电阻应变式传感器测量性能分析

李岢

（西华大学机械工程学院，四川 成都 610039）

0 引言

传感器是能够检测到被测信息后按照人为设置转换为电信号或者其他形式的信号来满足信息的传输处理等操作。常见的传感器有光敏传感器、称重传感器、压阻式传感器、霍尔传感器、线性传感器、电阻式传感器、温度传感器、智能传感器等[1]。

1 电阻应变式传感器的简介

电阻应变式传感器的电阻应变片有分为金属应变片和半导体应变片，前者被划分为金属丝式、箔式、薄膜式，后者具有高灵敏度的特点。电阻应变片从开始生产到20世纪60年代为第一阶段，人们主要研究应变片的基本性能、应变作用原理、应力测量方法及应变片在长期使用中的稳定性问题。20世纪60年代中期到80年代初进入第二阶段，主要是提高其性能和长期稳定性，降低蠕变、滞后，研发各种新型应变片。第三阶段是20世纪80年代直至目前，数字智能称重传感器的应用促使了应变片温度、蠕变、弹性模量自补偿多发展，抗疲劳性能和长期稳定性逐渐提高。

2 电阻传感器的主要特性

研究电阻传感器必然要分析其特性，首先是线性度又被称为非线性误差，在实际测量情况下，常采用一条拟合直线代替传感器的输出曲线[2-3]。其次，灵敏度反映的是电阻传感器在应变作用下应变片电阻变化的快慢，具体是指传感器发生应变前的电阻值减去应变作用下的电阻值再取绝对值后，比上发生应变前的电阻值所得到的比值。一般情况下，电阻传感器的灵敏度不会发生变化。然后是分辨率，定义为应变片能感受到的最小压力变化量的能力。迟滞也是电阻传感器的特性之一，电阻传感器在工作时，被测量由大到小进行先后测量所得数据与从小到大排列所得数据绘制成的曲线不一致的情况被称之为迟滞。同样的被测量不同的输出结果差值被称为迟滞差值。与之相似的特性还有重复性，表现为重复对一定顺序的被测量进行测量后，同一输入量作用下所得到的传感器输出数值不同，对应的特性曲线也不能吻合。最后是阈值，电阻传感器的应变片所受应力从零开始增加，最初传感器是没有输出的，若某一时刻出现输出量，那么这一时刻的输入值称为电阻传感器的阈值电压。

3 金属箔式应变片的性能分析

3.1 电路设计及计算方式

电阻应变式传感器的工作原理是当应变片受到力的作用时，会发生一定的形变，电阻丝长度和横截面积发生细微改变，从而电阻值发生不可忽视的改变，该情况被人们定义为电阻应变效应。金属箔式应变片是将导线连接在直径较小的金属箔上，并将金属用腐蚀、光刻等技术做成应变片，再覆盖在一层绝缘物质之中，绝缘材料一般选取常见的苯酚或者环氧树脂[4]。由于金属箔式应变片的变化量是非常小的，而电阻电桥作为测量电路是针对电阻应变式传感器最优选择，它能够有效的将电阻变化转化为其余电量上的变化。电阻电桥的工作的方式有单臂工作、半桥方式和全桥方式，下面以单臂电桥为例[5]。

采用单臂电桥电路的金属箔式应变片原理图如图1所示，桥臂电阻应变片选用正负应变片均可，桥臂上有三个电阻R1、R2、R3和一个电阻应变片R4，其电阻值都相同。开始时接入直流电压us，应变片没有受到外界压力作用，此时电桥平衡，输出电压u0为0V。在对应变片施加应力之后，根据图1所示结点采用结点电压法可以求得输出电压：

电阻定义式为：

其中ρ为电阻率，S为应变片的横截面积，I为应变片长度。对上述公式两边同时取对数并求导，可以得到：

在本式中定义金属箔的轴向应变为：

带入上式化简可以求出：

其中K为灵敏度系数，综上输出电压的表达式为：

由上式可以看出输出电阻与应变片的长度变化量近似成正比。

3.2 实验分析及性能验证

实验在室温条件下中进行，根据传感器的重复性特性进行多次重复实验，又根据迟滞特性进行正反行程的测量实验，以此有效减小误差。先选取七个10g砝码，将砝码逐个加入电子秤上并记录数据直到七个砝码添加完成，在一次完整的实验结束后，对应变片的测量电路进行调零，重复实验三次，测得数据表1。后先将砝码全部放在秤上，然后逐个拿掉并记录数据得表2。

表1 金属箔式应变片电阻传感器单臂电桥电路正行程测量数据

表2 金属箔式应变片电阻传感器单臂电桥电路反行程测量数据

综合两表数据对金属箔应变片电阻传感器测量性能参数进行分析，计算系统灵敏度为：

上述实验得出了该应变片在单臂电桥的电路设计下的性能参数，人们可以从本次实验所得数据对以后关于该传感器的设计更加精确。一般情况下，电阻应变式传感器的灵敏度即被测量在相同输入下所对应的输出值在传感器的线性范围内越大就越有利于数据的统计[6]。然而，在灵敏度高的传感器中，不小心混入的无关变量如噪声容易被放大系统放大导致测量精度变低。因此要想降低外部环境的噪声信号的影响，传感器本身的信噪比要高。传感器的灵敏度是有方向性的。对方向性要求较高且是单向量的被测量适合选用其余维度向量上灵敏度小的传感器来减小误差；多维向量的被测量应该选用交叉灵敏度小的传感器来减小各方向上灵敏度的相互干扰。

实验误差产生的原因有很多，一方面存在温度误差，因为测量构件电阻率受到温度的影响会发生改变，就金属而言，加热后电阻一般会升高并且会受热膨胀，其膨胀程度受表征物体热膨胀性质的膨胀系数决定。另一方面由于实际导线长度、电路各处焊点和应变片分散度等因素的影响会导致零漂和蠕变。前者我们可以用线路补偿法，其中效果最好的是电桥补偿方法，除此之外还可采用应变片自补偿。后者可以通过计算机软件处理电路进行补偿[7-8]。

4 结语

目前，科技领域的日新月异使得人们在高科技高端领域中对于传感器的性能要求越来越高，电阻应变式传感器所应用的应变测量技术十分关键。本文分析了金属箔式应变片电阻传感器在单臂电桥电路的设计下的具体性能，其非线性程度较大，灵敏度低。虽然该传感器的性能与其他种类的传感器有所差异，但并不影响它在工业、科技等领域的发展。