适配教材《现代检测技术及应用》 李现明主编，高等教育出版社2012年第1版

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1 适配教材《现代检测技术及应用》 李现明主编，高等教育出版社2012年第1版
第4章 力和重量检测 适配教材《现代检测技术及应用》 李现明主编，高等教育出版社2012年第1版

2 引语 根据工作原理，力和重量检测方法、仪表分为两大类：
其一，利用某些物质受力作用时，其固有物理特性发生变化，而这些固有物理特性参数可以比较方便的转换为电参数。例如，压磁式、压电式、振弦式等； 其二，利用物体受力产生的弹性变形，通过电测量方法测量其变形量，进而确定其受力的大小。例如，电阻应变式、电容式、电感式等。 已存在多种具体的力、重量检测方法和商品化检测仪表，它们皆有各自的优势，也有各自使用上的局限性。 自动化工程师的工作在于分析测量控制对象的特点，在众多的力、重量测量方法和仪表中，进行科学的选择、安装、调试、使用和维护。

3 4.1 常用力、重量检测方法 电阻应变式 是应用最为普遍的力、重量检测方法，约占荷重及力传感器的90%；测量力、重量，属于电阻应变传感方法的具体应用之一。 原理：被测力、重量施加在弹性敏感元件上，转换为弹性敏感元件的应变量，再通过电阻应变片将此应变量转换为电阻的变化量，最后通过测量电路将电阻的变化量转换为电压信号、电流信号、数字信号。 优点：测量范围宽（1mN~108N）、测量精度高（0.01%～0.10%）、动态响应快、结构强度高、侧向力对测量精确度的影响小； 缺点：输出信号小、过载性能较差、不均匀载荷对测量精度的影响较大。 一般而言，电阻应变式力和重量检测方法量程与精度优于其他测力传感器，广泛应用于各种称量系统、配料系统中，在张力、轧制力的测量中也有应用。

4 被测量种类和传感原理种类之间具有复杂的交叉联系，一种被测量可由多种测量原理进行测量，一种测量原理也可以测量多种被测量。这是传感检测技术的又一重要特点。
例如，电阻应变式检测方法既可以测量位移、厚度，也可以测量力、重量；而位移量、力和重量、厚度等被测量，既可以用电阻应变片原理测量，也可以用电感式传感方法、电容式传感方法测量。 被测量种类和传感原理种类之间不同的结合，所形成的优势、劣势、适应场合互不相同，由此构成了内容丰富的传感检测技术体系。

5 4.1.2 电容式 属于电容传感方法的具体应用之一。 原理：首先通过弹性敏感元件将力、重量转换为微小的位移量，再通过电容传感器将此位移量转换为电容的变化量，最后通过测量电路将电容的变化量转换为电压信号、电流信号、数字信号。 优点：结构强度高、过载性能好、测量精度较高、不均匀载荷对测量精度的影响小； 缺点：测量电路较复杂，分布电容、温度对测量精确度的影响较大。

6 1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架
图4.1 电容式称重传感器 1-动极板；2-定极板；3-绝缘材料；4-弹性体；5-极板支架

7 4.1.3 压电式 测量原理是基于压电效应。压电材料受力后在其某相对的两个表面产生数量相等、极性相反的电荷，外力消失后这些电荷也消失，电荷量与被测力成比例。 压电式力传感器可分为单向力、双向力、三向力传感器，常用石英晶体作敏感元件。 图4.2为压电式单向测力传感器图，图中压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片，实现力与电的转换。上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上，其变形壁厚度为0.1mm~0.5mm，由所测力大小决定。聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。机座作为支承及外壳，其内外表面与晶片、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度，都有极严格的要求。

8 压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片;
图4.2 压电式单向力传感器 压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片; 上盖为传力元件，受力后产生弹性变形，将作用力传递到压电元件上，其变形壁厚度为0.1mm~0.5mm，由所测力大小决定。 聚四氟乙烯绝缘套用来绝缘和定位。 机座作为支承及外壳，其内外表面与晶片、电极、上盖内表面的平行度和表面光洁度，都有极严格的要求。

9 图4.3压电式双向力传感器 其晶体盒内有两个单元晶组：xy切型单元晶组和yx切型单元晶组，前者用来测量垂直方向的力，后者用来测切向力。 至于压电式三向力传感器，它有三个石英晶体组，中间晶体组利用纵向压电效应只感受z方向力，而上下两对晶体片利用横向压电效应，分别感受x方向、y方向力。

