度或位移為已知時，可先根據結構要求確定長度，然后在計算和。

b、設計時先保證有足夠的靈敏度，然后在盡可能提高（固有頻率）

c、質量塊相對于基座的位移可按下列原則確定：

當時，其中a為被測加速度。

設計步驟：

A、先估計，忽略，確定。

取，則

B、估計和

取

C、確定

D、求

則，E、計算參數；

取，1、梁根部應變：

3、靜態靈敏度：（與應變片布置有關）雙臂工作時，4、動態靈敏度：

5、梁自由端的靜繞度：

6、梁自由端的動繞度：

7、傳感器的固有頻率：

8、可測最大加速度：

（4）幅頻特性計算：要求繪制幅頻曲線

a、剛度：

b、質量；

c、阻尼比：，取0.6~0.7內。

d、有阻尼固有頻率：

e、幅頻曲線：

f、相頻曲線：

（五）應變片的選擇：

1、應變片的選擇：選用小型硅應變片，參考規格：額定電阻：120；

靈敏度系數：；尺寸：；

最大工作電流：。

2、電橋輸出靈敏度：（1）電橋的結構；等臂、差動。

A、單臂：

B、雙臂差動：

C、四臂差動：：

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