電阻應(yīng)變式傳感器測量性能分析

邵 華，洛桑郎加

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.西藏珠峰交通工程檢測有限公司，西藏 日喀則 857000）

引言

電阻應(yīng)變式傳感器作為新型測量設(shè)備，能夠?qū)Σ煌募夹g(shù)參數(shù)進(jìn)行有效測量，并且可以在一定程度上確保測量結(jié)果的精確性。為了充分發(fā)揮電子應(yīng)變式傳感器的測量優(yōu)勢，需要通過試驗(yàn)分析掌握電阻應(yīng)變式傳感器的測量性能參數(shù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對傳感器應(yīng)用時的具體參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高傳感器測量靈敏度和測量結(jié)果的可靠性。

1 電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代測量技術(shù)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。傳感器能夠按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的裝置，可以在不同的測量工作中進(jìn)行應(yīng)用。傳感器技術(shù)能夠?qū)⒏鞣N物理量、化學(xué)量和其他非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號輸出，方便工作人員獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果。傳感器作為獲取信息數(shù)據(jù)的重要手段，也是當(dāng)前自動化控制技術(shù)和自動檢測技術(shù)在發(fā)展過程中不能缺少的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對傳感器技術(shù)的依賴度比較強(qiáng)，如果沒有利用傳感器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測量，不管是信號轉(zhuǎn)換還是信息處理都可能會存在一定問題[1]。傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是構(gòu)成信息技術(shù)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電阻應(yīng)變式傳感器以物體受力變形測量為基礎(chǔ)，可以掌握物體的具體情況，其精確度比較高，并且測量范圍廣，使用壽命相對較長。在傳感器的具體應(yīng)用過程中性能也比較穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)相對簡單，頻率響應(yīng)良好。

2 電阻傳感器特性

在對電阻應(yīng)變式傳感器測量技術(shù)進(jìn)行研究時，需要對其主要特性進(jìn)行深入分析。經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)電阻應(yīng)變式傳感器的主要特性表現(xiàn)：（1）靈敏度。在應(yīng)變作用影響下電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變電阻變化的速度。在傳感器出現(xiàn)應(yīng)變前，電阻值減去應(yīng)變作用力下的電阻值后再取絕對值，可以獲取發(fā)生應(yīng)變時電阻值的比值。通常情況下，電阻傳感器的靈敏度是處于穩(wěn)定情況。（2）分辨率。應(yīng)變片可以感受到的最小壓力變化量的能力。（3）線性度。這一特性也被稱為非線性誤差，在具體的測量過程中可以利用一條擬合直線代替?zhèn)鞲衅鬏敵銮€[2]。（4）遲滯性。是電阻傳感器的主要特性之一，在電阻應(yīng)變式傳感器運(yùn)行過程中被測量的物體從大到小要進(jìn)行先后測量，獲取的數(shù)據(jù)與從小到大排列的數(shù)據(jù)繪制成曲線，而曲線不一致的情況被稱為遲滯性。被測量不同的輸出結(jié)果差值被稱為遲滯差值。（5）重復(fù)性。是電阻應(yīng)變式傳感器的特性之一，主要表現(xiàn)對某一被測量物體進(jìn)行重復(fù)測量后，同一輸入量作用下獲取的傳感器輸出數(shù)值不同，對應(yīng)的特性曲線不能吻合。（6）閾值。電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)變片所受應(yīng)力從零開始增加，最初的傳感器沒有輸出信號。如果某一時刻出現(xiàn)輸出量，這一時刻的輸出值被稱為電阻應(yīng)變式傳感器的閾值電壓。