10 压电式力检测方法的优点：传感器灵敏度高、线性好、固有频率高、动态特性好、动态范围大、质量小、对被测对象负荷效应小；
缺点：有弯曲灵敏度和横向灵敏度、不适合静态测量。 参考指标：测量范围2~120kN，灵敏度高于4pC/N，工作温度-200℃~200℃，可以测量120kHz以下的动态变化力； 主要用途：结构振动试验、短时间作用力、机械阻抗的测量等。

11 4.1.4 压磁式 测量原理基于压磁效应。 铁磁材料在磁场中磁化时，有些材料(例如Fe)在磁场方向会伸长，有些材料(如Ni) 在磁场方向会缩短，这种现象称为“磁致伸缩效应”。前者称为“正磁致伸缩”，后者称为“负磁致伸缩”。 压磁效应是磁致伸缩效应的逆效应。铁磁物质在外界机械力作用下磁导率发生变化，外力取消后，磁导率复原，这种现象称为“压磁效应”。正磁致伸缩材料在受到拉应力作用时，在拉应力方向上磁导率会增大，在垂直拉应力的方向上磁导率会减小；受压应力作用时其效果正相反。负磁致伸缩材料的情况与上述正磁致伸缩材料的情况正好相反。

12 压磁式传感器主要包括压磁元件和绕制在压磁元件上的线圈两部分。
压磁元件由硅钢片粘叠而成，其特点是做成完全闭合的磁路，不像自感式和互感式传感器那样存在气隙和活动衔铁。 压磁元件上若只绕上一组线圈，则构成自感型压磁传感器； 压磁元件上若同时绕制激励绕组和输出绕组，则构成互感型压磁传感器。

13 压磁元件上冲有4个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4的连线相互垂直，孔1、2间绕有激磁绕组，孔3、4间绕有输出绕组。
图4.4 压磁式力传感器示意图 不受力时，铁心的磁阻在各个方向上是一致的，激磁线圈的磁力线对称地分布，不与输出线圈发生交链，不能在输出线圈中产生感应电动势。 当传感器受压力F时，在平行于作用力方向上磁导率减小，磁阻增大；在垂直于作用力方向上磁导率增大，磁阻减小，输出线圈产生的磁力线将重新分布，一部分磁力线与输出绕组交链而产生感应电动势。F的值越大，交链的磁通量越多，感应电压也越大。它常用来测量几万牛顿的压力。 压磁元件上冲有4个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4的连线相互垂直，孔1、2间绕有激磁绕组，孔3、4间绕有输出绕组。

14 压磁式力、重量测量方法的优点：输出信号大、内阻低、抗干扰性能好、过载性能好、不均匀载荷对测量精度的影响小、能够在恶劣环境中长期可靠工作；
缺点：测量精度不高(通常低于1%FS)、动态特性较差(一般不高于1kHz～10kHz)、安装时要注意防止侧向力的作用。 它广泛应用于轧制力、张力的测量。

15 4.1.5 振弦式 振弦式力和重量检测原理：受张力作用的金属弦，其固有振动频率与张力有确定关系，通过一定的结构、电路将其固有振动频率转换为电脉冲信号，就可以实现被测非电量力或重量到电脉冲频率的转换。

16 图4.5 电流激励的振弦式力传感器及其测量电路原理图
磁极N、S之间是张紧的振弦，同时振弦也作为振荡电路的一部分。当振弦通入电流后就在磁场中振动，并输出一个信号，经放大后又正反馈给振弦使其连续振动。R 1 、R 2 和场效应管V1 组成负反馈电路，起着控制起振条件和振荡幅度的作用；R 4 、R5、V2和C支路控制场效应管V1的栅极电压，起稳定输出信号幅度的作用，并为起振创造条件。当电路停振时，输出信号等于零，场效应管处于零偏压状态，场效应管漏源极对R2的并联作用使反馈电压近似等于零，从而大大削弱了电路中负反馈回路的作用，使回路的正增益大大提高，有利于起振。

17 振弦式力、重量测量方法的优点：输出准数字信号、抗干扰性能好、灵敏度高、体积小、重量轻；
缺点：对材料、加工工艺要求较高。精度可达1%FS； 它适用于静态测量和频率低于25Hz的动态测量，例如地层压力的测量。

