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【摘 要】电阻应变式传感器是常用传感器的一种类型，电阻应变式传感器重要组成部分是电阻应变片。本文就对电阻应变片的应用进行实践项目教学设计。
【关键词】电阻应变式传感器；电阻应变片；实践项目教学
1、前言
《传感器技术》是机电一体化技术、应用电子技术、电气自动化应用技术、测量技术、机器人技术及计算机应用等专业必修课程。课程通过对传感器基本知识的学习和实验，使学生掌握常用传感器的应用知识，初步掌握如何使用和选择传感器类型的技能，具备传感器实际应用和处理问题的工作能力，能应付生产中遇到选型、安装、调试、排除故障等方面的问题，初步形成解决生产实际问题的能力。电阻传感器的种类繁多，应用的领域也十分广泛。电阻传感器的基本原理都是将各种被测非电量转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。
2、电阻应变片理论知识简述
1856年，人们在轮船上往大海里铺设海底电缆时就发现，电缆的电阻值由于拉伸而增加，继而对铜丝和铁丝进行拉伸试验，得出结论：金属丝的电阻与其应变呈函数关系。1936年，人们制出了纸基丝式电阻应变片；1952年制出了箔式应变片；1957年制出了第一批半导体应变片，并利用应变片制作了各种传感器。用它们可测量力、应力、应变、荷重和加速度等物理量。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。应变片具有体积小、价格便宜、准确度高、频率响应好等优点，被广泛应用于工程测量及科学实验中。
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。应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。
3、应变片实践项目教学设计内容
实践项目一：金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
（1）实践目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
（2）基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减少，且与轴向应变成正比，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
（3）需用器件与单元：电桥、差动仪用放大器、电压放大器、应变式传感器、砝码、直流电压表、±15V电源、±4V电源、。
（4）实践步骤：
①根据XO-155型传感器实验装置图，电阻应变片已接入了面板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝贴在应变传感器上，也接入了面板的左上方，用时插入+5V直流电源，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
②放大器调零。合上主控台电源开关，将差动放大器和电压放大器的增益电位器顺时针调节大致到中间位置，再进行放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，差动放大器的输出和电压放大器的输入相连，电压放大器的输出端与主控台面板上直流电压表输入端+相连，调节差动放大器上调零电位器，使直流电压表显示为零（直流电压表的切换开关打到2V档）。关闭主控台电源。
③将应变式传感器其中一个应变片R4（即模板左上方的R4）接入电桥作为一个桥臂与内电阻R1、R2、R3接成直流电桥（R1、R2、R3模块内已连接好），接好电桥调零电位器W1，接上桥路电源±4V（从档位电源引入）。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节W1，使直流电压表显示为零。
④在电子称上放置一只砝码，读取直流电压表数值，依次增加砝码和读取相应的直流电压表值，直到200g砝码加完并记录实验结果。
⑤根据实验结果计算系统灵敏度S：S=Δu/ΔW（Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量）；计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出电压值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程输出平均值。
实践项目二：金属箔式应变片——半桥性能实验
（1）实践目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
（2）基本原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出
灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。
（3）需用器件与单元：同项目一。
（4）实践步骤：
①傳感器安装同实践一。做实践（一）2的步骤，实验模板放大器调零。
②根据XO-155型传感器实验装置图。R3、R4为实验模板左上方的应变片，注意R3应和R4受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器W1进行桥路调零，实验步骤○3、○4同项目一中○4、○5的步骤，根据实验数据，计算灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
实践项目三：金属箔式应变片——全桥性能实验
（1）实践目的：了解全桥测量电路的优点。
（2）基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到进一步改善。 （3）需用器件和单元：同项目一。
（4）实践步骤：
①传感器安装同项目一。
②根据XO-155型传感器实验装置图，4个应变片全部接入电桥，实验方法与项目二相同。根据实践记录结果，进行灵敏度和非线性误差计算。
实践项目四：金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
（1）实践目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
（2）实验步骤：根据项目一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由。
实践项目五：金属箔式应变片的温度影响实验
（1）实践目的：了解温度对应变片测试系统的影响。
（2）基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。
（3）需用器件与单元：电桥、差动仪用放大器、电压放大器、应变式传感器、砝码、直流电压表、±15V电源、±4V电源、。加热器（已贴在应变片底部）
（4）实践步骤：
①保持项目三实验结果。
②将200g砝码加于砝码盘上，在直流电压表上读取某数值U01。
③将+5V直流稳压电源接在左上角加热器上，数分钟后
待直流电压表电压显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。
4、实施效果
经过电阻应变片实践项目教学的详细设计后，越来越多的的学生对这门专业基础课更感兴趣了，对后续的传感器实践也能够认真对待。在实践过程中，学生的实际操作和综合运用能力也得到进一步的提高。
5、结束语
电阻应变片实践项目只是《传感器技术》这门课的实践项目的一个小篇章，后续还有更多传感器的实践项目，还需不断的完善和设计，让学生能够通过實践操作认识和掌握传感器的基本知识，做到理论和实践结合，为后续课程以及学生今后的就业作铺垫。
【参考文献】
[1]梁森，王侃夫，黄航美.自动检测与转换技术[M].机械工业出版社，2013.
