利用电阻应变式传感器进行电子秤的设计和制作，测量范围为2kg，其分辨力为1克，测量精度0.5％RD±1字，并能够利用数码管显示测量值。
1．学会电阻应变式传感器的测量原理；
2．学会电阻应变式传感器的测量电路；
3．学会电阻应变式传感器的应用；
4．培养学生对接标准的规范意识。
1．重点：电阻应变式传感器的测量原理；
2．难点：电阻应变式传感器的应用。
1．对于重量小的重量和大到吨级的重量都可以用同一传感器称取吗？
2．汽车称重地泵下有传感器吗？
一、电阻应变式传感器
1．电阻式传感器
电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。
（1）电阻应变式传感器金属的应变效应。
（2）电阻应变片的结构和工作原理。
① 电阻应变片的结构。
电阻应变片（简称应变片或应变计）种类繁多，根据需要，设计成各种形式，各种类型的电阻应变片，但其基本结构都大体相同，结构如图所示。
上图所示为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件，它的作用是感应应变片变化的大小。敏感栅黏结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层3，敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。
② 电阻应变片的分类。
按照制作材料的不同将电阻应变片通常分为两类：
金属式体型
半导体式体型
按结构分：单片、双片、特殊形状。
按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下。
③ 电阻应变式传感器的工作原理。
3．电阻应变式传感器的测量电路
电阻应变片是可以把应变的变化转换为电阻的变化，通常为显示与记录应变的大小，还要把电阻的变化在转换为电压或电流的变化，完成上述作用的电路称为电阻应变式传感器的测量电路，最常用的测量电路主要有直流电桥电路和交流电桥电路。
二、电桥的线路补偿
1．零点补偿
在实际应用中发现电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，往往由于外界的因素变化会使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。因此为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。如图所示 ，进行调节可调电阻使得电桥平衡。
2．温度补偿
环境温度的变化也会引起电桥电阻的变化，导致电桥的零点漂移，这种因温度变化产生的误差称为温度误差。产生的原因有：电阻应变片的电阻温度系数不一致；应变片材料与被测试件材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。因此要进行温度补偿，以减少或消除由此而产生的测量误差。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。
线路补偿法：线路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，将补偿片和测试片引入电桥。
三、电阻应变式传感器的应用
应变式加速度传感器：加速度传感器的结构图如图所示，测量加速度时，将传感器壳体和被测对象刚性连接，当有加速度作用在壳体上时，由于梁的刚很大，惯性质量也以同样的加速度运动。其产生的惯性力正比于加速度a的大小，惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，限位块4是保护传感器在过载时不被破坏。这种传感器在低频振动测量中得到广泛的应用。
四、黏合剂和应变片的粘贴技术
1．黏合剂
电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。在测试被测量时，黏合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以黏合剂和粘贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。
因此对黏合剂有如下要求：①有一定的黏结强度；②能准确传递应变；③蠕变小；④机械滞后小；⑤耐疲劳性能好，韧性好；⑥长期稳定性好；⑦具有足够的稳定性能；⑧对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；⑨有适当的贮存期；⑩有较大的使用温度范围。
2．应变计粘贴工艺
质量优良的电阻应变片和黏合剂，只有在正确的粘贴工艺基础上才能得到良好的测试结果，因此正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。
（1）应变片检测。
根据测试要求而选用的应变片，要做外观和电阻值的检查，对黏度要求较高的测试还应测试应变片的灵敏系数和横向灵敏度。
外观检查
线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否 有破损部位。
电阻值检查
对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05配对，电桥桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。
（2）修整应变片。
① 对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线；
② 如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；