18 4.2 力和重量检测技术示例——电阻应变片 上述每一种力、重量检测方法，都包括丰富、深入的科学、技术内容。限于篇幅，不可能对所有的检测方法都作深入阐述； 以电阻应变式力和重量检测方法为例，作较为深入的介绍，包括其工作原理、应变片结构与这类、应变片主要特性、应变片粘贴技术、测量电路、应变片式力测量、选用与故障处理等。 目的有两个：其一，使读者较为深入的掌握这种重要的力和重量检测方法；其二，“矛盾的普遍性寓于特殊性之中”，通过对这种具体的检测方法较为深入的了解，领悟传感检测技术的共性知识，

19 4.2.1 电阻应变片的工作原理——应变效应 无论哪种传感器，它们总是依据某种物理效应、化学效应、生物效应而完成非电量到电量之间的转换的，这些效应就构成了传感器的基本工作原理。 电阻应变片基于金属材料的应变效应。导体材料在受到力的作用时，产生机械变形，其阻值随之发生变化。这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。

20 电阻应变片是电阻型传感器的一种。 所谓电阻型传感器，就是依据某种物理、化学或生物效应将某种非电量甲的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量甲的电测量。 电阻式传感器的类型很多，包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等，在几何量、机械量、热工量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度、温度等，是传感器大家族中兴旺发达的一个分支。 若存在某种敏感元件，将另外一种非电量乙转换为该电阻式传感器直接测量的非电量甲，则该电阻式传感器亦可用来测量非电量乙。 各式各样的敏感元件、种类繁多的传感元件，加之敏感元件与传感元件不同的组合方式，构成了丰富多彩、各具特色的测量方案。

21 图4.6 导体受拉伸后的参数变化 构成了非电量到电量之间的传感关系。

22 电阻应变片的结构、种类 1 电阻应变片的结构 如何将这种传感原理应用于具体的测量实践，必须进行具体的材料优选、结构设计，构成具体的测量元件——电阻应变片。 电阻应变片由敏感栅(金属丝或金属箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。

23 覆盖层用来保护敏感栅。 基底和覆盖层可用专门的薄纸制成，称为纸基；也可用各种粘结剂和有机树脂薄膜制成，称为胶基。多采用后者。 粘合剂把敏感栅与基底粘贴在一起。 引出线作为连接信号调理电路之用，常用直径为0.10~0.15mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。 敏感栅是传感元件，它把感受到的应变转换为电阻的变化。 基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上，并使敏感栅与被测弹性体之间相互绝缘。基底必须作的很薄，一般在0.02~0.4mm。

24 2 电阻应变片的种类 丝式应变片：将直径0.015~0.05mm、长度0.2~200mm范围的金属丝，按图示形状弯曲后，用粘合剂粘贴在基底上而成。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于被测弹性体上，就可构成应变式传感器。

25 箔式应变片：它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在3μm至10μm之间。与丝式应变片相比，箔式应变片表面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于箔式应变片很薄，因此具有较好的可挠性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。

26 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜，然后用蚀刻技术制成各种形状的栅，以形成应变片。薄膜厚度比箔栅还要薄，一般在0.1μm以下，其灵敏系数比箔式还要高，允许电流密度大，工作温度范围较广。

27 4.2.3 电阻应变片的主要特性 掌握其主要特性和参数是正确使用电阻应变片的前提。 1 灵敏系数
定义：应变片的电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比。 测量应变时，将应变片粘贴在试件表面上，应变片和试件表面只隔一层很薄的胶，试件的形变很容易传递到敏感栅上，而且栅丝的表面积比其横截面积大很多倍，丝栅的周围全被胶包住，在承受拉伸时不会脱落，承受压缩时也不会压弯。

28 电阻应变片的灵敏系数低于单纯的电阻丝灵敏系数。
原因一：试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。金属丝两端的剪力最大，轴向应力为零；中间部分剪力为零，轴向应力最大。轴向应力从两端处的零值开始，按指数规律上升到中间部分的最大值。因此在栅丝上的应力分布是不均匀的，等价于参加变形的栅丝长度减少了一段。金属材料在制成应变片后，由于是栅状结构，端部增多，从而造成灵敏系数下降。 原因二：栅丝沿长度方向承受纵向应变时，应变片弯角部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使应变片的灵敏度下降。

29 应变片的灵敏系数一般需由实验方法求得。 原因：应变片粘贴到试件上就不能再取下重复使用，所以不能对每一个应变片的灵敏系数进行标定，只能在每批产品中提取一定比例(常为5％)的产品进行标定，然后取其平均值作为该批次产品的灵敏系数。 实验证明，灵敏系数在被测应变的很大范围内能保持常数。

