一種電阻應變式傳感器信號調節電路的設計

姜靜，劉迪，鹿珂珂

（海軍航空工程學院 控制工程系，山東煙臺 264001）

0 引言

電阻應變式傳感器是應用電阻應變片的應變效應來測量被測量的大小，電阻應變片可以把應變的變化轉換為電阻的變化，為了顯示與記錄應變的大小， 還要把電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化[1]。將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感組件上，可構成測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數的電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器由彈性敏感組件和電阻應變片構成。彈性敏感組件在感受被測時將產生變形，其表面產生應變。而粘貼在彈性敏感組件表面的電阻應變片將隨著彈性敏感組件產生應變，因此，電阻應變片的電阻也產生相應的變化[2]。這樣，通過測量電路應變片電阻值的變化，就可以確定被測量的大小了。

1 電阻應變片的工作原理與測試原理

1.1 電阻應變片的工作原理

電阻應變片的作用就是傳感器中的轉換組件，是電阻應變式傳感器的核心組件。電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應。金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形(拉伸或壓縮)的大小而發生相應的變化的現象稱為金屬的電阻應變效應[3]。因為金屬絲的電阻(R=ρL/F，R——金屬絲的電阻，ρ——金屬絲的電阻率，L——金屬絲的長度，F—金屬絲的截面積)與材料的(電阻率 ρ)及其幾何尺寸(長度 L和截面積 F)有關，而金屬絲在承受機械變形的過程中，這三者都要發生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。當金屬絲受拉而伸長dL時，其橫截面積將相應減小dF，電阻率則因金屬晶格發生形變等因素的影響也將改變dρ。這些量的變化，必然引起金屬絲電阻改變dR。

以R除左式，PL/ F除右式得：

金屬絲受拉時，沿軸伸長，而沿徑向縮短，二者之間的關系為：

式中：μ為金屬絲的泊松系數

將(2)，(3)帶入(1)得：

令

Ks為金屬絲的靈敏系數，表明金屬絲產生單位變形時，電阻相對變化的大小。顯然，Ks越大，單位變形引起的電阻相對變化的越大，故越靈敏。

1.2 電阻應變片的測試原理

用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于對象上。在外力作用下，被測對象表面產生微小的機械變形，粘貼在表面的應變片也隨之發生相同的變化，因此應變片的電阻也發生相應的變化。如果應用儀器測出應變片的電阻值的變化ΔR，則根據(5)，可以得到被測對象的應變值εx，而根據應力-應變的關系σ=Eε(σ—試件的應力，ε—試件的應變)可以得到應力值σ[4]。通過彈性敏感組件轉換作用，將力、位移、力矩、加速度、壓力等參數轉換為應變，因此可以將應變片由測量應變擴展到測量上述參數，從而形成電阻應變式傳感器。

2 電阻應變片的測量

電橋是用來測量電阻應變式傳感器的可變電阻、電容或電感的電路，它是將這些參量的變化轉化為電壓或電流信號的電路。電橋按其激勵電源類型可分為直流電橋和交流電橋兩種。

2.1 直流電橋

直流電橋的工作原理是當一個橋臂(或兩個、三個、四個橋臂)有一個微小的變化電阻式傳感器構成時，被測物理量的變化轉化為電阻傳感器的微電阻變化ΔR，此電阻的變化將引起直流電橋的輸出電壓的變化ΔU[5]。這一ΔU就可以估價ΔR也就是估價被測物理量的變化。ΔU與ΔR二者變化量的函數關系可以根據電路分析的理論求出。直流電橋的特性公式是：

其平衡條件是R1R3= R2R4，輸出電壓為0，電橋處于平衡狀態。四個橋臂中任意一個、兩個、三個以至四個有變化，U不為 0，電橋不平衡。此時輸出電壓U就反映了橋臂電阻變化的情況。電路如圖1所示。

圖1 直流電橋電路圖

2.2 交流電橋

與直流電橋有兩個不同點，一是激勵電源是高頻交流電壓源，或電流源 (電源頻率一般是被電測信號頻率的十倍以上)；二是交流電橋的橋臂可以是純電阻，也可以包含電容，電感的交流阻抗。交流電橋的平衡條件是Z1Z4= Z2Z3，Z是電橋橋臂的復數阻抗。

3 電阻應變式傳感器實驗設計思想

1）直流電橋和交流電橋輸出電壓伴隨著一些差模和共模信號，我們需要差模信號，抑制共模信號，這是選擇差動放大器的原因。因為差動放大器能夠對共模信號起抑制作用。由于電路參數的對稱性起了相互補償的作用，抑制了溫度漂移對差模信號的放大作用[6]。

2）直流電橋和交流電橋輸出電壓信號都比較微弱，必須采用普通放大器進行放大，得到足夠的功率推動指示儀表。在交流電橋中橋路的輸出的波形為調制波，不能直接顯示其應變值，必須通過移相檢波和濾波電路才能得到變化的應變信號。

3）必須采用相敏檢波器，而不能采用普通的檢波器。因為經過放大以后的波形仍為調制波，必須用檢波器將它還原為被檢測應變信號的波形。一般檢波器只有單向的電壓（或電流）輸出，不能區別拉，壓應變信號，而相敏檢波器有雙向輸出，可以反映應變的拉和壓。

4 電阻應變式傳感器全橋性能試驗

全橋測量電路中，將受力性質相同的兩應變片接入電橋對邊，不同的接入鄰邊，當應變片初始值：R1=R2=R3=R4，其變化值ΔR1= ΔR2=ΔR3=ΔR4時，其橋路輸出電壓 U03=Kε。全橋中 R1、R2、R3和R4是傳感器應變片。阻值均為0.35 kΩ。依次增加R1、R3的阻值，減少R2、R4的阻值，增加和減少相同的阻值。試驗數據如表1所示：

表1 全電橋性能試驗電路數據表

全電橋性能試驗電路圖如圖2所示。

圖2 全電橋性能試驗電路圖

根據全電橋性能試驗電路的數據，可以得到輸出電壓與電阻值變化的靈敏度圖，如圖 3(a)所示。圖3（b）是以前所得到的半電橋輸出電壓靈敏度圖。

根據圖3(a)與（b）的比較，可以看出全電橋輸出電壓靈敏度比半電橋提高了一倍，非線性誤差也得到了改善。

圖3 （a）全電橋及（b）半電橋輸出電壓靈敏度圖

5 結論

本文應用 EWB仿真軟件對電阻應變式傳感器信號調節電路進行設計，電阻應變式傳感器是由彈性敏感元件與電阻應變片構成，是利用應變片的電阻值的變化來確定被測量的大小。基于這個原理，設計了電阻應變式傳感器的全電橋測量電路，并進行應用仿真。通過比較可以看出，全電橋輸出電壓靈敏度比半電橋提高了一倍，非線性誤差也得到了改善。

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[1]沈關林, 馬良程主編. 電阻應變計及其應用. 北京:清華大學出版社, 1983: 30-42.

[2]劉迎春, 葉湘濱編著. 傳感器原理、設計與應用. 北京: 國防科技大學出版社, 1997: 35-52.

[3]吳道悌編著.非電量電測技術. 西安: 西安交通大學出版社, 2001: 25-45.

[4]柳昌慶編著. 實驗方法與測試技術. 煤炭工業出版社, 1985: 75-80.

[5]高橋清, 小長井（日）編著. 傳感器電子學. 宇航出版社, 1987: 56-70.

[6]清華大學電子學教研室組編. 模擬電子技術基礎.高等教育出版社, 2000: 47-60.