電阻應變式傳感器測量性能分析

邵 華，洛桑郎加

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031；2.西藏珠峰交通工程檢測有限公司，西藏 日喀則 857000）

引言

電阻應變式傳感器作為新型測量設備，能夠對不同的技術參數進行有效測量，并且可以在一定程度上確保測量結果的精確性。為了充分發揮電子應變式傳感器的測量優勢，需要通過試驗分析掌握電阻應變式傳感器的測量性能參數，并根據試驗結果對傳感器應用時的具體參數進行調整，提高傳感器測量靈敏度和測量結果的可靠性。

1 電阻應變式傳感器應用現狀

隨著現代測量技術、電子技術以及計算機技術的不斷發展，傳感器技術的應用越來越廣泛。傳感器能夠按照一定規律轉換成可用輸出信號的裝置，可以在不同的測量工作中進行應用。傳感器技術能夠將各種物理量、化學量和其他非電學量轉換為電學信號輸出，方便工作人員獲取準確的測量結果。傳感器作為獲取信息數據的重要手段，也是當前自動化控制技術和自動檢測技術在發展過程中不能缺少的重要環節?，F代科學技術的發展對傳感器技術的依賴度比較強，如果沒有利用傳感器對原始數據進行精確測量，不管是信號轉換還是信息處理都可能會存在一定問題[1]。傳感技術、通信技術和計算機技術是構成信息技術系統的關鍵環節。電阻應變式傳感器以物體受力變形測量為基礎，可以掌握物體的具體情況，其精確度比較高，并且測量范圍廣，使用壽命相對較長。在傳感器的具體應用過程中性能也比較穩定可靠，結構相對簡單，頻率響應良好。

2 電阻傳感器特性

在對電阻應變式傳感器測量技術進行研究時，需要對其主要特性進行深入分析。經過深入研究發現電阻應變式傳感器的主要特性表現：（1）靈敏度。在應變作用影響下電阻應變式傳感器應變電阻變化的速度。在傳感器出現應變前，電阻值減去應變作用力下的電阻值后再取絕對值，可以獲取發生應變時電阻值的比值。通常情況下，電阻傳感器的靈敏度是處于穩定情況。（2）分辨率。應變片可以感受到的最小壓力變化量的能力。（3）線性度。這一特性也被稱為非線性誤差，在具體的測量過程中可以利用一條擬合直線代替傳感器輸出曲線[2]。（4）遲滯性。是電阻傳感器的主要特性之一，在電阻應變式傳感器運行過程中被測量的物體從大到小要進行先后測量，獲取的數據與從小到大排列的數據繪制成曲線，而曲線不一致的情況被稱為遲滯性。被測量不同的輸出結果差值被稱為遲滯差值。（5）重復性。是電阻應變式傳感器的特性之一，主要表現對某一被測量物體進行重復測量后，同一輸入量作用下獲取的傳感器輸出數值不同，對應的特性曲線不能吻合。（6）閾值。電阻應變式傳感器的應變片所受應力從零開始增加，最初的傳感器沒有輸出信號。如果某一時刻出現輸出量，這一時刻的輸出值被稱為電阻應變式傳感器的閾值電壓。

3 金屬箔式應變片的性能分析

3.1 性能研究

在電阻應變式傳感器應用過程中，主要是應變片感受到力的作用后，會出現一定的形變，而電阻絲長度和橫截面積也會出現一些改變,從而導致電阻值變化，被定義為電阻應變效應。在電阻應變式傳感器應用過程中，金屬箔式應變片需要將導線連接在金屬箔上，同時要利用腐蝕、光刻等技術，將金屬作為應變片覆蓋在絕緣物質中，絕緣材料一般為環氧樹脂或者苯酚[3]。因為金屬箔式應變片的變化量較小，可以將電阻電橋作為對電路進行測量時的最優選擇，能夠將電阻變化轉換為其余電量上的變化。電阻電橋的主要工作方式包括單臂電橋、半臂電橋、全橋電橋等。以單臂電橋工作為例，在研究過程中需要利用單臂電橋電路的金屬箔式應變片原理進行分析。電阻應變片可以選擇正負應變片，橋臂上有三個電阻以及一個電阻應變片，電阻值相同。在開始運行時可以直接接入直流電壓應變片，不會受外界壓力作用。在這種情況下，電橋處于平衡狀態，輸出的電壓為零。在應變片接收到應力作用后，可以利用結點電壓法獲取輸出電壓值。

3.2 試驗結果

在西藏日喀則市農村公路研究水穩基層溫度場試驗過程中，需要根據傳感器的重復特性進行多次重復試驗，同時要以遲滯特性為基礎進行正反行程測量試驗，減少試驗誤差。在操作過程中需要先選擇7 個10 g 砝碼，將砝碼逐個加入到電子秤上并準確記錄數據，見表1，直到砝碼添加完成后完成一次完整的試驗；然后對應變片的測量電路進行調零處理，重復進行三次試驗，可以獲取相應的數據表格；最后進行相反的試驗，將砝碼全部放到秤上，然后逐個拿掉并記錄數據，見表2。這樣可以獲取應變片在單臂電橋電路設計下的性能參數。根據此次試驗，可以根據獲取的數據結果對傳感器進行優化設計，使傳感器的測量精度更高。

表1 金屬箔式應變片電阻傳感器正行程測量數據

表2 金屬箔式應變片電阻傳感器反行程測量數據

電阻應變式傳感器的靈敏度在測量時輸入相同的數值時，對應的輸出值在傳感器的線性范圍內越大越有利于開展數據統計工作。但是傳感器的靈敏度比較高，如果混入無關變量，例如噪聲，很容易被放大系統放大，影響測量精度。因此，為了降低外部環境噪聲信號產生的負面影響，傳感器的信噪比都比較高[4]。傳感器的靈敏度有一定方向性，對方向性要求比較高，并且單向量的被測量物體一般要選擇與其維度向量上靈敏度較小的傳感器，可以降低測量誤差。多維向量被測量物體要利用交叉靈敏度比較小的傳感器，降低不同方向上靈敏度產生的干擾。

在試驗過程中需要對試驗誤差進行嚴格控制。測量構件電阻率受溫度的影響相對較大。特別對金屬來說，加熱后電阻升高，并且受熱膨脹，膨脹程度受表征物體熱膨脹性質的膨脹系數決定。實際導線長度、電路不同部位的焊點、應變片分散度等也會導致零漂和蠕變。為了解決零漂問題，可以利用線路補償法，其中電橋補償法是最有效的解決方法。此外，還可以利用應變片自補償。而對蠕變問題進行解決時，主要是利用計算機軟件進行處理。

4 結語

為了對電阻應變式傳感器的具體測量性能進行全面掌握，需要對電阻應變式傳感器在使用過程中的原理和實際性能進行試驗分析。金屬箔式應變片電阻傳感器在單臂電橋電路設計下的非線性程度比較大，靈敏度比較低，但是其在工業科技領域中的應用具有突出作用。