30 2 横向效应 沿应变片轴向的应变必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化，这种现象称为横向效应。
研究横向效应的目的：当实际使用应变片的条件与其灵敏系数的标定条件不同时，由于横向效应的影响，实际灵敏度值要改变。如仍按标称灵敏系数来进行计算可能造成较大误差。如果不能满足测量精度要求，就需要进行必要的修正。 为了减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片。因其圆弧部分的截面积较栅丝部分大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。

31 3 机械滞后，零漂及蠕变 应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内，做出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象称为应变片的机械滞后，加载和卸载特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。 滞后的存在，破坏了传感器输入输出之间的一一对应关系，造成了测量误差。 产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和基底在承受机械应变后都留有残余变形。 为减少机械滞后，要选择性能良好的粘结剂和基底，并对金属丝要进行适当的热处理。在将应变片贴在被测对象上以后，对传感器先进行三次以上加、卸载循环，再进行标定，是减少滞后和非线性的有效措施。

32 已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，简称零漂。
已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化，这种现象称为蠕变。 在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义突出。

33 4 温度效应 粘贴到试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻变化外，由于环境温度变化时，也会引起其电阻的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变，即产生了虚假应变，这种现象称为温度效应。 温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。

34 5 应变极限 应变片的应变极限：指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％时的真实应变值称为应变片的极限。 真实应变是由于温度变化或施加机械载荷在试件上产生应力所引起的单位变形。指示应变是指经过校准的应变仪的应变读数，它是与应变片的电阻相对变化相对应的应变值。 为提高应变片的极限值，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。

35 6 电阻应变片的动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。
动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度V与声波相同。对于钢材，V＝5000 m／s。当应变按正弦规律变化时，应变片反映出应变是应变片敏感栅长度各相应点应变量的平均值，显然与某“点”的应变值不同。 图4.9给出了应变波与应变片轴向关系。

36 应变片测量出的应变值为其长度上的平均应变
应变波波长为λ，应变片长为l，应变片两端点的坐标为x1、x2，应变片中点坐标为x0。设动态应变 因应变沿应变片轴向在试件中传播 应变片测量出的应变值为其长度上的平均应变 而x0点的真实应变

37 根据上式可进行动态应变测量时的误差计算，也可选择应变片栅长以满足某种频率范围内的误差要求。
当

38 4.2.4 电阻应变片的粘贴技术 应变片在使用时，通常是用粘合剂粘贴在弹性体试件上的，它直接测量的量是试件的应变。粘贴技术对传感器的质量起着重要的作用。 粘贴技术的细节往往是传感器生产厂的技术秘密，此处只能给出其大概框架。 应变片的粘合剂必须适合应变片基底材料和被测材料，另外还要根据应变片的工作条件、工作温度和湿度、有无腐蚀、加温加压固化的可能性、粘贴时间长短等因素来进行选择。常用的粘合剂有硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树脂胶、502胶等。 应变片在粘贴时，必须遵循正确的粘贴工艺，保证粘贴质量，这些都与最终的测量精度密切相关。 应变片的粘贴步骤如下：

39 1) 应变片的检查与选择。首先应对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及断路、短路或折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，确定是否选用了正确阻值的应变片。
2) 试件的表面处理。为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理方法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的效果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如四氯化碳、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。为了避免氧化，应变片的粘贴应尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂做保护层。

40 3) 底层处理。为了保证应变片能牢固粘贴在试件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。
4) 贴片。将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片各涂上一层薄而均匀的粘合剂，待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶辊加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。

41 5) 固化。粘合剂的固化是否完全，直接影响到结构的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化学腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层。防潮层一般可采用稀释的粘合剂。 6) 粘贴质量检查。首先从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等，然后测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。 7) 引线焊接与组桥连线。检查合格后即可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路，连接长度应尽量一致，线不宜过长。

42 4.2.5 电阻应变片的典型应用方式 电阻应变片主要有以下两种应用方式：
1) 被测量为应变。此时应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试验数据。电阻应变仪就是专门测量应变的仪器。 2) 被测量为除应变外的其他非电量。此时，采用敏感元件，将真正的被测量转换为应变，应变片粘贴在该敏感元件上，通过测量应变实现对真正的被测量的测量。力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固支梁等结构型式的敏感器转换为应变。

