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

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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《Science》子刊：受折纸启发，一种低滞后、高拉伸性应变传感器

编辑推荐：可拉伸应变传感器是可穿戴电子、假肢和软机器人的核心传感器件。具有高应变范围、最小滞后和快速响应速度的应变传感器可以用于精确测量软体的大变形和动态变形。然而，目前的可拉伸应变传感器主要依赖于可变形的导电材料，这使得传感器的响应速度和恢复能力受到了极大地限制。在这个研究中，研究人员引入了基于折纸启发的三维非平行板电容应变传感器的概念。这些传感器具有高达200%的拉伸能力，具有1.2%的滞后程度，<22 ms响应时间，非常小的传感面积（~5 mm2）和定向的应变响应。研究人员用这种低滞后性的可拉伸应变传感器演示了使用分布式应变传感器来测量软连续臂的多模态变形过程。

受到折纸从二维变为三维的制作过程启发，南加州大学的研究人员设计了一种可变形的非平行板三维电容应变传感器。这种非平行板电容应变传感器的制备过程非常巧妙，研究者首先在预拉伸的硅胶弹性基底上制备二维电极图案，然后通过释放预应变让基底恢复原长，从而将二维电极转换为具有一定折叠角度的三维非平行电极板，从而为这种电容式的应变传感器提供了很大的可拉伸性、超低滞后性、高重复性、快速响应时间以及小传感器面积等优势 。此外，独特的三维电极设计还支持压缩应变传感和特定方向的应变响应，这是不同于以往大多数基于可拉伸材料的柔性应变传感器的独特性质。毫米级的小传感面积还允许这种传感器可以简单地粘附在软体装置上实现对它们形变的分布式测量。相关论文以题为“High-stretchability and low-hysteresis strain sensors using origami-inspired 3D mesostructures”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh9799

图1D展示了折纸结构的电容式应变传感器制作工艺。首先制造一个平面多层结构，称为二维前驱体。二维前驱体包括底部Parylene层（厚度5μm）、光刻图案的金属层（铬/金，厚度25/200nm）和其上方的另一个Parylene层（厚度5μm）。对Parylene层进行图案和蚀刻形成了Parylene/金属/Parylene图案，定义了多面板电极和一对狭窄的（~100 μm）蛇形导线。这些蛇形导线作为电极和外部电子设备之间高度可伸缩的电互连结构。厚(35至40 μm厚），可光定义环氧树脂（SU-8 25）覆盖顶部Parylene层，在四个图案的矩形区域提供硬化。与未覆盖的区域相比，该SU-8层的覆盖范围使弯曲刚度增加了大约130到175倍，从而形成了面板折痕结构。连接两个电极的Parylene/金属/Parylene折痕中的狭缝设计进一步降低了折痕的弯曲刚度。通过暗板掩膜将Ti/SiO2双层（15 nm/50 nm厚）沉积在二维前驱体的背面，形成与单轴预拉伸的弹性体衬底（Ecoflex 00-31）的共价键合位点。释放预应变会施加压缩力，导致二维前驱体的未结合区域沿着狭缝发生屈曲。

图1.折纸结构的电容式应变传感器的设计、传感机制和制作工艺。(A) 非平行板结构和传感机制的示意图。(B) 应变传感器中三维非平行板电场分布仿真的俯视图和侧视图。(C) 在拉伸条件下，三维电极的展开示意图。(D) 传感器制造过程的示意图，包括将二维前体连接到预拉伸的弹性基底上，电极的压缩屈曲，以及将三维电极封装在充满甘油的隔间中。二维前体和基底的固定位置为被红色虚线包围的区域。(E) 扫描电镜图像显示三维非平行板电极。P/M/P代表Parylene/金属/Parylene三层结构。比例尺：200 μm和50 μm。(F) 应变传感器的光学图像和传感元件的特写视图。比例尺：1 mm。

这种传感器设计的关键参数包括在三维组装过程中施加的预应变、电极尺寸和蛇形布局。预应变决定了三维电极的折叠角度和结合位点之间的距离。有限元分析给出了二维前驱体组成材料的力学性能，可以准确地预测在组装过程中从二维到三维的几何转换以及由此产生的三维电极的结构。在由有限元分析预测的不同预应变水平的代表性设计中，所得到的三维电极的形状与实验结果一致（如图2A）。电极的尺寸影响三维电极的初始电容和折叠/展开过程中电容的变化。在预应变固定的情况下，电容随电极宽度W和长度L的增加而增加。有限元分析结果表明电极宽度呈线性趋势，但在折痕长度固定的情况下，电极长度超过一定值时斜率会变小（如图2B和2C）。蛇形线提供可伸缩的电互连，采用110μm，线宽，900μm，长180°的弧角设计。蛇形线的痕迹由于其在通道内的平面外屈曲和扭曲，可以容纳大的单轴拉伸而不断裂。将金属层放置在Parylene/金属/Parylene三层平面上，也最小化了弯曲引起的应变（如图2D）。

