1电阻应变式传感器及全桥差动的工作原理

1．1 应变式传感器

电阻式传感器的基本工作原理是利用电阻元件把待测的物理量（如位移、力、加速度等变量）变换成电阻值的变化，然后通过对电阻值的测量来达到测量非电量的目的。

按其工作原理可分为以下两类：

（1）电位计式电阻传感器

（2）应变式电阻传感器

电位计式电阻传感器工作于电阻值变化大的状态，适宜测量被测对象参数变化较大的场合，它与一般的电位计相同。而应变式电阻传感器工作于电阻值变化微小的状态，灵敏度较高，因而主要介绍此种传感器。

1.2应变式电阻传感器的工作原理

电阻式应变片是一种能将试件上的应变变化转换为电阻变化的传感元件.以金属丝电阻应变片为例介绍其工作原理.用一根具有高电阻系数的金属丝如康铜或镍铬合金等,直径d=0.025mm，绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层时，当金属丝电阻应变片在外力作用下发生机械变化时，其电阻值发生变化，此现象称之为电阻应变效应。如图1.1所示，这也是电阻应变片工作的物理基础。

图1.1  金属丝电阻应变片的结构示意图

 导体的电阻值可以用下式计算：

                                                     （1-1）

当次电阻丝两端受拉力以后，其尺寸将发生变化，长度伸长而横截面将减小，一般ρ值也发生变化，对上式进行微分：

                 （1-2）

                     （1-3）

图1.2

在测量时，将应变片用黏结结剂牢固在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，此电阻变化是与试件应变成比例的，这样就可以反映出外界作用力的大小。

敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。

金属电阻应变片的敏感栅有丝式，箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻，腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003~0.01mm。其优点是散热条件好，充许通过的电流大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广。

半导体应变片是用半导休材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻

效应。所谓压阻效应是指半导体材料在某一轴受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片突出的优点是灵敏度高，比金属丝式高50~80倍，尽寸小，但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。目前，一般多采用箔式应变片

1.3全桥差动式测量电路

从电阻应变片的工作原理可知，应变片可以把机械量变换为电阻变化，但这变化是很小的，用一般测量电阻的仪表很难直接检测出来，通常把它转换成电压变化，用电测仪器来进行测定。电桥电路正是进行这种变换的一种最常用的方法。传感器可以放在桥路四个臂中的任何一个臂内，工作臂的数目可以从一个到四个任选。

图1.3为最常用电桥，通常输出电压很小，不能用它来直接推动指示仪表，一般需要加以放大，而一般放大器的输入阻抗较电桥内阻要高出很多，故桥路输出端之间可以看成为开路，则输出电压

             （1-4）

图 1.3四个工作臂直流电桥

在实际测量中，电桥已预调为平衡，出去电压只与桥臂电阻变化有关（R1R4=R2R3,U0=0）

当电桥的四个臂都产生电阻变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4时，图1.3输出电压与电阻变化的关系根据式（1.3）可得

            （1-5）

把ΔR/R=Kε带入得

              （1-6）

当全臂工作时，即R1=R2=R3=R4=R都是工作片，且ΔR1=ΔR4=ΔR，ΔR2=ΔR3=-ΔR，则

          （1-7）

全桥差动测量电路公式为：

                     （1-8）

全桥差动测量电路公式为：

                   （1-9）

设VCC=2V；K=2；S=0.00196㎡；E=2*100000000000N/㎡；μ=0.3；所以最后得出全桥差动测量电路公式为：

                               （1-10）

由于本次实验中需要一个中间变量，即应变，所以应变和电压的关系如下：

                             （1-11）

2  组态王的概述及应用

2.1组态王概述

2.2.1组态王的定义

组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。

2.2.2组态王的特点

它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

2.2.3组态王的使用

1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：

(1)图形界面的设计

(2)构造数据库

(3)建立动画连接

(4)运行和调试

2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:

(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。

(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。

3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:

(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。

(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。

2.2  组态王的实践

第二篇：7任务书--基于组态王的实训设备的开发

河北建筑工程学院

毕业设计（论文）任务书

                  

系别：          电气工程系          

专业：       电气工程及其自动化    

班级：                        

姓名：                        

学号：                     

起迄日期：201 年 0 月日  ~ 201 年 0 月日

设计（论文）地点:                               

指导教师：     赵艳秋      职称：             

填表日期：    20  年   月    日