XI’AN JIAOTONG
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.2
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-1
第五讲 力的测量与差动放大
引言
?力的现象随处可见，小到一只蚊子翅膀的
拍动，大到一辆货车的重量
?灵巧机械手：为了防止机械手抓取鸡蛋时
把鸡蛋捏碎，需要测量哪些物理量？如何
测量？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-2
第五讲 力的测量与差动放大
引言 —— 制作一个力的传感器
力会引起什么变化？
如何把力转换成电信号（ u/i/R/C/L/B）？
?弹簧秤：力 ?位移
?电阻应变片：力 ?电阻
?压电陶瓷：力 ?电压
?弹簧＋滑动变阻器：力 ?电阻
?振动：变化的力 ?变化的电信号
?空间力的测量,6个自由度 ?力的解耦
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-3
第五讲 力的测量与差动放大
引言
?本讲探讨力的测量。力的测量方法很多，实验
中，我们使用 电阻应变 原理来测量。
?在测量之前，我们经常在机械上对力进行处理，
比如利用 杠杆机构 进行力的放大。
?在信号的调理中，常见一个微弱的信号夹杂在
一个很大的直流电平中，而只有微弱信号是有
用的，所以要进行微弱信号的提取，这在, 信
号处理, 中有深入的探讨。在此处，我们使用
一种简单的方法 ——电桥 来处理。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-4
第五讲 力的测量与差动放大
本讲内容（ 2课时）
?力的测量方法
?杠杆机构
?电阻应变原理
?差动原理
?训练内容：握力的测量
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-5
§ 5.1 杠杆机构
? 杠杆机构：实现力的“传递”和放大。
? 机构：实现力或运动的“传递”与变换的装置。
——机械上的变换
? 其它常见的机构：
带轮、链轮、齿轮、齿轮齿条、丝杆螺母
2 2 1 1
21
12
F L F L
FL
A
FL
?
??放大：
L
2
L
1
F
2
F '
2
F
1
F '
1
称 重
传 感 器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-6
f
f
§ 5.2 电阻应变原理
00
0
2
00
0
0
22
0
22
00
2
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22
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设体积为 V。
原长为 l0，横截面积为 S0；
加力 f 后长度为 l，横截面积为 S；
长度变化为 ?l，电阻变化为 ?r
rl? ? ?
f l r? ? ? ?
fl?? 胡克定律
0
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-7
§ 5.2 电阻应变原理
把电阻的变化转换成电信号的变化
0
0
0
4
0
2
10
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+ V
c c
u = iR
4
= U
0
+ ? u
i
R
x
+V
cc
i=V
cc
/R
x
电压
?问题,有用信号 ?u 很小，且夹杂在一个很大
却无用的 U0上，结果看到的基本是 U0
?“大数吃小数”,103+0.1≈103
?如何把加力后电压的变化 ?u 从 u 中取出来？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-8
海 床
1
0
0
0
m
海 水
+ 3 m
- 3 m
§ 5.3 差动原理
海面浪高的测量
?以海底为基准：
误差很大，甚至
无法测量
?以海平面为基准：
easy to do
关键
“基准”的
选取
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-9
R
x
R
4
+ V
c c
u = iR
4
= U
0
+ ? u
i
R
1
R
2
+V
cc
U
0
§ 5.3 差动原理
电桥 —— 为电路选一个基准
?问题,uab很小（几毫伏），如果需要放大到几
伏，该选取什么调理电路？
常画成
0u u U? ? ?
基准
+V
c
?u
R
x
R
1
a b
R
2
R
4
数学中相减，
电路中：电势差
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-10
§ 5.3 差动原理
差动放大
称重传感器
称 重 传 感 器
+ 1 0 V
红
蓝
黄
绿
u
a b
a
b
?
O P 0 7
?
6
4
7
2
3
? 1 0 V
? 1 0 V
u
o
1 M W
1 0 k W
1 0 k W
1 M W
电阻应变片 直流电桥 信号调理电路（差动放大） 显示装置
力 f Rx ?u uo
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-11
训练内容：握力的测量
?利用力的测量系统测量你的最大握力；
?用指针式仪表显示力；
?阅读 P42最后一段，由测得的电压值计算你的握
力大小。
uo= ; F = 。
?P42最后一段：
本训练项目采用的 XYL-1电桥式称重传感
器，量程为 200kg。如果加 10V直流工作电压，
在 0～ 200kg范围内，被测力引起的电桥失衡能
输出 0～ 20mV的电压 uab。 uab与力成正比。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-12
训练电路板简介
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-13
称 重 传 感 器
+10V
?
OP07
?