③ 对基底较光滑的胶底应变片，可用细纱布将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。
电阻应变式传感器测力时，选择合适的弹性元件，将小小的电阻应变片贴在弹性体上即可实现吨级重量的测量，这一小小的器件发挥了巨大的作用。我们每一个在我们的社会其实就是一颗小小的螺丝钉，就如一架机器上的一颗螺丝钉，机器由于有许许多多的螺丝钉的联接和固定，才成了一个坚实的整体，才能够运转自如，发挥它巨大的工作能量。螺丝钉虽小，其作用是不可估量的。作为社会一员，我们不仅要做一颗螺丝钉，还要做一颗发光发热有价值的螺丝钉。
五、常见的变换力的弹性敏感元件
1．弹性圆柱
圆柱式力传感器的弹性元件分为实心如图（a）所示和空心如图（b）所示两种。
对于实心和空心截面的圆柱弹性敏感元件，上述表达式都是适用的。并且空心截面的弹性元件在某些方面优于实心元件。因为在同样的截面积情况下，圆柱的直径可以增大。因此圆柱的抗弯能力大大提高，以及由于温度变化而引起的曲率半径相对变化量大大减小。但是空心圆柱的壁太薄时，受压力作用后将产生较明显的桶形变形而影响精度。所以，一般空心截面的圆柱测量小量程力，而实心截面的圆柱测量大量程力。
（2）悬臂梁式。
① 等截面梁式。
一端固定，一端自由如图所示，厚度为h，长度L0，自由端力F的作用点到应变片的距离为L，该点的协强：
此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3、R2同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。
② 等应力（等强）梁式，变截面梁。
（3）变换压力的弹性敏感元件。
圆形膜片：薄板式（膜片式） 当流体的压强作用在薄板上，薄板就会产生形变（应变），贴在另一侧的应变片随之形变（应变）。
1．电子秤的整体设计框架及原理图
用电阻应变式传感器设计的电子秤的整体设计原理图如图所示。
2．各部分电路设计
常用的电阻应变式桥式测量电路如图所示。桥式测量电路有四个电阻，电桥的一个对角线接入工作电压E，另一个对角线为输出电压Uo。其特点是：当四个桥臂电阻达到相应的关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，所以电桥能够精确地测量微小的电阻变化。
典型的差动放大器如图所示，只需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。
A/D转换电路如图所示。
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姓名 |
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班级 |
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名称 |
电子秤的设计与制作 |
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任务提出 |
本次设计任务是完成电子秤的设计与制作。 运用所学知识进行电子秤的电路设计，要求能够称出手机的重量。 |
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知识链接 |
1．什么是弹性敏感元件？ 2．电阻应变式传感器是基于电阻的（ ）制成的。 3．电阻应变片的基本结构主要有（ ）（ ）（ ）（ ）等部分组成。 4．应变片主要有（ ）（ ）两类。 5．电阻应变式传感器常见的测量电路主要有（ ）（ ）。 6．电桥的线路补偿主要有（ ）（ ）。 |
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任务制作 |
实验步骤： 1．了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置。 2．将差动变换器I调零：用导线将差动变换器I的正（＋）、负（－）、地短接。将差动变换器I的输出端与电压表的输入端Ui 相连；开启电源，调节差动变换器I的增益到最大，然后调整差动变换器I的调零旋钮使电压表显示为零，关闭电源。 根据图1接线，R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。Rx为应变片；将稳压电源调至±6V，电压表20V挡。开启电源，调节电桥平衡网络中的RW1，电压表显示为零，然后将电压表置2V挡，再调节电桥部分RW1（慢慢地调），使电压表显示为零。 
3．用手轻轻的按一下应变片传感器上的托盘，松开手后观察差动变换器I输出是否为0，如果不是，就还需要继续调节RW1，使输出为0。反复操作这个步骤2-3遍就可以了。将砝码逐个轻轻的放在应变片传感器的托盘上，放置砝码的时候不能碰到导线以及实验仪的其他部位，每放一个砝码记下一个数据。 4．Δm＝20g记一个数值填入下表：
画出输入输出特性曲线，并计算灵敏度为（ ），称一串钥匙重量为（ ） 5．按图2A接线，保持放大器增益不变，将R3固定电阻换为与Rx工作状态相反的另一应变片即取二片受力方向不同应变片，形成半桥，重复（4）过程同样测得读数，填入下表： 
6．按图2B接线，保持差动放大器增益不变，将R1，R2两个固定电阻换成另两片受力应变片，组桥时只要掌握对臂应变片的受力方向相同，邻臂应变片的受力方向相反即可，否则相互抵消没有输出，重复（4）过程将读出数据填入下表：
坐标上描出v-m曲线，比较三种接法的灵敏度。
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任务评价 |
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