摘 要： 本文介紹了電阻應(yīng)變傳感器工作原理，闡述了金屬箔式應(yīng)變片的特性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并著重就金屬箔式應(yīng)變片構(gòu)成的三種橋式電路的性能進(jìn)行比較、歸納。這有利于提高學(xué)生對(duì)于傳感器學(xué)習(xí)的興趣和效率，從而幫助學(xué)生更好更快地掌握該類(lèi)傳感器的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞： 電阻應(yīng)變傳感器 單臂電橋 雙臂電橋 全橋電路
　　
　　“工欲善其事，必先利其器”。用這句話(huà)來(lái)說(shuō)明傳感器技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的重要性是很恰當(dāng)?shù)摹ｋS著自動(dòng)化等新技術(shù)的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來(lái)越大，現(xiàn)代化儀器、設(shè)備幾乎都離不開(kāi)傳感器?？梢哉f(shuō)測(cè)試技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)水平的高低，是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。
　　傳感器的作用是感受被測(cè)對(duì)形象的微小變化，并轉(zhuǎn)換成為與之相適應(yīng)的電量，以便對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行傳輸、處理、控制、顯示和記錄。傳感器已經(jīng)成為電類(lèi)產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它擔(dān)負(fù)著感知和傳輸信號(hào)的重要任務(wù)。
　　而電阻傳感器的工作原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值，通過(guò)測(cè)量電阻值達(dá)到測(cè)量非電量的目的。這類(lèi)傳感器大致分為兩類(lèi)：電阻應(yīng)變式和電位計(jì)式。利用電阻傳感器可以測(cè)量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。本文主要探討電阻應(yīng)變傳感器三類(lèi)電橋的性能特點(diǎn)，并進(jìn)行分析比較和歸納。
　　1.實(shí)驗(yàn)原理
　　在介紹電阻應(yīng)變傳感器原理前，有必要簡(jiǎn)單介紹一下相關(guān)知識(shí)。
　　（1）應(yīng)力與應(yīng)變
　?、賾?yīng)力：指截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)在物體單位截面積上引起的內(nèi)力就稱(chēng)為應(yīng)力，記作σ，其值為：σ=F/S。
　?、趹?yīng)變：指物體受外力作用時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)形變。設(shè)物體原長(zhǎng)度為l，受力后產(chǎn)生Δl的形變，若Δl＞0，則表示物體長(zhǎng)度被拉伸；Δl＜0，則表示物體被壓縮。其應(yīng)變?chǔ)哦x為：ε=Δl/l。
　?、蹜?yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可用胡克定律來(lái)描述，指的是當(dāng)應(yīng)力未超過(guò)某一限值時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，表示為：σ=Eε，其中E為彈性模量。
　?。?）電阻應(yīng)變效應(yīng)
　　導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，其阻值也會(huì)隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。
　?。?）電阻應(yīng)變傳感器原理
　　電阻應(yīng)變傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)工作的，由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變片和轉(zhuǎn)換電橋組成。
　　我們先引入一個(gè)實(shí)驗(yàn)：有一段長(zhǎng)為20cm的電阻絲，測(cè)量其阻值為10Ω。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻絲阻值也略有增加，由原來(lái)的10Ω增加到10.05Ω。
　　從而，電阻應(yīng)變傳感器的工作原理就是當(dāng)試件受力變形后，應(yīng)變片上的電阻絲也隨之產(chǎn)生形變，從而使應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化，然后再通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成電壓的變化進(jìn)行輸出。
　　2.應(yīng)變片的種類(lèi)與特性
　　應(yīng)變片可以分為金屬應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。金屬應(yīng)變片又分為金屬絲式、金屬箔式和薄膜等。本文介紹的金屬箔式是用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，箔柵厚一般在0.003—0.01mm之間，箔材表面積大，散熱條件好。通常它可以允許通過(guò)較大的電流，靈敏度系數(shù)較高，也可根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。而半導(dǎo)體應(yīng)變片雖然靈敏度要比金屬應(yīng)變片高幾十倍，但一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間的非線(xiàn)性嚴(yán)重，必須考慮溫度補(bǔ)償。
　　3.金屬箔式三種應(yīng)變電橋的原理分析
　　金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量，將電阻的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓U。其轉(zhuǎn)換電路如圖1所示。
　　測(cè)量前應(yīng)先將電橋調(diào)平衡，在電橋輸出端b和d之間接一個(gè)檢流計(jì)調(diào)橋臂電阻使檢流計(jì)指示為0，輸出電壓U=0，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。電橋的平衡條件為RR-RR=0。
　?。?）單臂半橋
　　即：構(gòu)成電橋的4個(gè)電阻中，1個(gè)是應(yīng)變片，3個(gè)是固定電阻。為了便于分析，一般都取R=R=R=R=R，稱(chēng)之為等臂電橋。
　　U=-Ui=-Ui
　　 ==Ui≈Ui=KεUi
　?。?）雙臂半橋
　　即：構(gòu)成電橋的4個(gè)電阻中，2個(gè)是應(yīng)變片，2個(gè)是固定電阻。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR，ΔR=-ΔR。
　　U=-Ui=-Ui
　　 =Ui=KεUi
　　（3）全橋
　　即：構(gòu)成電橋的4個(gè)電阻均是應(yīng)變片。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR。
　　U=-Ui
　　 =-Ui
　　 =Ui=KεUiS
　　4.應(yīng)變電橋性能實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)對(duì)比分析
　　實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖2：
　　本文采用的應(yīng)變片是金屬箔式應(yīng)變片，給應(yīng)變片上放置砝碼（每個(gè)砝碼20g），應(yīng)變片受力產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)，從而獲取輸出電壓U的值。放置砝碼的數(shù)量不同，讀取的電壓值也就不同。下面是三個(gè)橋路實(shí)驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1，其分析如下。
　　計(jì)算各電橋?qū)嶒?yàn)的靈敏度：S=（ΔU為輸出電壓變化量，ΔW為重量變化量），并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。
　　單臂半橋：S==0.245mV/g
　　雙臂半橋：S==0.45mV/g
　　全橋：S==0.95mV/g
　　從而得到結(jié)論：全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低，且S≈2S≈4S。
　　5.電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用
　　電阻應(yīng)變傳感器可用于稱(chēng)重測(cè)力、測(cè)扭矩、加速度、壓力等。它有以下特點(diǎn)：①應(yīng)用和測(cè)量范圍廣。②分辨力和靈敏度高。③結(jié)構(gòu)輕、小，對(duì)試件影響?。粚?duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，易于實(shí)施對(duì)環(huán)境干擾的隔離或補(bǔ)償，從而可以在高溫、高壓、高速、強(qiáng)磁場(chǎng)、核輻射等特殊環(huán)境中使用；頻率響應(yīng)好。④商品化，選用和使用都方便，也便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。
　　因此，目前傳感器的種類(lèi)雖已繁多，但高精度的傳感器仍以應(yīng)變式應(yīng)用最普遍。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部門(mén)的自動(dòng)測(cè)量與控制或科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。近年來(lái)在生物、醫(yī)學(xué)、體育和商業(yè)等部門(mén)亦已得到開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并且更是有向小型化、集成化、智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。
　　
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