6
4
7
2
3
?10V
?10V
u
o
1MW
10kW
10kW
1MW
红
蓝
黄
绿
u
ab
a
b
Ⅰ Ⅱ
直流电源
训练内容：握力的测量
接线示意图（ P48）
示波器
电路的检测方法：
1,检查电源供电是否正常？
2,然后检测称重传感器的输出 uab；
3,如果正常，再检测差动放大部分
4,有问题，检查①连接点②导线
直
流
电
源
的
使
用
：
?
开
启
之
前
逆
时
针
旋
到
底
?
“
跟
踪
”
按
下
接线顺序：
1,差动放大电路
2,称重传感器
3,电源
4,示波器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-14
训练内容：握力的测量
握力的计算及误差分析
F,0 ～ 200 kg
uab,0 ～ 20 mV
uo,0 ～ 2 V
F = 100uo
?注意：
?此处测量的力 F并非你的实际握力，而是经过杠杆机
构放大的。大约被放大了 2倍。
?除此之外电源的工作电压是否 10V？这也会造成测量
结果的较大误差
?不加力时，输出电压 uo不是 0V,why？测量中如何
处理？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-15
训练内容：握力的测量
我们实现了设计目标了么？
F,0 ～ 200 kg
uab,0 ～ 20 mV
uo,0 ～ 2 V
× ×
F = 100uo
?如何改进？
?请为你的改进方案设计一个新的调理电路。
画出电路原理图。
?可以参考：, 模拟电子线路, 运放的知识
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-16
思考：
1,电桥平衡的一般条件是什么？
2,仅在一个桥臂用应变电阻能
使电桥失衡电压与力成正比吗?
3,如果差动放大器输出信号不
足以带动磁电式电压表指针偏转，应如何解决？
4,如果用称重传感器测量拉力，传感器应如何安装？
5,在图 5-11中，当力为 0时，
差动放大器输出电压 uo不是
0V，这可能是什么原因造
成的？
6,称重传感器受力变形部位的
材料应具有弹性，我们希望
材料的弹性形变大一些还是小一些？
1.
2.
3,① 若输出电压太小，可以增加一级运放；
②若输出功率不够，做功率放大；
4,－
5,因为力为 0时，电桥不平衡。
如传感器出厂前标定不好，传
感器老化，内部电阻手环境温度的影响等
6,在量程范围内，适当大些，可以提高精度以及灵敏度
1
24
0ab
ab
x
u
uu
RR
RR
?
??
??
abFu?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-17
本讲小结
?杠杆机构：实现力的机械放大
?电桥：为电路设计一个,基准,。
测量之前应该先调节电桥 平衡 。
?当信号很微弱时，可以使用放大电路对信
号进行放大，如：差动放大、同相 /反相
比例放大等。
称重传感器
电阻应变片 直流电桥 信号调理电路（差动放大） 显示装置
力 f Rx ?u uo
UNIVERSITY
工业系统的测量
陈永森
工程训练中心
2004年 12月
,工程训练, 之一
讲义 V 1.2
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-1
第五讲 力的测量与差动放大
引言
?力的现象随处可见，小到一只蚊子翅膀的
拍动，大到一辆货车的重量
?灵巧机械手：为了防止机械手抓取鸡蛋时
把鸡蛋捏碎，需要测量哪些物理量？如何
测量？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-2
第五讲 力的测量与差动放大
引言 —— 制作一个力的传感器
力会引起什么变化？
如何把力转换成电信号（ u/i/R/C/L/B）？
?弹簧秤：力 ?位移
?电阻应变片：力 ?电阻
?压电陶瓷：力 ?电压
?弹簧＋滑动变阻器：力 ?电阻
?振动：变化的力 ?变化的电信号
?空间力的测量,6个自由度 ?力的解耦
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-3
第五讲 力的测量与差动放大
引言
?本讲探讨力的测量。力的测量方法很多，实验
中，我们使用 电阻应变 原理来测量。
?在测量之前，我们经常在机械上对力进行处理，
比如利用 杠杆机构 进行力的放大。
?在信号的调理中，常见一个微弱的信号夹杂在
一个很大的直流电平中，而只有微弱信号是有
用的，所以要进行微弱信号的提取，这在, 信
号处理, 中有深入的探讨。在此处，我们使用
一种简单的方法 ——电桥 来处理。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-4
第五讲 力的测量与差动放大
本讲内容（ 2课时）
?力的测量方法
?杠杆机构
?电阻应变原理
?差动原理
?训练内容：握力的测量
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-5
§ 5.1 杠杆机构
? 杠杆机构：实现力的“传递”和放大。
? 机构：实现力或运动的“传递”与变换的装置。
——机械上的变换
? 其它常见的机构：
带轮、链轮、齿轮、齿轮齿条、丝杆螺母
2 2 1 1
21
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F L F L
FL
A
FL
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L
2
L
1
F
2
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2
F
1
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1
称 重
传 感 器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-6
f
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§ 5.2 电阻应变原理
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2
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原长为 l0，横截面积为 S0；
加力 f 后长度为 l，横截面积为 S；
长度变化为 ?l，电阻变化为 ?r
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fl?? 胡克定律
0
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-7
§ 5.2 电阻应变原理
把电阻的变化转换成电信号的变化
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电压
?问题,有用信号 ?u 很小，且夹杂在一个很大
却无用的 U0上，结果看到的基本是 U0
?“大数吃小数”,103+0.1≈103
?如何把加力后电压的变化 ?u 从 u 中取出来？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-8
海 床
1
0
0
0
m
海 水
+ 3 m
- 3 m
§ 5.3 差动原理
海面浪高的测量
?以海底为基准：
误差很大，甚至
无法测量
?以海平面为基准：
easy to do
关键
“基准”的
选取
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-9
R
x
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u = iR
4
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§ 5.3 差动原理
电桥 —— 为电路选一个基准
?问题,uab很小（几毫伏），如果需要放大到几
伏，该选取什么调理电路？
常画成
0u u U? ? ?
