一种电阻应变式传感器信号调节电路的设计

姜静，刘迪，鹿珂珂

（海军航空工程学院 控制工程系，山东烟台 264001）

0 引言

电阻应变式传感器是应用电阻应变片的应变效应来测量被测量的大小，电阻应变片可以把应变的变化转换为电阻的变化，为了显示与记录应变的大小， 还要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化[1]。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感组件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感组件和电阻应变片构成。弹性敏感组件在感受被测时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感组件表面的电阻应变片将随着弹性敏感组件产生应变，因此，电阻应变片的电阻也产生相应的变化[2]。这样，通过测量电路应变片电阻值的变化，就可以确定被测量的大小了。

1 电阻应变片的工作原理与测试原理

1.1 电阻应变片的工作原理

电阻应变片的作用就是传感器中的转换组件，是电阻应变式传感器的核心组件。电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应[3]。因为金属丝的电阻(R=ρL/F，R——金属丝的电阻，ρ——金属丝的电阻率，L——金属丝的长度，F—金属丝的截面积)与材料的(电阻率 ρ)及其几何尺寸(长度 L和截面积 F)有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dF，电阻率则因金属晶格发生形变等因素的影响也将改变dρ。这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。

以R除左式，PL/ F除右式得：

金属丝受拉时，沿轴伸长，而沿径向缩短，二者之间的关系为：

式中：μ为金属丝的泊松系数

将(2)，(3)带入(1)得：

令

Ks为金属丝的灵敏系数，表明金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，Ks越大，单位变形引起的电阻相对变化的越大，故越灵敏。

1.2 电阻应变片的测试原理

用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小的机械变形，粘贴在表面的应变片也随之发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值的变化ΔR，则根据(5)，可以得到被测对象的应变值εx，而根据应力-应变的关系σ=Eε(σ—试件的应力，ε—试件的应变)可以得到应力值σ[4]。通过弹性敏感组件转换作用，将力、位移、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成电阻应变式传感器。

2 电阻应变片的测量

电桥是用来测量电阻应变式传感器的可变电阻、电容或电感的电路，它是将这些参量的变化转化为电压或电流信号的电路。电桥按其激励电源类型可分为直流电桥和交流电桥两种。

2.1 直流电桥

直流电桥的工作原理是当一个桥臂(或两个、三个、四个桥臂)有一个微小的变化电阻式传感器构成时，被测物理量的变化转化为电阻传感器的微电阻变化ΔR，此电阻的变化将引起直流电桥的输出电压的变化ΔU[5]。这一ΔU就可以估价ΔR也就是估价被测物理量的变化。ΔU与ΔR二者变化量的函数关系可以根据电路分析的理论求出。直流电桥的特性公式是：

其平衡条件是R1R3= R2R4，输出电压为0，电桥处于平衡状态。四个桥臂中任意一个、两个、三个以至四个有变化，U不为 0，电桥不平衡。此时输出电压U就反映了桥臂电阻变化的情况。电路如图1所示。

图1 直流电桥电路图

2.2 交流电桥

与直流电桥有两个不同点，一是激励电源是高频交流电压源，或电流源 (电源频率一般是被电测信号频率的十倍以上)；二是交流电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以包含电容，电感的交流阻抗。交流电桥的平衡条件是Z1Z4= Z2Z3，Z是电桥桥臂的复数阻抗。

3 电阻应变式传感器实验设计思想

1）直流电桥和交流电桥输出电压伴随着一些差模和共模信号，我们需要差模信号，抑制共模信号，这是选择差动放大器的原因。因为差动放大器能够对共模信号起抑制作用。由于电路参数的对称性起了相互补偿的作用，抑制了温度漂移对差模信号的放大作用[6]。

2）直流电桥和交流电桥输出电压信号都比较微弱，必须采用普通放大器进行放大，得到足够的功率推动指示仪表。在交流电桥中桥路的输出的波形为调制波，不能直接显示其应变值，必须通过移相检波和滤波电路才能得到变化的应变信号。

3）必须采用相敏检波器，而不能采用普通的检波器。因为经过放大以后的波形仍为调制波，必须用检波器将它还原为被检测应变信号的波形。一般检波器只有单向的电压（或电流）输出，不能区别拉，压应变信号，而相敏检波器有双向输出，可以反映应变的拉和压。

4 电阻应变式传感器全桥性能试验

全桥测量电路中，将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边，当应变片初始值：R1=R2=R3=R4，其变化值ΔR1= ΔR2=ΔR3=ΔR4时，其桥路输出电压 U03=Kε。全桥中 R1、R2、R3和R4是传感器应变片。阻值均为0.35 kΩ。依次增加R1、R3的阻值，减少R2、R4的阻值，增加和减少相同的阻值。试验数据如表1所示：

表1 全电桥性能试验电路数据表

全电桥性能试验电路图如图2所示。

图2 全电桥性能试验电路图

根据全电桥性能试验电路的数据，可以得到输出电压与电阻值变化的灵敏度图，如图 3(a)所示。图3（b）是以前所得到的半电桥输出电压灵敏度图。

根据图3(a)与（b）的比较，可以看出全电桥输出电压灵敏度比半电桥提高了一倍，非线性误差也得到了改善。

图3 （a）全电桥及（b）半电桥输出电压灵敏度图

5 结论

本文应用 EWB仿真软件对电阻应变式传感器信号调节电路进行设计，电阻应变式传感器是由弹性敏感元件与电阻应变片构成，是利用应变片的电阻值的变化来确定被测量的大小。基于这个原理，设计了电阻应变式传感器的全电桥测量电路，并进行应用仿真。通过比较可以看出，全电桥输出电压灵敏度比半电桥提高了一倍，非线性误差也得到了改善。

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[1]沈关林, 马良程主编. 电阻应变计及其应用. 北京:清华大学出版社, 1983: 30-42.

[2]刘迎春, 叶湘滨编著. 传感器原理、设计与应用. 北京: 国防科技大学出版社, 1997: 35-52.

[3]吴道悌编著.非电量电测技术. 西安: 西安交通大学出版社, 2001: 25-45.

[4]柳昌庆编著. 实验方法与测试技术. 煤炭工业出版社, 1985: 75-80.

[5]高桥清, 小长井（日）编著. 传感器电子学. 宇航出版社, 1987: 56-70.

[6]清华大学电子学教研室组编. 模拟电子技术基础.高等教育出版社, 2000: 47-60.