应变传感器实验科普来也！力的检测，电阻应变式传感器的原理和使用

发布时间：2024-11-25 09:11:51

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。

柔性大应变传感器基础研究获进展并在火星工程中应用

柔性电子器件的应用场景包括健康监测、医疗手术、智能工业以及具有柔性大变形特征的航空航天设备，而柔性大应变传感器是其中监测变形的关键元件。传统基于金属或半导体的应变片无法满足与人体或柔性设备表面共形贴合的基本要求，并且传感范围比实际需求小。现有柔性大应变传感器多是基于接触电阻机制，即通过各种传感材料及相应微结构设计实现导电微结构的接触关系变化（从接触到分离的变化，或涉及渗流效应与隧道效应的远近关系变化），以此形成传感器的可拉伸性和电阻变化。此类柔性大应变传感器常用碳基材料（包括碳纳米管、石墨烯、碳化丝绸、炭黑等）或金属纳米线及纳米颗粒制备，相应的微结构有类弹簧结构、岛隙结构、屈曲鞘芯纤维结构和类鱼鳞结构等。这些应变传感器通常具有较大的传感范围和灵敏系数，但其电学响应的重复性和线性度有待提高，原因是其核心传感机理涉及到不稳定的接触关系：接触表面上复杂的滑移、摩擦和黏附关系；微结构的非线性变形；接触模式的转换。

近日，中国科学院力学研究所研究员苏业旺团队设计并制备出无接触电阻式柔性大应变传感器（图1），包含一个偏轴蛇形叠层结构（蛇形聚酰亚胺基底与覆盖层、偏离中心轴的蛇形康铜箔）和两层弹性封装层，其通过偏轴蛇形叠层结构中的拉伸-弯曲-拉伸变换机制实现0-50%的应变传感范围。理论分析、有限元模拟与实验测试（图2、图3）的结果综合表明，当传感器的圆弧段半径较大、聚酰亚胺基底宽度较窄、直线段较长和封装层较厚时，可以获得较大且稳定的弹性传感范围。在传感过程中，由于敏感材料康铜部分既不产生不稳定的接触电阻，也不涉及非线性本构和几何关系，该传感器保证了高重复性（重复性误差=1.58%）和高线性度（拟合优度>0.999）。进一步地，研究利用特殊设计的偏轴蛇形叠层结构和惠斯通电桥电路实现了温度自补偿功能（图4），最终传感器的输出电压温度系数可小至5×10-7°C-1。如图5所示，该传感器可以应用于监测颈部、手指和眼部等的人体实时运动，如眨眼、发声和呼吸等；测量外科手术中组织变形，如全膝关节置换手术；监控柔性航天航空设备的应变状态，如降落伞和高空气球等。

该传感器被应用于中国首颗火星探测器降落伞地面实验，在风洞内巨大温度变化、高速气流冲击和伞体剧烈晃动的情况下，应用该传感器对缩比降落伞的伞绳应变进行了实时监测，为降落伞优化设计提供了指导意见，为2021年5月15日“天问一号”探测器在火星成功着陆做出了贡献。项目评审组高度评价：“所开发的柔性传感器及配套方案具有实用性、创新性和可扩展性，未来还可进一步用于其他柔性回收着陆设备”。

相关研究成果以Contact-Resistance-Free Stretchable Strain Sensors with High Repeatability and Linearity为题，近期发表于学术期刊ACS Nano。研究工作获得大连理工大学、北京积水潭医院、航天五院科研人员的帮助和支持，并得到国家自然科学基金委面上项目、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目和北京市科委等的支持。