金屬應變片電阻傳感器測量性能分析

胡毅 林其斌 黨小宇 謝國雄

摘 要：? 針對金屬應變片電阻傳感器單橋、半橋和全橋三種傳感信號測量電路，分析驗證其在測量靈敏度以及非線性誤差等性能參數上的差異性，充分把握該種傳感器的性能特點，也為其他類傳感器的性能特點分析提供借鑒.

關鍵詞： 金屬應變片;電阻傳感器;電橋電路;傳感器性能

[中圖分類號]TH715?? [文獻標志碼]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

傳感器是一種能夠感受規定的被測量、并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，主要由敏感元件和轉換元件組成.敏感元件主要對物理、化學或生物等特性的被測非電量進行感知;轉換元件則主要將感知的被測非電量轉換為易于測量的電學量，以供后端的電路進行信號處理和輸出使用.金屬應變片電阻傳感器主要是利用電阻的應變效應進行工作[1]，即通過應變片中金屬薄片電阻值的改變量來測量所加外力或由外力所引起的微小形變.該種傳感器由于具有測量精度高、性能穩定可靠等優點，在許多稱重以及測微形變系統中得到廣泛的應用.由于在傳感器的測量過程中，應變片前端敏感元件輸出的信號非常微弱，這樣轉換元件中的測量電路就要完成對微弱信號的放大以及線性化等處理，從而導致信號轉換與測量過程變得比較復雜.

根據信號轉換與測量過程中所用應變片數目的不同，金屬應變片電阻傳感器的測量電路可分為單橋、半橋和全橋等類型.[2]這些不同類型的應變片測量電路會使得傳感器在測量靈敏度以及非線性誤差等性能參數上呈現較大差別.本文對傳感器的三種測量電路進行分析，以了解傳感器的性能特點，為相關的電路設計與應用奠定基礎.

1 金屬應變片工作特性

金屬應變片發生形變時，其電阻改變量與形變之間滿足關系[1]：

式（1）中，dR/R為應變片電阻的相對改變量，ε=dl/l為應變片的相對形變量，μ為應變片材料的泊松比，dρ/ρ為金屬電阻率的相對改變量，在金屬應變片中，該項值很小，通常可以忽略.由式（1）可得應變片的測量靈敏度為

2 傳感器測量電路性能分析

2.1 金屬應變片電阻傳感器測量電路

由于式（1）中dR/R值通常較小，因此實際測量中常采用電橋電路來提高信號的測量靈敏度.根據所用金屬應變片的數目，可將測量電橋分為單橋、半橋和全橋等類型[3]，其中半橋和全橋電路常采用差動連接方式——即電橋相鄰應變片所受的應力方向相反.根據電橋中所用電源的情況，可將電橋電路分為直流和交流兩種形式.測量電路分別如圖1-圖4所示.

金屬應變片電阻傳感器在實際測量過程中，從前端被測非電量輸入，到后端的電橋電路測量電壓輸出，其整體靈敏度應為前端應變片敏感元件靈敏度與后端測量電路靈敏度的乘積，如果對于單橋應變片傳感器，其整體測量靈敏度應為K=K sKus.

3 傳感器測量性能驗證

實驗在天煌公司的THQC-1A型實驗平臺及測量模塊上進行，實驗測量電路見圖5.利用實驗平臺測得的金屬應變片單橋、半橋和全橋電路稱重實驗數據見表1.由于金屬應變片在測量上具有重復性和遲滯性的特征[4]，即正行程與反行程，以及多次沿同一方向全量程測量時，測量特性曲線不完全重合，因此，表1中給的測量數據是5次正行程和5次反行程來回測量平均后的結果.每個來回測量后對金屬應變片測量電橋進行一次調零，以防止非線性誤差累積與擴大.[5]

由表1所給的測量數據，利用逐差法及 1 10 ∑ 10 i=1?? ΔU0i Δm i? ，分別計算得到三種電橋電路的測量靈敏度.利用matlab中的polyfit函數，擬合得到其線性化方程，得到最大非線性誤差max 1≤i≤11?? Uli-U0i? Ulmax 等指標[3]，結果見表2.實際操作中，由于各種誤差的存在及各應變片形變的不完全相等，表2中的最大非線性誤差不為零.三種

電橋實際測量特性與線性化后結果直觀圖形比較見圖6.

通過表2及圖6可知，金屬應變片傳感器單橋測量靈敏度約為半橋的1/1.86，為全橋的1/3.65.測量結果與理論分析結果基本一致，驗證了理論分析的正確性.

4 結論

金屬應變片電阻傳感器由于傳感器使用應變 片數量的不同，會導致傳感器后端的信號處理電路以及相應的測量性能呈現較大的不同.本文重點分析比較了傳感器三種典型測量電路在測量靈敏度及非線性誤差等參數上的差異性，并通過實驗進行驗證，對該種傳感器性能特點有一個更全面的把握，為后續相關的設計應用奠定基礎.

參考文獻

[1] ?賈伯年，俞樸，宋愛國.傳感器技術（第3版）[M].南京：東南大學出版社，2007，34-58.

[2] ?李楊，解彬彬，王軻，等.電阻應變式機械拉伸實驗箱的設計及應用[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2015（4）：28-30.

[3] ?解彬彬，王軻，湯池潛，等.半導體熱敏電阻非電量電測法實驗裝置的設計[J].牡丹江師范學院學報：自然科學版，2015（3）：25-26.

[4] ?畢思武.淺談電阻應變式稱重傳感器靈敏度及其補償與調整[J].衡器，2009，38（9）：31-34.

[5] ?陸貴友，王斌.電阻應變片式傳感器線性誤差的補償模型[C].吉林省科學技術學術年會論文集，2008：170-171.