43 使用8只应变片，以消除偏心载荷影响。 实心轴力敏感器

44 图4.12 悬臂梁力敏感器

45 例4. 1 一个=2. 1（应变灵敏度系数）的350应变片被粘贴到铝支柱（E=73GPa）上。支柱的外径为50mm，内径为47
例4.1 一个=2.1（应变灵敏度系数）的350应变片被粘贴到铝支柱（E=73GPa）上。支柱的外径为50mm，内径为47.5mm。试计算当支柱承受1000kg负荷时电阻的变化。 电阻应变片阻值的相对变化量是很小的。

46 4.2.6 电阻应变片的信号调理 1 惠斯登电桥 在静态应变测量中可采用平衡电桥，通过对调节臂电阻的手动调节，使电桥达到平衡，用调节臂电阻的阻值表示被测应变值。 在自动检测系统中，应变式传感器多采用不平衡电桥电路。 根据电桥供电电源分类，电桥有直流电桥与交流电桥之分。如果采用正弦波电压对电桥供电，这种电桥称为交流电桥。如果采用直流电对电桥供电，这种电桥则称为直流电桥。

47 （1） 直流电桥

48 n称为桥臂电阻比。 电压灵敏度度 时n=1 全等臂电桥是n=1的一种特例，应变式传感器中常采用。

49 图4.14 单臂工作电桥

50 图4.15 双臂电桥

51 图4.16全臂电桥 全桥灵敏度最高，双臂电桥次之，单臂电桥灵敏度最低。

52 (2) 交流电桥 平衡条件 交流电桥初始调平衡更复杂，一般既用到电阻预调平衡，也用到电容预调平衡。 相对臂阻抗模的乘积相等
相对臂阻抗角的和相等

53 2 测量放大电路 （1） 实际运算放大电路 对集成运算放大器规定了多达数十项的参数指标，其中较为重要的有电源电压、功耗、开环电压增益、输入失调电压、输入失调电流、输入电阻、共模抑制比、输出电压幅度、带宽，等等。 对于直流放大电路，由于输入失调电压、输入失调电流、共模抑制比等参数的影响，放大器的输出与采用理想运算放大器的理论输出之间存在一定的误差。当输入为零时，放大器的输出并不为零。微弱信号的放大需要采用多级放大，从第一级开始就存在的偏差经多级积累和放大后，也许严重到电路根本不能工作。 对于交流放大电路，各级之间一般有隔直措施，此时主要关注点是电路的频率特性。

54 在设计能付之于实际应用的仪表时，仅仅满足于采用理想放大器概念的原理设计是远远不够的。
必须根据已选定的具体运算放大器的某些参数进行分析计算，得到更为细节化的设计。 现在已经可以得到一些强有力的计算机辅助设计工具来帮助我们进行这些分析和计算。采用这些工具进行电路分析、设计的过程称之为电子设计自动化(EDA，electronics design automation)，使得电子线路的设计人员可在计算机上完成电路的功能设计、性能分析、时序测试乃至PCB设计和电磁兼容设计等。 目前流行的EDA软件有电子学工作台(EWB，electronics workbench)、PSPICE、Protel等。

55 （2） 测量放大电路的基本要求与类型 传感器、不平衡电桥等输出的电信号是微弱的，且与后续电路之间的连接具有一定的距离。在典型的工业环境中，距离可达3m以上。传感器有内阻，电缆也有电阻，这些电阻和放大电路等产生的噪声以及环境噪声都会对放大电路造成干扰，影响它正常工作。 对测量放大电路的基本要求：测量放大电路的输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；稳定的放大倍数；低噪声；低的输入失调电压、低的输入失调电流、低的漂移；足够的带宽和转换速率(无畸变地放大瞬态信号)；高共模输入范围(如达几百伏)和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性度好、精度高；成本低。 测量放大电路是综合指标很好的高性能放大电路。

56 图4.17 三运放仪器放大器原理图

57 近年来，利用线性集成电路先进工艺而设计制成的单片集成测量放大器，如AD521、AD522、LH0038、LM363和INAl01等获得很大的进展。它们综合性能指标好，使用方便，体积小，无需为组装而展开反复的精确挑选。

58 图4.18 AD612集成测量放大器内部电路结构

59 图4.19 AD612集成测量放大器和测量电桥的接线图

60 3 多功能传感信号调理电路AD693 AD693是ADI公司推出的一种单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活，不仅可用做小信号U/I转换器，还可作为各种传感器(例如电阻应变片测量电桥、铂热电阻、热电偶)的信号调理器。 AD693适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。 AD693的同类产品为AD694，AD694适合接收高电平输入信号，但芯片内部没有备用放大器。

