关于电阻应变式传感器灵敏度特性的分析

左亚楠

[摘 要] 半桥和全桥电路中的电压灵敏度都比单臂高，并且没有非线性误差，为了得到较大的输出，电压或电流信号尽量采用双臂电桥或全桥电桥，可以高效率地体现传感器的功能。

[关 键 词] 电阻传感器；灵敏度；应变

[中图分类号] TP212.9 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）17-0185-01

随着科学技术的进步与发展，当代的自动化、智能化已经炙手可热，其中传感器技术也随着时代的潮流兴起，并且越来越受到人们的关注。传感器在日常生活中是一个非常常见的电器元件，在生活中有着非常广泛的应用。传感器能够按照一定的规律将抽象的测量转化为输出信号，并呈现出来。它主要是用电信号的形式将物理量、化学量呈现出来。传感器是获取直观信息的重要手段，获得信息后才能完成智能的检测和智能人工控制。传感器技术推动着当代科学技术的进步，是传感器对原始数据的精准测量，才完成了信号的转化和信号处理以及完善数据。当代的传感器技术就相当于人类的感官，因为有它的存在，才能有大脑与外界的交流。電阻传感器是对物体受力所产生的变化信号的一种传感器，并且它具有测量精度很高、测量范围广泛、使用期限较长、结构简单、性能稳定、便于观察信号的特点，对当前力、加速度、重量等物理量的测量提供了便利。

一、电阻传感器的原理

电阻式传感器种类繁多，应用广泛，它工作的基本原理就是将被测量的变化物理量转化为电阻值的变化，再经过电路显示记录被测量物理量的变化。电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的传感器，最常用的传感元件是电阻应变片。

（一）电阻应变片的基本结构及测量原理

电阻丝应变片是用直径0.025mm的高阻率的电阻丝构成，利用将电阻丝排列成珊形来获得高的电阻，再粘贴在绝缘的基底上，再加上利用在电阻丝两段焊接引线来减少损失，并且达到保护覆盖面的作用。应变式传感器是将应变片粘贴在被测物体的表面或者粘在富有弹性体的表面上，通过粘贴剂的受力变化，将电阻值转化为电信号，最终以电压、电流的形式展现出来就可以测量应变。利用上述原理还可以做成各种应变传感器，例如，测量位移、力、力矩、加速度、压力等物理量。

（二）电阻应变效果

当应变按照主轴的方向变化时，电阻的变化率与悬梁臂的主应变同向变动，在实验的过程中，可以通过应变效果来对微效形变进行测量，再将其转化为电阻来对悬臂梁的主应变进行测量。测量过程中要求测件的表面牢牢的与变片粘贴，当测件受力发生形变后，敏感栅也同样发生形变，之后电阻值就会发生变化，电阻的变化直接影响电压。电阻的变化主要为应变，因此在这一过程中对变片的电阻值进行测量就可以得出悬臂应变。测试电路一般对直流电桥进行应用，该方法能够较好地将电阻的变化进行转化，转为电压或电流，使用电流电桥电路作为测量电路能够实现将电阻的变化转化为电压的变化。电阻应变式传感器测量电路一般会把R1、R2、R3作为固定值，Rx为应变片组成单臂电桥电路。这一过程中将R3作为变应篇，R3和Rx的受力方向是相反的。在全桥电路中，就要将R1、R2固定电阻都换成应变片，连接过程中要对受力方向进行注意，不断地改变受力方向以及手里位置，来构成全桥差动电路。

二、三次测量电路电压灵敏度特征比较

根据三种不同的电路构成，再结合理论知识可以很容易地推导出它们之间的关系，半桥电路的电压灵敏度会比单臂电桥的灵敏度高大概一倍左右，全桥电路的电压灵敏度大约是单臂灵敏电路的四倍，单臂电桥输出的电压值并不是准确值，因为其中忽略了电阻的变化量，这就导致因为近似值而引起的非线性误差。但是全桥和半桥电路是严格遵循线性关系的，这就直接证明了不存在非线性误差。

一般通过实验得到原始数据之后，通常会采用逐差法处理实验的数据，这样可以避免操作失误和不标准对实验结果产生较大的影响。在将计算结果带入到公式中（电压灵敏度=电压变化量/相应梁端位移变化量）计算出电压灵敏度。通过反复重复的实验可以分别得出三种测量电路的不同电压灵敏度结果，根据这些结果就可以得出在误差允许的范围内，半桥电路、全桥电路和单臂电路的电压灵敏度比值是2 ∶ 4 ∶ 1。在单臂测量电桥中电压的灵敏度存在一定的差异，板桥测量电桥中，因此均有变应片，且受力相反，因此不具有线性误差，电压的灵敏度在这一过程中也能够得以提升。在全桥测量电桥中，由于相邻的四片变应片都会受到拉力，因此会造成形变，会让电路变得高压输出，但与此同时保证了灵敏程度，是单笔电桥的4倍，可以完成温度补偿功能。

三、结语

电阻应变式传感器分为三种测量电压，分别是单臂、半桥、全桥电路，三种测量电路的不同导致它们的电压灵敏度特性存在很大的差异。不管是从理论还是从实验角度出发，虽然在实验过程中可能会有误差，但是它们之间的关系都基本吻和。现在的实验室仪器都很高，稍微的触碰接线就可能导致数据有变动，这也让实验数据有偏差。在进行试验时，首先需要调节电桥的平衡，来保证输出电压为零，但是还需要时刻注意输出电压的值，因为细小的举动可能就会导致电压值偏移，在电压值不稳定时也会给实验的测量数据造成误差。不管是实验还是理论都表明，半桥和全桥电路中的电压灵敏度都比单臂高，并且没有非线性误差，在用电阻传感器测试电压灵敏度时要尽量选择半桥或者全桥电路，可以高效率地完成传感器的功能。

参考文献：

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