金属应变片电阻传感器测量性能分析

胡毅 林其斌 党小宇 谢国雄

摘 要：  针对金属应变片电阻传感器单桥、半桥和全桥三种传感信号测量电路，分析验证其在测量灵敏度以及非线性误差等性能参数上的差异性，充分把握该种传感器的性能特点，也为其他类传感器的性能特点分析提供借鉴.

关键词： 金属应变片;电阻传感器;电桥电路;传感器性能

[中图分类号]TH715   [文献标志码]A

Measuring Performance Analysis on Metal Strain Plate Resistive Sensor

HU Yi1， LIN Qi-bin1， DANG Xiao-yu2， XIE Guo-xiong1

（1. School of Electronics & Electrical Engineering， Chuzhou University， Chuzhou 239000， China;

2. College of Electronics & Information Engineering， Nanjing University of Astronautics and Aeronautics， Nanjing 211106， China）

Abstract： Aimed at three measuring circuits of mental strain plate resistive sensor， i.e.， single bridge， half bridge and full bridge， their difference on sensitivity and non-linear error and so on is analyzed， and also the experimental results are validated. Thus it can help us understand better the performance of the sensor and lay foundations for the related applications; meanwhile， it also offers a referring method for the analysis of other sensors.

Key words： metal strain plate; resistance sensor; bridge circuit; sensor performance

传感器是一种能够感受规定的被测量、并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，主要由敏感元件和转换元件组成.敏感元件主要对物理、化学或生物等特性的被测非电量进行感知;转换元件则主要将感知的被测非电量转换为易于测量的电学量，以供后端的电路进行信号处理和输出使用.金属应变片电阻传感器主要是利用电阻的应变效应进行工作[1]，即通过应变片中金属薄片电阻值的改变量来测量所加外力或由外力所引起的微小形变.该种传感器由于具有测量精度高、性能稳定可靠等优点，在许多称重以及测微形变系统中得到广泛的应用.由于在传感器的测量过程中，应变片前端敏感元件输出的信号非常微弱，这样转换元件中的测量电路就要完成对微弱信号的放大以及线性化等处理，从而导致信号转换与测量过程变得比较复杂.

根据信号转换与测量过程中所用应变片数目的不同，金属应变片电阻传感器的测量电路可分为单桥、半桥和全桥等类型.[2]这些不同类型的应变片测量电路会使得传感器在测量灵敏度以及非线性误差等性能参数上呈现较大差别.本文对传感器的三种测量电路进行分析，以了解传感器的性能特点，为相关的电路设计与应用奠定基础.

1 金属应变片工作特性

金属应变片发生形变时，其电阻改变量与形变之间满足关系[1]：

式（1）中，dR/R为应变片电阻的相对改变量，ε=dl/l为应变片的相对形变量，μ为应变片材料的泊松比，dρ/ρ为金属电阻率的相对改变量，在金属应变片中，该项值很小，通常可以忽略.由式（1）可得应变片的测量灵敏度为

2 传感器测量电路性能分析

2.1 金属应变片电阻传感器测量电路

由于式（1）中dR/R值通常较小，因此实际测量中常采用电桥电路来提高信号的测量灵敏度.根据所用金属应变片的数目，可将测量电桥分为单桥、半桥和全桥等类型[3]，其中半桥和全桥电路常采用差动连接方式——即电桥相邻应变片所受的应力方向相反.根据电桥中所用电源的情况，可将电桥电路分为直流和交流两种形式.测量电路分别如图1-图4所示.

金属应变片电阻传感器在实际测量过程中，从前端被测非电量输入，到后端的电桥电路测量电压输出，其整体灵敏度应为前端应变片敏感元件灵敏度与后端测量电路灵敏度的乘积，如果对于单桥应变片传感器，其整体测量灵敏度应为K=K sKus.

3 传感器测量性能验证

实验在天煌公司的THQC-1A型实验平台及测量模块上进行，实验测量电路见图5.利用实验平台测得的金属应变片单桥、半桥和全桥电路称重实验数据见表1.由于金属应变片在测量上具有重复性和迟滞性的特征[4]，即正行程与反行程，以及多次沿同一方向全量程测量时，测量特性曲线不完全重合，因此，表1中给的测量数据是5次正行程和5次反行程来回测量平均后的结果.每个来回测量后对金属应变片测量电桥进行一次调零，以防止非线性误差累积与扩大.[5]

由表1所给的测量数据，利用逐差法及 1 10 ∑ 10 i=1   ΔU0i Δm i  ，分別计算得到三种电桥电路的测量灵敏度.利用matlab中的polyfit函数，拟合得到其线性化方程，得到最大非线性误差max 1≤i≤11   Uli-U0i  Ulmax 等指标[3]，结果见表2.实际操作中，由于各种误差的存在及各应变片形变的不完全相等，表2中的最大非线性误差不为零.三种

电桥实际测量特性与线性化后结果直观图形比较见图6.

通过表2及图6可知，金属应变片传感器单桥测量灵敏度约为半桥的1/1.86，为全桥的1/3.65.测量结果与理论分析结果基本一致，验证了理论分析的正确性.

4 结论

金属应变片电阻传感器由于传感器使用应变 片数量的不同，会导致传感器后端的信号处理电路以及相应的测量性能呈现较大的不同.本文重点分析比较了传感器三种典型测量电路在测量灵敏度及非线性误差等参数上的差异性，并通过实验进行验证，对该种传感器性能特点有一个更全面的把握，为后续相关的设计应用奠定基础.

参考文献

[1]  贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术（第3版）[M].南京：东南大学出版社，2007，34-58.

[2]  李杨，解彬彬，王轲，等.电阻应变式机械拉伸实验箱的设计及应用[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2015（4）：28-30.

[3]  解彬彬，王轲，汤池潜，等.半导体热敏电阻非电量电测法实验装置的设计[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2015（3）：25-26.

[4]  毕思武.浅谈电阻应变式称重传感器灵敏度及其补偿与调整[J].衡器，2009，38（9）：31-34.

[5]  陆贵友，王斌.电阻应变片式传感器线性误差的补偿模型[C].吉林省科学技术学术年会论文集，2008：170-171.