電阻應(yīng)變式傳感器測(cè)量性能分析

李岢

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

傳感器是能夠檢測(cè)到被測(cè)信息后按照人為設(shè)置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或者其他形式的信號(hào)來滿足信息的傳輸處理等操作。常見的傳感器有光敏傳感器、稱重傳感器、壓阻式傳感器、霍爾傳感器、線性傳感器、電阻式傳感器、溫度傳感器、智能傳感器等[1]。

1 電阻應(yīng)變式傳感器的簡(jiǎn)介

電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變片有分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，前者被劃分為金屬絲式、箔式、薄膜式，后者具有高靈敏度的特點(diǎn)。電阻應(yīng)變片從開始生產(chǎn)到20世紀(jì)60年代為第一階段，人們主要研究應(yīng)變片的基本性能、應(yīng)變作用原理、應(yīng)力測(cè)量方法及應(yīng)變片在長期使用中的穩(wěn)定性問題。20世紀(jì)60年代中期到80年代初進(jìn)入第二階段，主要是提高其性能和長期穩(wěn)定性，降低蠕變、滯后，研發(fā)各種新型應(yīng)變片。第三階段是20世紀(jì)80年代直至目前，數(shù)字智能稱重傳感器的應(yīng)用促使了應(yīng)變片溫度、蠕變、彈性模量自補(bǔ)償多發(fā)展，抗疲勞性能和長期穩(wěn)定性逐漸提高。

2 電阻傳感器的主要特性

研究電阻傳感器必然要分析其特性，首先是線性度又被稱為非線性誤差，在實(shí)際測(cè)量情況下，常采用一條擬合直線代替?zhèn)鞲衅鞯妮敵銮€[2-3]。其次，靈敏度反映的是電阻傳感器在應(yīng)變作用下應(yīng)變片電阻變化的快慢，具體是指?jìng)鞲衅靼l(fā)生應(yīng)變前的電阻值減去應(yīng)變作用下的電阻值再取絕對(duì)值后，比上發(fā)生應(yīng)變前的電阻值所得到的比值。一般情況下，電阻傳感器的靈敏度不會(huì)發(fā)生變化。然后是分辨率，定義為應(yīng)變片能感受到的最小壓力變化量的能力。遲滯也是電阻傳感器的特性之一，電阻傳感器在工作時(shí)，被測(cè)量由大到小進(jìn)行先后測(cè)量所得數(shù)據(jù)與從小到大排列所得數(shù)據(jù)繪制成的曲線不一致的情況被稱之為遲滯。同樣的被測(cè)量不同的輸出結(jié)果差值被稱為遲滯差值。與之相似的特性還有重復(fù)性，表現(xiàn)為重復(fù)對(duì)一定順序的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量后，同一輸入量作用下所得到的傳感器輸出數(shù)值不同，對(duì)應(yīng)的特性曲線也不能吻合。最后是閾值，電阻傳感器的應(yīng)變片所受應(yīng)力從零開始增加，最初傳感器是沒有輸出的，若某一時(shí)刻出現(xiàn)輸出量，那么這一時(shí)刻的輸入值稱為電阻傳感器的閾值電壓。

3 金屬箔式應(yīng)變片的性能分析

3.1 電路設(shè)計(jì)及計(jì)算方式

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是當(dāng)應(yīng)變片受到力的作用時(shí)，會(huì)發(fā)生一定的形變，電阻絲長度和橫截面積發(fā)生細(xì)微改變，從而電阻值發(fā)生不可忽視的改變，該情況被人們定義為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬箔式應(yīng)變片是將導(dǎo)線連接在直徑較小的金屬箔上，并將金屬用腐蝕、光刻等技術(shù)做成應(yīng)變片，再覆蓋在一層絕緣物質(zhì)之中，絕緣材料一般選取常見的苯酚或者環(huán)氧樹脂[4]。由于金屬箔式應(yīng)變片的變化量是非常小的，而電阻電橋作為測(cè)量電路是針對(duì)電阻應(yīng)變式傳感器最優(yōu)選擇，它能夠有效的將電阻變化轉(zhuǎn)化為其余電量上的變化。電阻電橋的工作的方式有單臂工作、半橋方式和全橋方式，下面以單臂電橋?yàn)槔齕5]。

