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。

电阻应变式传感器测量性能分析

邵华 洛桑郎加

山东省交通科学研究院 西藏珠峰交通工程检测有限公司

摘 要： 对电阻应变式传感器测量性能进行分析，掌握电阻应变式传感器的应用现状，了解电阻应变式传感器的主要特性。电阻应变式传感器的灵敏度在测量时，如果输入的数值相同，对应的输出值在传感器的线性范围内越大，越能够提升数据统计工作效率，从而对电阻应变式传感器的测量性能进行有效控制，提高测量结果的精确性。

关键词： 电阻应变式传感器;测量性能;特性;

作者简介： 邵华（1981—），男，山东德州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向为交通运输工程。;

基金： 西藏自治区科技计划项目资助，项目名称：西藏公路半刚性基层材料结构损伤测试及数值模拟研究，项目编号：XZ202001ZR0092G;

引言

电阻应变式传感器作为新型测量设备，能够对不同的技术参数进行有效测量，并且可以在一定程度上确保测量结果的精确性。为了充分发挥电子应变式传感器的测量优势，需要通过试验分析掌握电阻应变式传感器的测量性能参数，并根据试验结果对传感器应用时的具体参数进行调整，提高传感器测量灵敏度和测量结果的可靠性。

1 电阻应变式传感器应用现状

随着现代测量技术、电子技术以及计算机技术的不断发展，传感器技术的应用越来越广泛。传感器能够按照一定规律转换成可用输出信号的装置，可以在不同的测量工作中进行应用。传感器技术能够将各种物理量、化学量和其他非电学量转换为电学信号输出，方便工作人员获取准确的测量结果。传感器作为获取信息数据的重要手段，也是当前自动化控制技术和自动检测技术在发展过程中不能缺少的重要环节。现代科学技术的发展对传感器技术的依赖度比较强，如果没有利用传感器对原始数据进行精确测量，不管是信号转换还是信息处理都可能会存在一定问题[1]。传感技术、通信技术和计算机技术是构成信息技术系统的关键环节。电阻应变式传感器以物体受力变形测量为基础，可以掌握物体的具体情况，其精确度比较高，并且测量范围广，使用寿命相对较长。在传感器的具体应用过程中性能也比较稳定可靠，结构相对简单，频率响应良好。

2 电阻传感器特性

在对电阻应变式传感器测量技术进行研究时，需要对其主要特性进行深入分析。经过深入研究发现电阻应变式传感器的主要特性表现：（1）灵敏度。在应变作用影响下电阻应变式传感器应变电阻变化的速度。在传感器出现应变前，电阻值减去应变作用力下的电阻值后再取绝对值，可以获取发生应变时电阻值的比值。通常情况下，电阻传感器的灵敏度是处于稳定情况。（2）分辨率。应变片可以感受到的最小压力变化量的能力。（3）线性度。这一特性也被称为非线性误差，在具体的测量过程中可以利用一条拟合直线代替传感器输出曲线[2]。（4）迟滞性。是电阻传感器的主要特性之一，在电阻应变式传感器运行过程中被测量的物体从大到小要进行先后测量，获取的数据与从小到大排列的数据绘制成曲线，而曲线不一致的情况被称为迟滞性。被测量不同的输出结果差值被称为迟滞差值。（5）重复性。是电阻应变式传感器的特性之一，主要表现对某一被测量物体进行重复测量后，同一输入量作用下获取的传感器输出数值不同，对应的特性曲线不能吻合。（6）阈值。电阻应变式传感器的应变片所受应力从零开始增加，最初的传感器没有输出信号。如果某一时刻出现输出量，这一时刻的输出值被称为电阻应变式传感器的阈值电压。

