电阻应变式传感器测量性能分析

2022-03-26洛桑郎加

山东交通科技 2022年1期

邵华，洛桑郎加

（1.山东省交通科学研究院，山东济南 250031；2.西藏珠峰交通工程检测有限公司，西藏日喀则 857000）

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

表2 金属箔式应变片电阻传感器反行程测量数据

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。