图2. 传感器的结构设计和形成以及拉伸测试。(A) 通过机械引导组装形成的受折纸启发的三维非平行板的有限元分析和实验图像，比例尺，500 μm。(B) 电极长度L和宽度W对传感器基线电容的影响(300%预应变）。(C) 不同电极长度和结合位点之间施加应变的传感器的相对电容变化（300%预应变，W = 1 mm）。(D) 有限元分析和拉伸条件下蛇形电互连的实验图像，其中显示了金层的应变。比例尺，1 mm.

图3. 对传感器的应变传感范围和相应的滞后性能进行了表征。(A) 传感器在0、50、100、150和200%的单轴拉伸下的光学图像。比例尺，1 cm（插图为300 μm）。(B) 对基本的三折痕电极设计（L = 0.5 mm）的键合位点距离的相对变化和相应的相对电容变化的模拟、分析和实验结果。C0为键接位置距离为S = 210 μm的电容。比例尺，500 μm。 (C)在50、100、150和200%施加应变下，单轴装卸时，代表性传感器的相对电容变化（L = 0.5 mm）。(D) 五折痕电极设计的二维前驱体和由不同预应变形成的三维电极的光学图像。比例尺，500 μm。 (E)在50、100、150和200%施加应变下，五折痕应变传感器（300%预应变）的相对电容变化。

图4. 传感器性能的表征，包括响应和恢复时间、应变速率、应变分辨率和传感器的可重复性。(A) 应变传感器在快速100%步长应变下的实时响应，显示了响应时间和恢复时间。(B) 本研究中的传感器与之前报道的应变传感器在传感器应变范围、滞后程度和响应时间上的比较。(C) 代表性传感器（L = 1 mm）在一系列升应变50%至200%下的电容响应，然后降应变到初始状态。(D) 传感器的电容响应（L = 1 mm）在应变速率为10、20、40和80%的情况下拉伸到150%的应变。条形图显示了不同应变速率下的滞后现象。(E) 代表性传感器（L = 0.5 mm）在应变增加条件下的相对电容变化。(F) 在100%应变下，一个代表性传感器（L = 0.5 mm）在700个装卸循环中的相对电容变化。

可拉伸应变传感器可以测量相对较大的变形，研究人员展示了将它们用于软机器人形状和变形的感知测量。分布式应变传感器可以无缝集成到软机器人表面，然后根据测量数据进行三维重建的应变分布测量，为软机器人在任意环境设置下的本体感觉提供了一个解决方案。然而，具有高滞后滞或低拉伸能力的应变传感器可能会限制本体感觉能力。软机器人本体感觉的另一个挑战是对软机器人的多模态变形的分解，如拉伸/压缩、弯曲、扭曲和剪切，这些变形可以同时存在。本文提出的电容传感器中的三维角度电极可以随着键接点方向的拉伸或压缩而展开或折叠，分别导致电容的减少或增加（图3B）。由于三维电极的不对称结构，传感器在不同角度的拉伸作用下，与传感器带的纵向方向表现出方向相关的电容变化。复杂的、不对称的变形模式可以导致与面S1和面S2不同的传感器响应。弯曲臂在外表面产生显著的拉伸应变和内表面的压缩应变都可以被传感器所捕获（如图5C）。

图5. 使用传感器感知软机械臂的变形。(A) 连接在硅胶板上的传感器以不同角度（0°、45°和90°）相对于70%应变的单轴拉伸的相对电容变化。插图显示了在70%应变下的3D电极的自上而下的光学图像。比例尺，250 μm。 (B )两组连接在软机械臂的两个表面的传感器的结构。比例尺，1 cm 。(C) 软机械臂在伸长、压缩、弯曲、扭曲和混合变形模式下的分布式传感器响应。比例尺，5 cm。

研究者提出了将三维可折叠的非平行板电极与弹性基底集成到电容应变传感中的设计概念和方法。衬底的可拉伸性和电极的可逆折叠/展开使得传感器具有了较大的应变传感范围和最小的滞后。这些微型传感器非常适合于粘贴在被测物体表面以精确测量目标物体的局部变形。大拉伸性、小滞后性、快速响应速度、定向应变响应和小传感器体积是准确测量大应变、复杂和多模态变形的关键，比如在动物（如章鱼臂和象鼻）、人类（如肺）和软机器人监测中这种传感器就可以发挥重要的作用。可扩展的制造过程和可预测的传感器性能进一步扩大了其实际使用的机会。（文：一言）

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