3 金属箔式应变片的性能分析

3.1 性能研究

在电阻应变式传感器应用过程中，主要是应变片感受到力的作用后，会出现一定的形变，而电阻丝长度和横截面积也会出现一些改变,从而导致电阻值变化，被定义为电阻应变效应。在电阻应变式传感器应用过程中，金属箔式应变片需要将导线连接在金属箔上，同时要利用腐蚀、光刻等技术，将金属作为应变片覆盖在绝缘物质中，绝缘材料一般为环氧树脂或者苯酚[3]。因为金属箔式应变片的变化量较小，可以将电阻电桥作为对电路进行测量时的最优选择，能够将电阻变化转换为其余电量上的变化。电阻电桥的主要工作方式包括单臂电桥、半臂电桥、全桥电桥等。以单臂电桥工作为例，在研究过程中需要利用单臂电桥电路的金属箔式应变片原理进行分析。电阻应变片可以选择正负应变片，桥臂上有三个电阻以及一个电阻应变片，电阻值相同。在开始运行时可以直接接入直流电压应变片，不会受外界压力作用。在这种情况下，电桥处于平衡状态，输出的电压为零。在应变片接收到应力作用后，可以利用结点电压法获取输出电压值。

3.2 试验结果

在西藏日喀则市农村公路研究水稳基层温度场试验过程中，需要根据传感器的重复特性进行多次重复试验，同时要以迟滞特性为基础进行正反行程测量试验，减少试验误差。在操作过程中需要先选择7个10 g砝码，将砝码逐个加入到电子秤上并准确记录数据，见表1，直到砝码添加完成后完成一次完整的试验；然后对应变片的测量电路进行调零处理，重复进行三次试验，可以获取相应的数据表格；最后进行相反的试验，将砝码全部放到秤上，然后逐个拿掉并记录数据，见表2。这样可以获取应变片在单臂电桥电路设计下的性能参数。根据此次试验，可以根据获取的数据结果对传感器进行优化设计，使传感器的测量精度更高。

表1 金属箔式应变片电阻传感器正行程测量数据 下载原图

表2 金属箔式应变片电阻传感器反行程测量数据 下载原图

电阻应变式传感器的灵敏度在测量时输入相同的数值时，对应的输出值在传感器的线性范围内越大越有利于开展数据统计工作。但是传感器的灵敏度比较高，如果混入无关变量，例如噪声，很容易被放大系统放大，影响测量精度。因此，为了降低外部环境噪声信号产生的负面影响，传感器的信噪比都比较高[4]。传感器的灵敏度有一定方向性，对方向性要求比较高，并且单向量的被测量物体一般要选择与其维度向量上灵敏度较小的传感器，可以降低测量误差。多维向量被测量物体要利用交叉灵敏度比较小的传感器，降低不同方向上灵敏度产生的干扰。

在试验过程中需要对试验误差进行严格控制。测量构件电阻率受温度的影响相对较大。特别对金属来说，加热后电阻升高，并且受热膨胀，膨胀程度受表征物体热膨胀性质的膨胀系数决定。实际导线长度、电路不同部位的焊点、应变片分散度等也会导致零漂和蠕变。为了解决零漂问题，可以利用线路补偿法，其中电桥补偿法是最有效的解决方法。此外，还可以利用应变片自补偿。而对蠕变问题进行解决时，主要是利用计算机软件进行处理。

4 结语

为了对电阻应变式传感器的具体测量性能进行全面掌握，需要对电阻应变式传感器在使用过程中的原理和实际性能进行试验分析。金属箔式应变片电阻传感器在单臂电桥电路设计下的非线性程度比较大，灵敏度比较低，但是其在工业科技领域中的应用具有突出作用。

参考文献

[1] 晏志鹏.电阻应变式传感器零点温度补偿剖析J.传感器技术与应用,2019,7(2):39-49.

[2] 陆旭明.电阻式传感器物理原理解析J.物理教师,2021(11):56-58.

[3] 李岢.电阻应变式传感器测量性能分析J.电子元器件与信息技术,2020,4(2):153-155.

[4] 孙辉,韩玉龙,姚星星.电阻应变式传感器原理及其应用举例J.物理通报,2017(5):82-84.

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