61 1） 内含可编程输入放大器、U/I转换器、多路输出式基准电压源。
2） 输出电流有三种形式：4mA～20mA(单极性)，0～20mA(单极性)，12mA±8mA(双极性)。 3） 输入电压范围、电流零点均可单独调节。 4） 高精度。电流调零前的总误差为±0.25％，非线性误差低于±0.05％。经过调零后的总转换误差小于±0.1％。 5） 利用芯片中的备用放大器，可对由电阻应变片桥路、铂热电阻、热电偶所产生的信号进行调理。 6） 带Ptl00接口，配铂热电阻测温误差为±0.5℃。 7） 利用外部电阻可选配不同类型的热电偶并设定最高测量温度。 8） 具有过电流保护和反向过电压保护功能。 9） AD693通常由环路电源供电，特殊情况下也可由本地电源单独供电。

62 图4.20 AD693的引脚排列及内部电路框图

63 图4.21 应变仪测量电路

64 4.2.7 电阻应变式力、重量检测方法应用举例 在各种力、重量检测系统中，电阻应变式力、重量检测方法应用最为普遍。例如，数控机床切削力检测、轧钢机轧制力检测、桥梁应力应变检测、建筑桩基应力应变检测、电子吊车称、电子料斗称、电子液罐称、电子皮带称等等，数不胜数，举不胜举。

65 1 纱线张力检测

66 2 装载机电子秤 铁路货场散堆装货物装载，目前有三种计量方法：用轨道衡和汽车衡直接检测、用划线法装车、用装载机电子秤称重。其中，轨道衡和汽车衡只能配置在部分装车点，如果所有的装车点都配置该类设备，不仅要增加基建投资，而且还要增加调车作业、延长车辆停留时间；采用划线装车的办法，最大的缺点就是在货物的密度发生变化时，容易造成超载或欠载；采用装载机电子秤称重计量，既可提高劳动生产率，又可监控装载过程，是一种较为理想的方法。

67 但是，目前使用的装载机电子秤，是通过测量举升臂油缸液压油载荷压力的变化，间接测量举升物的重量。由于装载机在作业过程中，司机对油门踏板的控制是不断变化的，使得发动机和油泵的转速随着变化，造成铲斗的举升速度也不断地变化，速度变化产生的作用力，造成测重仪表不能准确反映铲斗实际所装货物的重量。因此，经济适用、能够直接检测装载机铲斗受力的电阻应变式装载机电子秤应运而生。

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69 电阻应变式装载机电子秤由传感器、高精度信号放大电路、高精度电源、A/D转换电路、计算机及称重软件组成，通过测量装载机铲斗所装物料产生应力的方法来达到称重的目的。
力测量传感器是一组安装在测量铲斗受力处的电阻应变式剪力测量传感器，安装于铲斗受力处。传感器受应力作用后，内部应变体发生形变，使传感器输出发生变化。在铲斗转臂举升至水平位置过程中，铲斗的各支点受力虽然不断变化，但所有支点受力的总和是不变的，即受力总和等于铲斗的自重加上物料的重量。 自动测量控制单元用于检测铲斗的位置、运动方向、速度，提供称重控制信号给信号处理电路。 信号处理电路用于处理力测量传感器、自动测量控制单元的各种电信号，并提供给嵌入式计算机。 嵌入式计算机用的是一种栈式总线计算机，由多个模块通过针与孔结构堆叠而成，形成的系统结构紧凑、抗冲击性能好，体积小、能耗低、工作性能稳定、开发能力强、扩展性能好，配合数据处理、管理软件，完成对传感器及控制信号的处理功能。

70 3 建筑构件载荷测定和建筑物健康检测 各种结构在运行中要承受各种外力的作用，工程上将这些外力称为载荷。载荷是进行强度和刚度计算的主要依据。
确定载荷有类比法、计算法和实测法。 利用电阻应变法测定载荷的方法应用比较普遍。 利用应变片、应变仪和指示记录器组成测量系统，进行载荷值的测量。先将应变片粘贴在弹性元件上，弹性元件受载变形后，应变片的电阻随之发生变化。经应变仪组成的测量电桥，使电阻值的变化转换成电压信号并加以放大，最后经指示器、记录器显示出与载荷成比例变化的曲线，通过标定就可以得到所需数据值的大小。这种方法现已广泛应用于各种构造物的荷载测定，如船闸、桥梁以及房屋建筑等领域。

