传感器电阻应变 科普来也！力的检测，电阻应变式传感器的原理和使用

科普来也！力的检测，电阻应变式传感器的原理和使用

电阻应变式传感器把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。首先由在弹性元件上粘贴应变敏感元件，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的形变引起了应变敏感件的变形，从而其阻值，发生变化，再通过测量转换电路将阻值变化转换为电压信号输出，电信号的大小也就反应了被测量的大小。电阻应变式传感器结构简单，性能稳定，使用方便，灵敏度高，响应速度快，广泛应用到航空、机械、电力、化工、建筑、医学等领域。它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器等。

一、电阻应变效应

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。加一些下面我们以金属电阻丝为例说明这种效应，设金属丝长度为l，横截面积为S，半径为r，电阻率为p，它的电阻值R可以表示为：

当金属丝的长度方向受到拉伸力或压缩力的时候，上面公式中的三个参数都发生变化，从而使阻值发生变化，通过实验可以证明，金属丝的电阻变化率与电阻丝的纵向应变成线性关系，对于不同的金属，其灵敏度不同，而对于半导体，由于发生形变时，电阻率变化很大，其阻值也发生很大变化，其灵敏度较金属要大很多。

二、应变片结构类型

应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。应变片结构图如下。

1-基底 2-电阻丝 3-覆盖层 4-引线

箔式应变片中的箔栅是金属箔经过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。

三、应变式传感器测量电路

电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学传感器。

导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为电阻的变化率△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把电阻应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。可分为直流电桥和交流电桥。

直流电桥的特点是信号不会受各元件和导线的分布电感及电容的影响，抗干扰能力强，但因机械应变的输出信号小，要求用高增益和高稳定性的放大器放大

测量转换电路——直流电桥

电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 ， 调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。 当电桥输出端接无穷大负载电阻时，可视输出端为开路，即只有电压输出。 当忽略电源的内阻时，由分压原理有：

当满足R1R3=R2R4时，即电桥平衡，该式称为平衡条件，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。

1.单臂电桥

其中 R1、 为应变片，R2、 R3、R4为固定电阻 。

2.双臂电桥

双臂差动半桥：

，所图所示：

其中 R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。应变片R1 、R2 感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。

3.四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。在电桥应用中，有许多补偿方法，其中包括零点补偿、温度补偿、非线性补偿等

应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。

1.力的测量

应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

荷重时的应变传感器称为应变荷重传感器如图所示，主要用途作为电子秤和试验机的测量力元件，推力测试等，该种传感器要求较高的灵敏度，荷重传感器具体可分为柱式和筒式传感器，电桥联线时要尽可能的减小弯矩的影响到，如有必要可进行温度补偿。特别是要把应变片粘到具有弹性的元件上面，这需要专业厂家来完成，被测的力作用在弹性元件上，而不是应变片本身，否则会损坏荷重传感器。

2.扭矩测量

扭矩传感器是一个类似于负载器的电子装置，主要用于把测试所得的扭力值转换成电信号的扭矩。通过机械感应检测扭矩形变，将应变计里的应变片变形量转换成电信号。扭矩传感器通常由四个应变计的配置，还提供一个或者两个应变片的扭矩传感器。电信号通常输出是在几毫伏大小之间，所以通常需要由仪表放大器通过放大才能够使用。传感器根据输出然后应用算法计算得到的数据再传回传感显示。扭矩传感器一般有旋转式。固定反应式，和内嵌式等多种用于校准和审计目的的类型。应变式传感器将应变片产生的应变转矩转换为电阻值的变化。

扭矩测量可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。

3.加速度的测量

加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备。其基于惯性原理，即A(加速度)=F(惯性力)/M(质量)。用电磁力去平衡惯性力F就可以得到 F对应于电流的关系，可由实验去标定这个比例系数。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。

应变式加速度传感器内部结构如图2-10所示。在一悬臂梁1的自由端固定一质量块3。当壳体4与待测物一起作加速运动时,梁在质量块惯性力的作用下发生形变,使粘贴于其上的应变计2阻值变化。检测阻值的变化可求得待测物的加速度。图中,5为电引线,6为运动方向。

电阻式应变片电桥压力传感器的说明与应用解析介绍

电阻式应变片电桥压力传感器应用

1. 电阻式应变片电桥压力传感器工作原理

电阻式应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到外界压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，电阻值会发生变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。

一般来说，把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。 这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

通常使用四臂工作的全桥接法测量电桥有较高的灵敏度应变片式位移传感器测量精度也较高，能起到温度自动补偿的作用。

下图为全桥的基本结构

全桥

V0:输入电源电压。U0:输出共模电压；

2. 电阻式应变片电桥压力传感器电路设计

下图是电路框架结构

电路框架

电路一般由放大电路，滤波电路，电压跟随组成，U0为模拟量输出。

1）放大电路：使用差分放大电路；

差分放大电路，比较常用的电路，可以使用分立式运放来搭建差分运放电路；如下图：

差分运放电路

不过，由分立式运放搭建的差分运放电路，外围器件比较多，而且器件本身有差异，外界干扰信号的影响等，可能会引起一些噪声等误差；比如R1,R2的阻值理想状态是需要相同阻值，但是现实中由于生产工艺等原因不可能有相同阻值的电阻，多多少少都会存在一定偏差，所有说运放的结果也不会是理想状态。

