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1、项目一 调光灯电路的连接与调试【学习目标】完成本课题的学习后，能够：1、了解利用电阻应变式传感器进行力测量的原理及用途；2、能够工程举例；3、能够设计制作实际电路；4、能够探索传感器新的应用领域；5、掌握电阻应变片的测量电路；6、掌握本项目需要的原件的工作原理和应用；7、掌握金属应变传感器的工作原理；8、掌握电阻应变传感器的结构与特性；9、掌握电阻应变传感器的电路测试9、掌握电子秤的设计原理和电路图；10、了解电子秤的元件选取原则和电路调试。【项目描述】电子秤采用现代传感器技术、电子技术和计算机技术一体化的电子称量 装置，满足并解决现实生活中提出的“快速、准确、连续、自动称量要求，同时有效地消
2、除 人为误差，使之更符合法制计量管理和工业生产过程控制的应用要求，该项目我们采用一体 化教学方法进行，-P n phU.U.U.*.1 喇 iEU 4EU ZDU 左一 h 旨i Hz-氐|【相关知识点】:K =-All式中，=Al/l轴向应变。考虑一段金属导体（l, p ,s）,如图1-1所示(1-1)、金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器是一种利用金属电阻应变片将应变转换成电阻变化的传感器。1. 工作原理1. 电阻一应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相应地发生变化，这种现象称 为金属导体的电阻一应变效应。金属导体的电阻一应变效应用灵敏系数K描述K AR R _ A
3、R_R图1-1金属电阻应变效应未受力时，原始电阻为(1-2)当受拉力F作用时，将伸长AL，横截面积相应减小AS,电阻率P则因晶格变形等因 素的影响而改变Ap,故引起电阻变化AR。将式（1-2）全微分，并利用相对变化量表示, 则有AR Al AS Ap + _RlSP（1-3）式中，Al/l=8，为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位ie（ue=1X10-6 mm/mm）， 由于S=nd 2 /4,则AS/S=2Ad/d,其中Ad/d为横向（纵向）应变；且由材料力学知， Ad/d= ue，式中卩为金属材料的泊松比。将前面关系代入式（1-3）得二 G + 2此 + Ap / P(1-4)其应变灵敏度
4、为(1-5)对于金属材料，Ap/p较小，可以略去。一般情况下，在应变极限内，金属材料电阻的相对变化与应变成正比 AR/R=K &(1-6)2. 应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在弹性试件上，当试件受力变形时, 应变片电阻变化AR。如果应用测量电路和仪器测出AR，根据式（1-6）,可得弹性试件的 应变值而根据应力一应变关系：(1-7)o二 Ee， 可以得到被测应力值。其中E试件材料弹性模量，。一试件的应力，e 试件的应 变。力f应力0 f应变&(&=o/E)f AR通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩展到能引起弹性元件产生应变 的各种非电量的测量，从而构
5、成各种电阻应变式传感器。3应变片的结构，材料和类型金属电阻应变片的结构，如图1 -2所示，由敏感栅、基底、盖片、引线和粘 结剂组成。图1-2电阻应变片的基本结构1-基底;1-敏感栅;3-覆盖层;4-引线1、敏感栅1) 丝式应变片,忙0.0120.05mm金属细丝绕成细状，栅长=0.2,0.5,1.0,100,200mm等。2) 箔式应变片，由厚度为0.0030.01mm的金属箔片制成各种图形的敏感栅，亦称应变 花,如图1-3所示。其优点(1) 制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀和适应各种不同测量要求的形状，其栅 长可做到0.2mm；(2) 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递
6、试件应变性能好；(3) 散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；(4) 横向效应小；(5) 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。图1-3箔式电阻应变片3) 金属薄膜应变片，利用真空镀膜等方式在绝缘基底上制成各种形状的薄膜敏感栅， 膜厚小于1um。这种应变片具有比箔式应变片更多的优点。4) 敏感栅材料的性能要求：(1) 应变灵敏系数较大，且在所测应变范围内保持常数；(2) 电阻率高而稳定，便于制造小栅长的应变片；(3) 电阻温度系数较小，电阻一温度间的线性关系和重复性好；(4) 机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间的接触电势小；(5) 抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。2
7、、基底和盖片基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。一般 为厚度0.020.05mm的环氧树脂、酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求： 机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和搞温性好；无滞后和蠕变。3、引线作用：连接敏感栅和外接导线。一般采用0=0.050.1mm的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铅丝等,与敏感栅点焊焊接。4、粘结剂作用:将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用时，用粘结剂将应变片 粘贴在试件的某一方向和位置，以便感受试件的应变。粘结剂材料:有机和无机两大类。粘贴工艺:应变片静放于试件上，粘贴牢固可靠。4.金属电阻