[2]殷淑英.传感器应用技术[M].冶金工业出版社，2011.
[3]胡孟谦，张晓娜.传感器与检测技术项目化教程[M].中国海洋大学出版社，2011.
【关键词】电阻应变式传感器；电阻应变片；实践项目教学
1、前言
《传感器技术》是机电一体化技术、应用电子技术、电气自动化应用技术、测量技术、机器人技术及计算机应用等专业必修课程。课程通过对传感器基本知识的学习和实验，使学生掌握常用传感器的应用知识，初步掌握如何使用和选择传感器类型的技能，具备传感器实际应用和处理问题的工作能力，能应付生产中遇到选型、安装、调试、排除故障等方面的问题，初步形成解决生产实际问题的能力。电阻传感器的种类繁多，应用的领域也十分广泛。电阻传感器的基本原理都是将各种被测非电量转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。
2、电阻应变片理论知识简述
1856年，人们在轮船上往大海里铺设海底电缆时就发现，电缆的电阻值由于拉伸而增加，继而对铜丝和铁丝进行拉伸试验，得出结论：金属丝的电阻与其应变呈函数关系。1936年，人们制出了纸基丝式电阻应变片；1952年制出了箔式应变片；1957年制出了第一批半导体应变片，并利用应变片制作了各种传感器。用它们可测量力、应力、应变、荷重和加速度等物理量。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。应变片具有体积小、价格便宜、准确度高、频率响应好等优点，被广泛应用于工程测量及科学实验中。
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。应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。
3、应变片实践项目教学设计内容
实践项目一：金属箔式应变片——单臂电桥性能实验
（1）实践目的：了解金属箔式应变片的应变效应，单臂电桥工作原理和性能。
（2）基本原理：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减少，且与轴向应变成正比，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：ΔR/R=Kε
式中ΔR/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=ΔL/L为电阻丝长度相对变化，金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反应了相应的受力状态。对单臂电桥输出电压U01=EKε/4。
（3）需用器件与单元：电桥、差动仪用放大器、电压放大器、应变式传感器、砝码、直流电压表、±15V电源、±4V电源、。
（4）实践步骤：
①根据XO-155型传感器实验装置图，电阻应变片已接入了面板的左上方的R1、R2、R3、R4。加热丝贴在应变传感器上，也接入了面板的左上方，用时插入+5V直流电源，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。
②放大器调零。合上主控台电源开关，将差动放大器和电压放大器的增益电位器顺时针调节大致到中间位置，再进行放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，差动放大器的输出和电压放大器的输入相连，电压放大器的输出端与主控台面板上直流电压表输入端+相连，调节差动放大器上调零电位器，使直流电压表显示为零（直流电压表的切换开关打到2V档）。关闭主控台电源。
③将应变式传感器其中一个应变片R4（即模板左上方的R4）接入电桥作为一个桥臂与内电阻R1、R2、R3接成直流电桥（R1、R2、R3模块内已连接好），接好电桥调零电位器W1，接上桥路电源±4V（从档位电源引入）。检查接线无误后，合上主控台电源开关。调节W1，使直流电压表显示为零。
④在电子称上放置一只砝码，读取直流电压表数值，依次增加砝码和读取相应的直流电压表值，直到200g砝码加完并记录实验结果。