71 大型、重要的土木工程结构，如桥梁、超高层建筑、电视塔、水坝、核电站、海洋采油平台等，其服役期长达几十年甚至上百年，在疲劳、腐蚀效应、材料老化等不利因素影响下，不可避免地产生损伤累积，甚至产生突发事故。
虽然一些事故发生前出现了漏洞、塌陷、开裂等征兆，但因缺乏报警监测系统，往往无法避免事故的发生。因此，对现存的重要结构和设施进行健康监测，评价其安全状况，修复、控制损伤，在新建结构和设施中增设长期的健康监测系统，已成为必需。 目前，钢筋砼结构的应变监测普遍采用电阻应变片，将之粘贴在结构表面或受力筋上后埋入砼内，对钢筋砼结构进行实时、在线的智能健康监测。

72 4.2.8 电阻应变式力传感器的选用与故障处理 1 电阻应变式力传感器的选用 （1） 电阻应变片的选用 1） 应变片结构形式的选择
根据应变测量的目的、被测试件的材料及其应力状态、测量精度，选择应变片的形式： ① 对于测试点应力状态是一维应力的结构，可以选用单轴应变片。 ② 已经知道主应力方向的二维应力结构，可以使用直角应变花，并使其中一条应变栅与主应力方向一致； ③ 如主应力方向未知，就必须使用三栅或四栅的应变花。 对于传感器设计来说，应变片的形式主要决定于弹性体的结构： ① 柱式、板环、双孔平行梁等弹性体，它们采样正应力或弯曲应力，所以应变片均采用单轴应变片。 ② 剪切桥式、轮辐式、剪切悬臂式、三梁剪切式弹性体，一般使用双轴应变片。 ③ 平膜片压力传感器多采用全桥圆形应变片。

73 2） 应变片尺寸的选择 选择应变片尺寸时，应考虑应力分布、动静态测量、弹性体应变区大小等因素： ①若材质均匀、应力梯度大，应选用栅长小的应变片； ②对材质不均匀、强度不等的材料，如混凝土或应力分布变化比较缓慢的构件，应选用栅长大的应变片。 ③对于冲击载荷或高频动荷作用下的应变测量，还要考虑应变片的响应频率。应变片的最高工作频率与栅长有关。例如，应变片栅长为1mm、5mm、10mm、50mm，可测钢材上正弦应变最高频率分别为250kHz、50kHz 25kHz、5kHz。 ④一般来说，应变片丝栅越小，测量精度越高。

74 3） 电阻值的选择 在中国国家标准中，电阻应变片的阻值规定为60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω； 目前传感器生产中大多选用350Ω； 由于大阻值应变片具有通过电流小、自热引起的温升低、持续工作时间长、动态测量信噪比高等优点，大阻值应变片应用越来越广。 在不考虑价格因素的前提下，尽量使用大阻值应变片，这对提高传感器精度是有益的。

75 4） 使用温度的选择 环境温度对应变片的影响很大。应根据使用温度，选用不同丝栅材料的应变片。 国家标准中规定的常温应变片，使用温度为-30～60℃。常温应变片一般采用康铜合金制造，在应变片型号中省略使用温度。一般康铜合金最高使用温度为300℃； 如果需要高温应变片，应在订货时说明使用温度，以便厂家提供合适的应变片。卡玛合金为450℃，铁镍铝合金可以达到700～1000℃。

76 （2） 传感器结构形式的选择 一个称重系统，它既可以用一个称量范围较大的传感器用简单的悬吊系统吊挂起来作为吊秤，也可以用容量较小的传感器将容器支撑起来作为支撑式容量秤，那么究竟如何进行合理的选择呢？这就需要了解支撑式和悬吊式称重系统的优缺点。

77 支撑式 支撑式系统中的传感器处于重力压缩的状态下，应用最为广泛。它所能实现的称重范围很宽，尤其是上限值很大，可达数百吨；可以用很简单的方法实现其过载保护，甚至无需过载保护装置；所占几何空间小、安装简便。 支撑式称重系统的缺点，主要是要求始终保证重物的重力线通过传感器的承重轴线，而且不受侧向冲击力的影响。这就要求传感器本身具有良好的抗侧向能力。在侧向冲击力作用下，传感器及其重力引入装置应具有迅速复位的能力，还应设置相应的保护装置。 在支撑式称重系统中，常采用如下几种结构形式：剪切悬臂粱、剪切轮辐式、轴对称弯曲环、具有抗侧向力膜片和专门重力引入装置的柱式传感器。

