金属箔式应变片三种桥式转换电路的性能研究

摘 要： 本文介绍了电阻应变传感器工作原理，阐述了金属箔式应变片的特性、实验过程和实验数据分析，并着重就金属箔式应变片构成的三种桥式电路的性能进行比较、归纳。这有利于提高学生对于传感器学习的兴趣和效率，从而帮助学生更好更快地掌握该类传感器的应用。

关键词： 电阻应变传感器 单臂电桥 双臂电桥 全桥电路

“工欲善其事，必先利其器”。用这句话来说明传感器技术在现代科学技术中的重要性是很恰当的。随着自动化等新技术的发展，传感器的使用数量越来越大，现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。

传感器的作用是感受被测对形象的微小变化，并转换成为与之相适应的电量，以便对被测信号进行传输、处理、控制、显示和记录。传感器已经成为电类产品不可缺少的组成部分，它担负着感知和传输信号的重要任务。

而电阻传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。利用电阻传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。本文主要探讨电阻应变传感器三类电桥的性能特点，并进行分析比较和归纳。

1.实验原理

在介绍电阻应变传感器原理前，有必要简单介绍一下相关知识。

（1）应力与应变

①应力：指截面积为S的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，F在物体单位截面积上引起的内力就称为应力，记作σ，其值为：σ=F/S。

②应变：指物体受外力作用时产生的相对形变。设物体原长度为l，受力后产生Δl的形变，若Δl＞0，则表示物体长度被拉伸；Δl＜0，则表示物体被压缩。其应变ε定义为：ε=Δl/l。

③应力与应变的关系：应力与应变的关系可用胡克定律来描述，指的是当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比，表示为：σ=Eε，其中E为弹性模量。

（2）电阻应变效应

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械形变，其阻值也会随之发生变化，这种现象就称为应变效应。

（3）电阻应变传感器原理

电阻应变传感器是利用应变效应工作的，由弹性敏感元件、电阻应变片和转换电桥组成。

我们先引入一个实验：有一段长为20cm的电阻丝，测量其阻值为10Ω。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻丝阻值也略有增加，由原来的10Ω增加到10.05Ω。

从而，电阻应变传感器的工作原理就是当试件受力变形后，应变片上的电阻丝也随之产生形变，从而使应变片的阻值发生变化，然后再通过测量转换电路最终转换成电压的变化进行输出。

2.应变片的种类与特性

应变片可以分为金属应变片与半导体应变片两大类。金属应变片又分为金属丝式、金属箔式和薄膜等。本文介绍的金属箔式是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.003―0.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。通常它可以允许通过较大的电流，灵敏度系数较高，也可根据需要制成任意形状，适合批量生产。而半导体应变片虽然灵敏度要比金属应变片高几十倍，但一致性差、温漂大、电阻与应变间的非线性严重，必须考虑温度补偿。

3.金属箔式三种应变电桥的原理分析

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其阻值的变化将十分困难，且误差很大，所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将电阻的变化转换成输出电压U。其转换电路如图1所示。

测量前应先将电桥调平衡，在电桥输出端b和d之间接一个检流计调桥臂电阻使检流计指示为0，输出电压U=0，电桥达到平衡状态。电桥的平衡条件为RR-RR=0。

（1）单臂半桥

即：构成电桥的4个电阻中，1个是应变片，3个是固定电阻。为了便于分析，一般都取R=R=R=R=R，称之为等臂电桥。

U=-Ui=-Ui

==Ui≈Ui=KεUi

（2）双臂半桥

即：构成电桥的4个电阻中，2个是应变片，2个是固定电阻。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR，ΔR=-ΔR。

U=-Ui=-Ui

=Ui=KεUi

（3）全桥

即：构成电桥的4个电阻均是应变片。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR。

U=-Ui

=-Ui

=Ui=KεUiS

4.应变电桥性能实验及数据对比分析

实验原理框图如图2：

本文采用的应变片是金属箔式应变片，给应变片上放置砝码（每个砝码20g），应变片受力产生应变效应，从而获取输出电压U的值。放置砝码的数量不同，读取的电压值也就不同。下面是三个桥路实验获得的实验数据如表1，其分析如下。

计算各电桥实验的灵敏度：S=（ΔU为输出电压变化量，ΔW为重量变化量），并进行简要分析。

单臂半桥：S==0.245mV/g

双臂半桥：S==0.45mV/g

全桥：S==0.95mV/g

从而得到结论：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，且S≈2S≈4S。

5.电阻应变传感器的应用

电阻应变传感器可用于称重测力、测扭矩、加速度、压力等。它有以下特点：①应用和测量范围广。②分辨力和灵敏度高。③结构轻、小，对试件影响小；对复杂环境的适应性强，易于实施对环境干扰的隔离或补偿，从而可以在高温、高压、高速、强磁场、核辐射等特殊环境中使用；频率响应好。④商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。

因此，目前传感器的种类虽已繁多，但高精度的传感器仍以应变式应用最普遍。它广泛应用于机械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部门的自动测量与控制或科学实验中。近年来在生物、医学、体育和商业等部门亦已得到开发应用，并且更是有向小型化、集成化、智能化、系列化、标准化方向发展的趋势。

参考文献：

［1］梁森，黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社，2007.

［2］苏铁力，关振海，孙立红等.传感器及其接口技术［M］.中国石化出版社，2000.

［3］吴旗.传感器及应用.高等教育出版社，2002.

［4］鲍敏杭，沈绍群.微机械力敏传感器及其发展动向［J］.电子科技导报（传感器专辑），1996，10:8-12.

本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文