關(guān)于電阻應(yīng)變式傳感器靈敏度特性的分析

左亞楠

[摘 要] 半橋和全橋電路中的電壓靈敏度都比單臂高，并且沒(méi)有非線性誤差，為了得到較大的輸出，電壓或電流信號(hào)盡量采用雙臂電橋或全橋電橋，可以高效率地體現(xiàn)傳感器的功能。

[關(guān) 鍵 詞] 電阻傳感器；靈敏度；應(yīng)變

[中圖分類號(hào)] TP212.9 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）17-0185-01

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，當(dāng)代的自動(dòng)化、智能化已經(jīng)炙手可熱，其中傳感器技術(shù)也隨著時(shí)代的潮流興起，并且越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳感器在日常生活中是一個(gè)非常常見的電器元件，在生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。傳感器能夠按照一定的規(guī)律將抽象的測(cè)量轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)，并呈現(xiàn)出來(lái)。它主要是用電信號(hào)的形式將物理量、化學(xué)量呈現(xiàn)出來(lái)。傳感器是獲取直觀信息的重要手段，獲得信息后才能完成智能的檢測(cè)和智能人工控制。傳感器技術(shù)推動(dòng)著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，是傳感器對(duì)原始數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量，才完成了信號(hào)的轉(zhuǎn)化和信號(hào)處理以及完善數(shù)據(jù)。當(dāng)代的傳感器技術(shù)就相當(dāng)于人類的感官，因?yàn)橛兴拇嬖?，才能有大腦與外界的交流。電阻傳感器是對(duì)物體受力所產(chǎn)生的變化信號(hào)的一種傳感器，并且它具有測(cè)量精度很高、測(cè)量范圍廣泛、使用期限較長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、便于觀察信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前力、加速度、重量等物理量的測(cè)量提供了便利。

一、電阻傳感器的原理

電阻式傳感器種類繁多，應(yīng)用廣泛，它工作的基本原理就是將被測(cè)量的變化物理量轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)電路顯示記錄被測(cè)量物理量的變化。電阻應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的傳感器，最常用的傳感元件是電阻應(yīng)變片。

（一）電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

電阻絲應(yīng)變片是用直徑0.025mm的高阻率的電阻絲構(gòu)成，利用將電阻絲排列成珊形來(lái)獲得高的電阻，再粘貼在絕緣的基底上，再加上利用在電阻絲兩段焊接引線來(lái)減少損失，并且達(dá)到保護(hù)覆蓋面的作用。應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)物體的表面或者粘在富有彈性體的表面上，通過(guò)粘貼劑的受力變化，將電阻值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終以電壓、電流的形式展現(xiàn)出來(lái)就可以測(cè)量應(yīng)變。利用上述原理還可以做成各種應(yīng)變傳感器，例如，測(cè)量位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量。

（二）電阻應(yīng)變效果

當(dāng)應(yīng)變按照主軸的方向變化時(shí)，電阻的變化率與懸梁臂的主應(yīng)變同向變動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，可以通過(guò)應(yīng)變效果來(lái)對(duì)微效形變進(jìn)行測(cè)量，再將其轉(zhuǎn)化為電阻來(lái)對(duì)懸臂梁的主應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中要求測(cè)件的表面牢牢的與變片粘貼，當(dāng)測(cè)件受力發(fā)生形變后，敏感柵也同樣發(fā)生形變，之后電阻值就會(huì)發(fā)生變化，電阻的變化直接影響電壓。電阻的變化主要為應(yīng)變，因此在這一過(guò)程中對(duì)變片的電阻值進(jìn)行測(cè)量就可以得出懸臂應(yīng)變。測(cè)試電路一般對(duì)直流電橋進(jìn)行應(yīng)用，該方法能夠較好地將電阻的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為電壓或電流，使用電流電橋電路作為測(cè)量電路能夠?qū)崿F(xiàn)將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路一般會(huì)把R1、R2、R3作為固定值，Rx為應(yīng)變片組成單臂電橋電路。這一過(guò)程中將R3作為變應(yīng)篇，R3和Rx的受力方向是相反的。在全橋電路中，就要將R1、R2固定電阻都換成應(yīng)變片，連接過(guò)程中要對(duì)受力方向進(jìn)行注意，不斷地改變受力方向以及手里位置，來(lái)構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。

二、三次測(cè)量電路電壓靈敏度特征比較

根據(jù)三種不同的電路構(gòu)成，再結(jié)合理論知識(shí)可以很容易地推導(dǎo)出它們之間的關(guān)系，半橋電路的電壓靈敏度會(huì)比單臂電橋的靈敏度高大概一倍左右，全橋電路的電壓靈敏度大約是單臂靈敏電路的四倍，單臂電橋輸出的電壓值并不是準(zhǔn)確值，因?yàn)槠渲泻雎粤穗娮璧淖兓?，這就導(dǎo)致因?yàn)榻浦刀鸬姆蔷€性誤差。但是全橋和半橋電路是嚴(yán)格遵循線性關(guān)系的，這就直接證明了不存在非線性誤差。

一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到原始數(shù)據(jù)之后，通常會(huì)采用逐差法處理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，這樣可以避免操作失誤和不標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。在將計(jì)算結(jié)果帶入到公式中（電壓靈敏度=電壓變化量/相應(yīng)梁端位移變化量）計(jì)算出電壓靈敏度。通過(guò)反復(fù)重復(fù)的實(shí)驗(yàn)可以分別得出三種測(cè)量電路的不同電壓靈敏度結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果就可以得出在誤差允許的范圍內(nèi)，半橋電路、全橋電路和單臂電路的電壓靈敏度比值是2 ∶ 4 ∶ 1。在單臂測(cè)量電橋中電壓的靈敏度存在一定的差異，板橋測(cè)量電橋中，因此均有變應(yīng)片，且受力相反，因此不具有線性誤差，電壓的靈敏度在這一過(guò)程中也能夠得以提升。在全橋測(cè)量電橋中，由于相鄰的四片變應(yīng)片都會(huì)受到拉力，因此會(huì)造成形變，會(huì)讓電路變得高壓輸出，但與此同時(shí)保證了靈敏程度，是單筆電橋的4倍，可以完成溫度補(bǔ)償功能。

三、結(jié)語(yǔ)

電阻應(yīng)變式傳感器分為三種測(cè)量電壓，分別是單臂、半橋、全橋電路，三種測(cè)量電路的不同導(dǎo)致它們的電壓靈敏度特性存在很大的差異。不管是從理論還是從實(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，雖然在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)有誤差，但是它們之間的關(guān)系都基本吻和?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室儀器都很高，稍微的觸碰接線就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)有變動(dòng)，這也讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先需要調(diào)節(jié)電橋的平衡，來(lái)保證輸出電壓為零，但是還需要時(shí)刻注意輸出電壓的值，因?yàn)榧?xì)小的舉動(dòng)可能就會(huì)導(dǎo)致電壓值偏移，在電壓值不穩(wěn)定時(shí)也會(huì)給實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)造成誤差。不管是實(shí)驗(yàn)還是理論都表明，半橋和全橋電路中的電壓靈敏度都比單臂高，并且沒(méi)有非線性誤差，在用電阻傳感器測(cè)試電壓靈敏度時(shí)要盡量選擇半橋或者全橋電路，可以高效率地完成傳感器的功能。

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