基准
+V
c
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R
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R
1
a b
R
2
R
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数学中相减，
电路中：电势差
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-10
§ 5.3 差动原理
差动放大
称重传感器
称 重 传 感 器
+ 1 0 V
红
蓝
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u
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O P 0 7
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u
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1 M W
1 0 k W
1 0 k W
1 M W
电阻应变片 直流电桥 信号调理电路（差动放大） 显示装置
力 f Rx ?u uo
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-11
训练内容：握力的测量
?利用力的测量系统测量你的最大握力；
?用指针式仪表显示力；
?阅读 P42最后一段，由测得的电压值计算你的握
力大小。
uo= ; F = 。
?P42最后一段：
本训练项目采用的 XYL-1电桥式称重传感
器，量程为 200kg。如果加 10V直流工作电压，
在 0～ 200kg范围内，被测力引起的电桥失衡能
输出 0～ 20mV的电压 uab。 uab与力成正比。
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-12
训练电路板简介
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-13
称 重 传 感 器
+10V
?
OP07
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?10V
?10V
u
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1MW
10kW
10kW
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红
蓝
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Ⅰ Ⅱ
直流电源
训练内容：握力的测量
接线示意图（ P48）
示波器
电路的检测方法：
1,检查电源供电是否正常？
2,然后检测称重传感器的输出 uab；
3,如果正常，再检测差动放大部分
4,有问题，检查①连接点②导线
直
流
电
源
的
使
用
：
?
开
启
之
前
逆
时
针
旋
到
底
?
“
跟
踪
”
按
下
接线顺序：
1,差动放大电路
2,称重传感器
3,电源
4,示波器
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-14
训练内容：握力的测量
握力的计算及误差分析
F,0 ～ 200 kg
uab,0 ～ 20 mV
uo,0 ～ 2 V
F = 100uo
?注意：
?此处测量的力 F并非你的实际握力，而是经过杠杆机
构放大的。大约被放大了 2倍。
?除此之外电源的工作电压是否 10V？这也会造成测量
结果的较大误差
?不加力时，输出电压 uo不是 0V,why？测量中如何
处理？
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-15
训练内容：握力的测量
我们实现了设计目标了么？
F,0 ～ 200 kg
uab,0 ～ 20 mV
uo,0 ～ 2 V
× ×
F = 100uo
?如何改进？
?请为你的改进方案设计一个新的调理电路。
画出电路原理图。
?可以参考：, 模拟电子线路, 运放的知识
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-16
思考：
1,电桥平衡的一般条件是什么？
2,仅在一个桥臂用应变电阻能
使电桥失衡电压与力成正比吗?
3,如果差动放大器输出信号不
足以带动磁电式电压表指针偏转，应如何解决？
4,如果用称重传感器测量拉力，传感器应如何安装？
5,在图 5-11中，当力为 0时，
差动放大器输出电压 uo不是
0V，这可能是什么原因造
成的？
6,称重传感器受力变形部位的
材料应具有弹性，我们希望
材料的弹性形变大一些还是小一些？
1.
2.
3,① 若输出电压太小，可以增加一级运放；
②若输出功率不够，做功率放大；
4,－
5,因为力为 0时，电桥不平衡。
如传感器出厂前标定不好，传
感器老化，内部电阻手环境温度的影响等
6,在量程范围内，适当大些，可以提高精度以及灵敏度
1
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0ab
ab
x
u
uu
RR
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abFu?
Industry Training Center, 工程训练, —— 力的测量与差动放大 5-17
本讲小结
?杠杆机构：实现力的机械放大
?电桥：为电路设计一个,基准,。
测量之前应该先调节电桥 平衡 。
?当信号很微弱时，可以使用放大电路对信
号进行放大，如：差动放大、同相 /反相
比例放大等。
称重传感器
电阻应变片 直流电桥 信号调理电路（差动放大） 显示装置
力 f Rx ?u uo