因此，为了减少外围器件，以及不必要的误差，建议在条件运行的状况下，采用仪表放大器，其内部已经集成了差分电路，所有使用时外围器件比较少，电路结构简单，受干扰情况也会减小。

常用的仪表运放有AD620,INA128等；下图是INA128内部结构：此图来自INA128数据手册；

INA128内部电路

RG用来条件增益，根据传感器以及实际电路来条件增益；

仪表运放使用时注意选项，供电电压，增益调节范围，输入输出阻抗，共模抑制比CMR，偏压值，以及噪声等；

2）滤波电路;

滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过，而使规定范围之外的信号不能通过。

滤波电路分为：低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波；

低通滤波：允许低频率的信号通过，将高频率的衰减；

高通滤波：允许高频率的信号通过，将低频率的衰减；

带通滤波：允许一定频带范围内的信号通过，将频带范围外的信号衰减；

带阻滤波：允许一定频带范围之外的信号通过，将频带范围内的信号衰减；

滤波电路又分为：无源滤波，有源滤波；

无缘滤波：仅由无源器件（电阻，电容，电感）组成的滤波电路；其有很大的缺点，比如：电路增益小，驱动负载能力差等。

有源滤波：指利用放大器，电阻和电容组成的滤波电路，主要用于数据传输，抑制干扰等方面；当然其也有缺点：受运放频带限制，这种滤波主要用于低频范围。

下图就是一阶有源低通滤波电路；

输入端RC构成低通滤波，特征频率由RC决定；

此电路特点就是：电路简单，但是阻带衰减太慢，选择性较差。

为了提高阻带衰减特性，加快衰减，改善滤波效果，我们可以再加一节RC低通滤波环节，构成二阶低通滤波，效果比一阶要好很多；如下图：

实际电路中具体选哪种滤波呢，我们要根据实际使用要求等情况，做具体的选择；

3）电压电路

下图是电压跟随的示意图：

电压跟随器

电压跟随，意思就是输出电压与输入电压相等，增益为一，起到电压跟随的作用。

许多应用里面都会有电压跟随电路，但是呢很多人觉得既然是输出电压跟输入电压一致，那为何要添加电压跟随电路，不是多此一举嘛，干脆去掉算了，其实看似简单，但是其有很大的作用，建议最好要有电压跟随电路；下面就简单介绍下电压跟随的几个作用。

1）电压跟随起到缓冲的作用

这个缓冲起到承上启下的作用，如果上一级信号输出阻抗比较高，而下一级输入阻抗比较小，那么这时信号就会有损耗，所有在此添加电压跟随电路，就可以在一定程度上避免这种现象。

2）电压跟随起到隔离的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，常用于中间级，以隔离前后级电路，消除前后级电路之间的相互影响。

3）电压跟随起到阻抗匹配的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，使得它在电路中可以完成阻抗匹配的功能，使下一级电路工作的更好，尤其在音频处理里面这个作业体现的更为出色。

3. 总结

电阻式应变片电桥压力传感器，的使用比较常见，电路比较简单，基本上由运放电路，滤波电路，跟随电路组成后，就可以满足普通的采样使用；可以直接接入带AD功能的MCU上进行采样，或者接AD转换芯片，再接入MCU等；当然实际使用过程中电压，增益，量程等，根据相关传感器手册，芯片手册等可自行调节。

想了解更多电子元器件，电子开发设计，嵌入式编程，研发相关管理知识或者观点，请记得加【关注】

欢迎您与作者私信沟通交流

相关问答

[最佳回答]外力作用于金属或半导体材料,使其发生机械变形,此时金属或半导体材料的电阻值就会随之发生变化,这种现象称为“电阻应变效应”.外力作用于金属或半...

[最佳回答]电阻应变式传感器的优点是精度高,测量范围广,寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等.它的缺点是对...

用应变式传感器测量力、力矩、压力、加速度、重量等。应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。...

%FS的意思是指精度和满量程的百分比,比如说量程是200Pa的压力传感器,如果说传感器的精度是0.5%FS的话,那么传感器的测量值跟真实值之间的误差应该是在1Pa这样...

电阻应变片的工作原理是金属在受力的情况下,截面会发生变化,从而电阻发生变化,通过这个原理,配合应变测试仪和软件,可以测量出被测试物的变形量。半导体应...

电阻应变片的测量原理为:金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外,还与金属丝的长度,横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上,当构件受力变形时,金属丝的长度和...

[最佳回答]测试电路就是利用惠斯顿电桥将电阻变化转换成电压变化.如果四片均为应变电阻,即组成的是全桥接法,实际粘贴有2种方式,如果是测拉伸和压缩的话上下表...

传感器和电阻的关系是传感器的本质是电阻,比如光敏电阻、热敏电阻、压敏电阻、力敏电阻、气敏电阻,霍尔元件属磁敏电阻,都是改变电阻来实现传感的。但有些传...

电阻应变计简称应变计,它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上...

传感器的频率响应就是传感器外部信号的反应能力。比如,传感器的频率响应是每秒5000次,外部信号频率是6000次,那么,传感器就无法对外部信号做出正确的反应。...