關于電阻應變式傳感器靈敏度特性的分析

左亞楠

[摘 要] 半橋和全橋電路中的電壓靈敏度都比單臂高，并且沒有非線性誤差，為了得到較大的輸出，電壓或電流信號盡量采用雙臂電橋或全橋電橋，可以高效率地體現傳感器的功能。

[關 鍵 詞] 電阻傳感器；靈敏度；應變

[中圖分類號] TP212.9 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）17-0185-01

隨著科學技術的進步與發展，當代的自動化、智能化已經炙手可熱，其中傳感器技術也隨著時代的潮流興起，并且越來越受到人們的關注。傳感器在日常生活中是一個非常常見的電器元件，在生活中有著非常廣泛的應用。傳感器能夠按照一定的規律將抽象的測量轉化為輸出信號，并呈現出來。它主要是用電信號的形式將物理量、化學量呈現出來。傳感器是獲取直觀信息的重要手段，獲得信息后才能完成智能的檢測和智能人工控制。傳感器技術推動著當代科學技術的進步，是傳感器對原始數據的精準測量，才完成了信號的轉化和信號處理以及完善數據。當代的傳感器技術就相當于人類的感官，因為有它的存在，才能有大腦與外界的交流。電阻傳感器是對物體受力所產生的變化信號的一種傳感器，并且它具有測量精度很高、測量范圍廣泛、使用期限較長、結構簡單、性能穩定、便于觀察信號的特點，對當前力、加速度、重量等物理量的測量提供了便利。

一、電阻傳感器的原理

電阻式傳感器種類繁多，應用廣泛，它工作的基本原理就是將被測量的變化物理量轉化為電阻值的變化，再經過電路顯示記錄被測量物理量的變化。電阻應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產生應變的傳感器，最常用的傳感元件是電阻應變片。

（一）電阻應變片的基本結構及測量原理

電阻絲應變片是用直徑0.025mm的高阻率的電阻絲構成，利用將電阻絲排列成珊形來獲得高的電阻，再粘貼在絕緣的基底上，再加上利用在電阻絲兩段焊接引線來減少損失，并且達到保護覆蓋面的作用。應變式傳感器是將應變片粘貼在被測物體的表面或者粘在富有彈性體的表面上，通過粘貼劑的受力變化，將電阻值轉化為電信號，最終以電壓、電流的形式展現出來就可以測量應變。利用上述原理還可以做成各種應變傳感器，例如，測量位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量。

（二）電阻應變效果

當應變按照主軸的方向變化時，電阻的變化率與懸梁臂的主應變同向變動，在實驗的過程中，可以通過應變效果來對微效形變進行測量，再將其轉化為電阻來對懸臂梁的主應變進行測量。測量過程中要求測件的表面牢牢的與變片粘貼，當測件受力發生形變后，敏感柵也同樣發生形變，之后電阻值就會發生變化，電阻的變化直接影響電壓。電阻的變化主要為應變，因此在這一過程中對變片的電阻值進行測量就可以得出懸臂應變。測試電路一般對直流電橋進行應用，該方法能夠較好地將電阻的變化進行轉化，轉為電壓或電流，使用電流電橋電路作為測量電路能夠實現將電阻的變化轉化為電壓的變化。電阻應變式傳感器測量電路一般會把R1、R2、R3作為固定值，Rx為應變片組成單臂電橋電路。這一過程中將R3作為變應篇，R3和Rx的受力方向是相反的。在全橋電路中，就要將R1、R2固定電阻都換成應變片，連接過程中要對受力方向進行注意，不斷地改變受力方向以及手里位置，來構成全橋差動電路。

二、三次測量電路電壓靈敏度特征比較

根據三種不同的電路構成，再結合理論知識可以很容易地推導出它們之間的關系，半橋電路的電壓靈敏度會比單臂電橋的靈敏度高大概一倍左右，全橋電路的電壓靈敏度大約是單臂靈敏電路的四倍，單臂電橋輸出的電壓值并不是準確值，因為其中忽略了電阻的變化量，這就導致因為近似值而引起的非線性誤差。但是全橋和半橋電路是嚴格遵循線性關系的，這就直接證明了不存在非線性誤差。

一般通過實驗得到原始數據之后，通常會采用逐差法處理實驗的數據，這樣可以避免操作失誤和不標準對實驗結果產生較大的影響。在將計算結果帶入到公式中（電壓靈敏度=電壓變化量/相應梁端位移變化量）計算出電壓靈敏度。通過反復重復的實驗可以分別得出三種測量電路的不同電壓靈敏度結果，根據這些結果就可以得出在誤差允許的范圍內，半橋電路、全橋電路和單臂電路的電壓靈敏度比值是2 ∶ 4 ∶ 1。在單臂測量電橋中電壓的靈敏度存在一定的差異，板橋測量電橋中，因此均有變應片，且受力相反，因此不具有線性誤差，電壓的靈敏度在這一過程中也能夠得以提升。在全橋測量電橋中，由于相鄰的四片變應片都會受到拉力，因此會造成形變，會讓電路變得高壓輸出，但與此同時保證了靈敏程度，是單筆電橋的4倍，可以完成溫度補償功能。

三、結語

電阻應變式傳感器分為三種測量電壓，分別是單臂、半橋、全橋電路，三種測量電路的不同導致它們的電壓靈敏度特性存在很大的差異。不管是從理論還是從實驗角度出發，雖然在實驗過程中可能會有誤差，但是它們之間的關系都基本吻和。現在的實驗室儀器都很高，稍微的觸碰接線就可能導致數據有變動，這也讓實驗數據有偏差。在進行試驗時，首先需要調節電橋的平衡，來保證輸出電壓為零，但是還需要時刻注意輸出電壓的值，因為細小的舉動可能就會導致電壓值偏移，在電壓值不穩定時也會給實驗的測量數據造成誤差。不管是實驗還是理論都表明，半橋和全橋電路中的電壓靈敏度都比單臂高，并且沒有非線性誤差，在用電阻傳感器測試電壓靈敏度時要盡量選擇半橋或者全橋電路，可以高效率地完成傳感器的功能。

參考文獻：

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