采用單臂電橋電路的金屬箔式應(yīng)變片原理圖如圖1所示，橋臂電阻應(yīng)變片選用正負(fù)應(yīng)變片均可，橋臂上有三個(gè)電阻R1、R2、R3和一個(gè)電阻應(yīng)變片R4，其電阻值都相同。開始時(shí)接入直流電壓us，應(yīng)變片沒有受到外界壓力作用，此時(shí)電橋平衡，輸出電壓u0為0V。在對(duì)應(yīng)變片施加應(yīng)力之后，根據(jù)圖1所示結(jié)點(diǎn)采用結(jié)點(diǎn)電壓法可以求得輸出電壓：

電阻定義式為：

其中ρ為電阻率，S為應(yīng)變片的橫截面積，I為應(yīng)變片長度。對(duì)上述公式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)并求導(dǎo)，可以得到：

在本式中定義金屬箔的軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

帶入上式化簡(jiǎn)可以求出：

其中K為靈敏度系數(shù)，綜上輸出電壓的表達(dá)式為：

由上式可以看出輸出電阻與應(yīng)變片的長度變化量近似成正比。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析及性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下中進(jìn)行，根據(jù)傳感器的重復(fù)性特性進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，又根據(jù)遲滯特性進(jìn)行正反行程的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，以此有效減小誤差。先選取七個(gè)10g砝碼，將砝碼逐個(gè)加入電子秤上并記錄數(shù)據(jù)直到七個(gè)砝碼添加完成，在一次完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)應(yīng)變片的測(cè)量電路進(jìn)行調(diào)零，重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，測(cè)得數(shù)據(jù)表1。后先將砝碼全部放在秤上，然后逐個(gè)拿掉并記錄數(shù)據(jù)得表2。

表1 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器單臂電橋電路正行程測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器單臂電橋電路反行程測(cè)量數(shù)據(jù)

綜合兩表數(shù)據(jù)對(duì)金屬箔應(yīng)變片電阻傳感器測(cè)量性能參數(shù)進(jìn)行分析，計(jì)算系統(tǒng)靈敏度為：

上述實(shí)驗(yàn)得出了該應(yīng)變片在單臂電橋的電路設(shè)計(jì)下的性能參數(shù)，人們可以從本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)以后關(guān)于該傳感器的設(shè)計(jì)更加精確。一般情況下，電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度即被測(cè)量在相同輸入下所對(duì)應(yīng)的輸出值在傳感器的線性范圍內(nèi)越大就越有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)[6]。然而，在靈敏度高的傳感器中，不小心混入的無關(guān)變量如噪聲容易被放大系統(tǒng)放大導(dǎo)致測(cè)量精度變低。因此要想降低外部環(huán)境的噪聲信號(hào)的影響，傳感器本身的信噪比要高。傳感器的靈敏度是有方向性的。對(duì)方向性要求較高且是單向量的被測(cè)量適合選用其余維度向量上靈敏度小的傳感器來減小誤差；多維向量的被測(cè)量應(yīng)該選用交叉靈敏度小的傳感器來減小各方向上靈敏度的相互干擾。

實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因有很多，一方面存在溫度誤差，因?yàn)闇y(cè)量構(gòu)件電阻率受到溫度的影響會(huì)發(fā)生改變，就金屬而言，加熱后電阻一般會(huì)升高并且會(huì)受熱膨脹，其膨脹程度受表征物體熱膨脹性質(zhì)的膨脹系數(shù)決定。另一方面由于實(shí)際導(dǎo)線長度、電路各處焊點(diǎn)和應(yīng)變片分散度等因素的影響會(huì)導(dǎo)致零漂和蠕變。前者我們可以用線路補(bǔ)償法，其中效果最好的是電橋補(bǔ)償方法，除此之外還可采用應(yīng)變片自補(bǔ)償。后者可以通過計(jì)算機(jī)軟件處理電路進(jìn)行補(bǔ)償[7-8]。

4 結(jié)語

目前，科技領(lǐng)域的日新月異使得人們?cè)诟呖萍几叨祟I(lǐng)域中對(duì)于傳感器的性能要求越來越高，電阻應(yīng)變式傳感器所應(yīng)用的應(yīng)變測(cè)量技術(shù)十分關(guān)鍵。本文分析了金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器在單臂電橋電路的設(shè)計(jì)下的具體性能，其非線性程度較大，靈敏度低。雖然該傳感器的性能與其他種類的傳感器有所差異，但并不影響它在工業(yè)、科技等領(lǐng)域的發(fā)展。