78 悬吊式 悬吊式称重系统的传感器处在受重力拉伸状态下，重力的方向与传感器的几何轴线一致，有比较好的复位功能。 但悬吊式称重系统抗侧向能力差，对几何空间尺寸要求相对较高。 悬吊式称重系统中的传感器, 常采用以下结构形式:S 型传感器，可用单孔、双孔弯曲梁结构、盲孔结构，其受力轴线与几何轴线几乎一致；板环拉伸结构，具有上述结构同样特点，但加工简便。

79 （3） 传感器量程选择 对于单个传感器静态称重系统，固定负荷+变动负荷（需称量的载荷）<60%所选用传感器的额定载荷； 对于多个传感器静态称重系统，固定负荷+变动负荷（需称量的载荷）<60%所选用传感器的额定载荷×所配传感器数量； 动态称重系统中，要根据具体工况，另行考虑冲击引起的附加载荷的影响。 在同一个称重系统中， 必须选用额定量程相同、参数统一的传感器。

80 （4） 传感器正确的安装 在设计、安装加载装置时，应保证加载力的作用线和传感器的受力轴线重合。 在安装前，应检查安装面是否平整、清洁、无油膜、胶膜、油漆的存在。 在与仪表连接时，应注意输出电压的极性。 当现场需要焊接时，切勿把秤台当作焊接地线使用，以免引起传感器的损坏。 传感器与所配仪表在正式使用前应预热30 分钟以上。 传感器的电缆线应远离强动力电源线，并用防水性质的导管保护，以免受潮。不要自行加长电缆线，如确需加长，建议采用钢制接线套，并用防潮胶密封。

81 2 电阻应变式力传感器的常见故障 以电子汽车衡中电阻应变片传感器为例： （1）绝缘电阻低 主要表现在“内绝缘”及“外绝缘”电阻低两个方面。 “外绝缘”电阻低主要表现在激光焊接防水性能差，遇到恶劣环境，例如被水淋或水淹，传感器的绝缘电阻将会很快被损坏，使应变孔内各电阻器件之间绝缘遭到破坏。 “内绝缘”电阻低主要是由于在总体组装清洗后，有残余酒精未完全挥发、应变计上及其两焊点间有残余松香未清洗干净。

82 2）角差 1） 灵敏度的不一致性：灵敏度是满量程的输出电压与激励电压之比。补偿方法是在供桥回路中串入相对应的电阻，有效的降低供桥电压，使灵敏度达到标准值(2mV/V±0.1%)之间。 2） 输入电阻的不一致性：灵敏度补偿后，传感器输入电阻往往与标准值(762Ω或382Ω)差别很大。为了使输入电阻一致,可在输入线间并联一个电阻。 3） 各个传感器的钢球，因高度差太大导致其承力不均，造成很大的角差。 4） 传感器的底座与秤台或基础未紧固，在汽车衡的冲力作用下使传感器产生位移，从而造成钢球的中心偏移，出现角差。 5） 惠斯登电桥的不对称性。

83 （3）零点飘移 1） 传感器因超载所引起零点变化：这种变化呈现下述规律，即承受拉伸应力的应变计阻值明显变大、承受压缩应力的应变计阻值明显变小，并且阻值的变化呈对称性。 2） 应变计绝缘电阻低引起零点变化：应变计长期受潮气影响，基底吸潮而降低与弹性体之间的绝缘电阻，导致应变片电阻的变化，使零点产生变化。 3） 应变计焊点虚焊、各连接导线虚焊，也能引起零点飘移。

84 （4）断桥现象 1） 潮湿环境引起应变计敏感丝栅腐蚀、导致断裂。其主要原因是由于激光焊接及胶水密封性能差加之传感器使用环境恶劣，使应变孔内进水或严重受潮，导致应变计受潮、桥臂断。 2） 应变计丝栅烧断、补偿电阻烧断。 3） 雷击、在秤台上进行电焊产生过高电压，超过应变计基底的击穿强度，把最薄弱的应变计击穿，丝栅烧断。 4） 传感器在制作过程中，各高温导线桥臂及应变计联接银丝存在虚焊，因传感器使用中的频繁振动，导致高温线断或应变计联接银丝脱落，出现桥臂断。

85 本章结束