3 金屬箔式應(yīng)變片的性能分析

3.1 性能研究

在電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用過程中，主要是應(yīng)變片感受到力的作用后，會出現(xiàn)一定的形變，而電阻絲長度和橫截面積也會出現(xiàn)一些改變,從而導(dǎo)致電阻值變化，被定義為電阻應(yīng)變效應(yīng)。在電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用過程中，金屬箔式應(yīng)變片需要將導(dǎo)線連接在金屬箔上，同時要利用腐蝕、光刻等技術(shù)，將金屬作為應(yīng)變片覆蓋在絕緣物質(zhì)中，絕緣材料一般為環(huán)氧樹脂或者苯酚[3]。因?yàn)榻饘俨綉?yīng)變片的變化量較小，可以將電阻電橋作為對電路進(jìn)行測量時的最優(yōu)選擇，能夠?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)換為其余電量上的變化。電阻電橋的主要工作方式包括單臂電橋、半臂電橋、全橋電橋等。以單臂電橋工作為例，在研究過程中需要利用單臂電橋電路的金屬箔式應(yīng)變片原理進(jìn)行分析。電阻應(yīng)變片可以選擇正負(fù)應(yīng)變片，橋臂上有三個電阻以及一個電阻應(yīng)變片，電阻值相同。在開始運(yùn)行時可以直接接入直流電壓應(yīng)變片，不會受外界壓力作用。在這種情況下，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出的電壓為零。在應(yīng)變片接收到應(yīng)力作用后，可以利用結(jié)點(diǎn)電壓法獲取輸出電壓值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在西藏日喀則市農(nóng)村公路研究水穩(wěn)基層溫度場試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)傳感器的重復(fù)特性進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，同時要以遲滯特性為基礎(chǔ)進(jìn)行正反行程測量試驗(yàn)，減少試驗(yàn)誤差。在操作過程中需要先選擇7 個10 g 砝碼，將砝碼逐個加入到電子秤上并準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，見表1，直到砝碼添加完成后完成一次完整的試驗(yàn)；然后對應(yīng)變片的測量電路進(jìn)行調(diào)零處理，重復(fù)進(jìn)行三次試驗(yàn)，可以獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格；最后進(jìn)行相反的試驗(yàn)，將砝碼全部放到秤上，然后逐個拿掉并記錄數(shù)據(jù)，見表2。這樣可以獲取應(yīng)變片在單臂電橋電路設(shè)計(jì)下的性能參數(shù)。根據(jù)此次試驗(yàn)，可以根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果對傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使傳感器的測量精度更高。

表1 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器正行程測量數(shù)據(jù)

表2 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器反行程測量數(shù)據(jù)

電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度在測量時輸入相同的數(shù)值時，對應(yīng)的輸出值在傳感器的線性范圍內(nèi)越大越有利于開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。但是傳感器的靈敏度比較高，如果混入無關(guān)變量，例如噪聲，很容易被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，為了降低外部環(huán)境噪聲信號產(chǎn)生的負(fù)面影響，傳感器的信噪比都比較高[4]。傳感器的靈敏度有一定方向性，對方向性要求比較高，并且單向量的被測量物體一般要選擇與其維度向量上靈敏度較小的傳感器，可以降低測量誤差。多維向量被測量物體要利用交叉靈敏度比較小的傳感器，降低不同方向上靈敏度產(chǎn)生的干擾。

在試驗(yàn)過程中需要對試驗(yàn)誤差進(jìn)行嚴(yán)格控制。測量構(gòu)件電阻率受溫度的影響相對較大。特別對金屬來說，加熱后電阻升高，并且受熱膨脹，膨脹程度受表征物體熱膨脹性質(zhì)的膨脹系數(shù)決定。實(shí)際導(dǎo)線長度、電路不同部位的焊點(diǎn)、應(yīng)變片分散度等也會導(dǎo)致零漂和蠕變。為了解決零漂問題，可以利用線路補(bǔ)償法，其中電橋補(bǔ)償法是最有效的解決方法。此外，還可以利用應(yīng)變片自補(bǔ)償。而對蠕變問題進(jìn)行解決時，主要是利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理。

4 結(jié)語

為了對電阻應(yīng)變式傳感器的具體測量性能進(jìn)行全面掌握，需要對電阻應(yīng)變式傳感器在使用過程中的原理和實(shí)際性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器在單臂電橋電路設(shè)計(jì)下的非線性程度比較大，靈敏度比較低，但是其在工業(yè)科技領(lǐng)域中的應(yīng)用具有突出作用。