8、应变片的主要特性1、应变片的电阻值(R0)应变片不受外力作用情况下，于室温条件测定的电阻值(原始电阻值)，已标准化主要有 60,120,350,600,1000Q 等各种规格。2、绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值，一般应大于1010 Q。3、灵敏系数(K)电阻应变片的电阻一应变特性与金属丝时不同，须用实验法对电阻应变片的灵敏系数 K重新测定。测定时将应变片安装于试件(泊松比=0.285的钢材)表面，在其轴线方向的 单向应力作用下，且保证应变片轴向与主应力轴向一致的条件下，应变片的阻值相对变化与 试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比，即K=(AR/R)/(Al/l)，而且一批产品只能 进行抽样(
9、5%)测定，取平均K值及允许公差值为应变片的灵敏系数，有时称“标称灵敏系 数”4、允许电流指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。静态测量时，允许电流一般为25 mA ；动态测量时，允许电流可达75100 mA。5、横向效应与横向灵敏系数将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用下，由于敏感栅“横栅段”(圆 弧或直线)上的应变状态不同于敏感栅“直线段”上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较 相同长度直线金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因此，灵敏系数有所降低，这种现象 称为应变片的横向效应。如图1 -4所示。图14横向效应(1-11) 应当指出，制造厂商在标定应变片
10、的灵敏系数K时，是按规定的特定应变场(单向应力 场，卩=0.285)下进行的，标定出的K值实际上也将横向效应的影响包括在内，只要应变片 在实际使用时，符合特定条件(如平面应力状态，或试件的卩工0.285),则会引起一定的 横向效应误差，需进行修正。6、机械滞后 应变片粘贴在试件上，应变片的指示应变&与试件的机械应变&之间应当是一确定im的关系。但在实际应用时，在加载和卸载过程中，对于同一机械应变&，应变片卸载时的 指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后，如图1 -5所示；其最大 差值Ae称为应变片的机械滞后值。m对于已粘贴好的应变片，其应变极限是指在一定温度下，指示应变e与
11、受力试件的真m .实应变e的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变e ，如图1 -6所示。ij8、零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在试件不受力（即无机械应变）的情况下， 其电阻值（即指定应变）随时间变化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械应 变（1000 U&内）长时间作用，其指示应变随时间变化的特性称为应变片的蠕变。9、动态特性应变测试中，应变片的指示应变是敏感栅覆盖面积下的轴向平均应变。静态测试时，应变片能正确反映它所处受力试件内各点的应变；动态测试时，应变是以应变波的形式沿应变的敏感栅的长度方向传播，因而应变片反映 的平均应变与瞬时应变有一定差异，产生动态
12、误差。5. 温度误差及其补偿1、温度误差作为测量用的应变片，希望它的电阻只随应变而变，而不受其他因素的影响。实际上, 应变片的电阻受环境温度（包括试件的温度）的影响很大。因环境温度改变引起电阻变 化的主要因素有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数；另一方面是电阻丝材料与 试件材料的线膨胀系数不同。2、温度补偿1）双金属敏感栅应变片（组合式自动补偿应变片）图1-7双金属线补偿法两段敏感栅R和耳电阻温度系数相反，串联连接，可实现温度补偿。通过调节两种敏 ab感栅的长度比以便在一定受力试件材料上于一定温度范围内获得较好的温度自补偿。2）电路补偿法（1）差动电桥线路补偿，如图1 -8所示。试伴(bl
13、图1-8电路补偿法当温度升高应变片的灵敏度下降时，负温度系数热敏电阻R电阻也下降，使电桥的输入电压升高，提高电桥的输出阻抗电压。选择分流电阻R,可以使应变片灵敏度下降对电桥 输出影响得到很好的补偿。3、测量电路电阻应变式传感器的测量电路常采用电桥电路。Rl1)直流电桥的主要特性当Rl时，电桥输出阻抗电压当电桥各桥臂均有相应电阻变化A R,(R + AR(RR )二 13I R + R R + R 丿 “ RR -R R_ i 6 + R )61 2 :AR3，)AR+ AR )-VRU _ U 1144o i VR +AR + R + AR 丿11223-2_3+ R丿344时+AR2 2)(
14、R +AR )+ AR + R + AR )4R(AR -AR -AR +AR )+AR AR -AR AR_ U 12341423i(2R + AR + AR 丿2R + AR +AR 丿3423 (2 R + AR +AR1 2(当R=R1R= R= R )234U (AR AR AR AR )(当AR R)i1 3 + R R R丿_ . K Cs - s - s + s )41234讨论：(1) 当RAR时，电桥的输出电压与应变成线性关系。i(2) 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差; 若相邻两桥臂的应变极性不一致时，输出电压为两者之和。(3) 若相对两桥臂的应变极性一致时，输出电压为两者之和；反之，输出电压为两者 之差。合理地利用上述特性来粘贴应变片，可以提高传感器的测量灵敏度和获得温度补偿等。 2)单臂工作电桥的非线性及差动电桥=AR =AR =0,贝 y34(1)单臂工作电桥，设AR1 =AR，AR2U _ U 竺o i 4 R + 2 AR4 R 11 “1 + _ Ksks1 - 2 心 4 k - 8 +(139)线性输出UU =-Ko 46 二丄矗一-(Ks)2 + -(K) L 24(2 )差动电桥半桥差动