⑤根据实验结果计算系统灵敏度S：S=Δu/ΔW（Δu输出电压变化量；ΔW重量变化量）；计算非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100%式中Δm为输出电压值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差；yF·S为满量程输出平均值。
实践项目二：金属箔式应变片——半桥性能实验
（1）实践目的：比较半桥与单臂电桥的不同性能，了解其特点。
（2）基本原理：不同受力方向的两片应变片接入电桥作为邻边，电桥输出
灵敏度提高，非线性得到改善。当两片应变片阻值和应变量相同时，其桥路输出电压U02=EK/ε2。
（3）需用器件与单元：同项目一。
（4）实践步骤：
①傳感器安装同实践一。做实践（一）2的步骤，实验模板放大器调零。
②根据XO-155型传感器实验装置图。R3、R4为实验模板左上方的应变片，注意R3应和R4受力状态相反，即将传感器中两片受力相反（一片受拉、一片受压）的电阻应变片作为电桥的相邻边。接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器W1进行桥路调零，实验步骤○3、○4同项目一中○4、○5的步骤，根据实验数据，计算灵敏度S=ΔU/ΔW，非线性误差δf2。若实验时无数值显示说明R2与R1为相同受力状态应变片，应更换另一个应变片。
实践项目三：金属箔式应变片——全桥性能实验
（1）实践目的：了解全桥测量电路的优点。
（2）基本原理：全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始阻值：R1= R2= R3=R4，其变化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压U03=KEε。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差均得到进一步改善。 （3）需用器件和单元：同项目一。
（4）实践步骤：
①传感器安装同项目一。
②根据XO-155型传感器实验装置图，4个应变片全部接入电桥，实验方法与项目二相同。根据实践记录结果，进行灵敏度和非线性误差计算。
实践项目四：金属箔式应变片单臂、半桥、全桥性能比较
（1）实践目的：比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度，得出相应的结论。
（2）实验步骤：根据项目一、二、三所得的单臂、半桥和全桥输出时的灵敏度和非线性度，从理论上进行分析比较。阐述理由。
实践项目五：金属箔式应变片的温度影响实验
（1）实践目的：了解温度对应变片测试系统的影响。
（2）基本原理：电阻应变片的温度影响，主要来自两个方面。敏感栅丝的温度系数，应变栅线膨胀系数与弹性体（或被测试件）的线膨胀系数不一致会产生附加应变。因此当温度变化时，在被测体受力状态不变时，输出会有变化。
（3）需用器件与单元：电桥、差动仪用放大器、电压放大器、应变式传感器、砝码、直流电压表、±15V电源、±4V电源、。加热器（已贴在应变片底部）
（4）实践步骤：
①保持项目三实验结果。
②将200g砝码加于砝码盘上，在直流电压表上读取某数值U01。
③将+5V直流稳压电源接在左上角加热器上，数分钟后
待直流电压表电压显示基本稳定后，记下读数Uot，Uot-Uo1即为温度变化的影响。计算这一温度变化产生的相对误差。
4、实施效果
经过电阻应变片实践项目教学的详细设计后，越来越多的的学生对这门专业基础课更感兴趣了，对后续的传感器实践也能够认真对待。在实践过程中，学生的实际操作和综合运用能力也得到进一步的提高。
5、结束语
电阻应变片实践项目只是《传感器技术》这门课的实践项目的一个小篇章，后续还有更多传感器的实践项目，还需不断的完善和设计，让学生能够通过實践操作认识和掌握传感器的基本知识，做到理论和实践结合，为后续课程以及学生今后的就业作铺垫。
【参考文献】
[1]梁森，王侃夫，黄航美.自动检测与转换技术[M].机械工业出版社，2013.
[2]殷淑英.传感器应用技术[M].冶金工业出版社，2011.
[3]胡孟谦，张晓娜.传感器与检测技术项目化教程[M].中国海洋大学出版社，2011.