姜靜，劉迪，鹿珂珂

（海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東煙臺 264001）

0 引言

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

1 電阻應(yīng)變片的工作原理與測試原理

1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻應(yīng)變片的作用就是傳感器中的轉(zhuǎn)換組件，是電阻應(yīng)變式傳感器的核心組件。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。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(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)[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(xiàn)—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(guān)，而金屬絲在承受機械變形的過程中，這三者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。當(dāng)金屬絲受拉而伸長dL時，其橫截面積將相應(yīng)減小dF，電阻率則因金屬晶格發(fā)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(guān)系為：

式中：μ為金屬絲的泊松系數(shù)

將(2)，(3)帶入(1)得：

令

Ks為金屬絲的靈敏系數(shù)，表明金屬絲產(chǎn)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(yīng)變片的測試原理

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

2 電阻應(yīng)變片的測量

電橋是用來測量電阻應(yīng)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(zhuǎn)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(dāng)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(gòu)成時，被測物理量的變化轉(zhuǎn)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(shù)關(guān)系可以根據(jù)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(tài)。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(fù)數(shù)阻抗。

3 電阻應(yīng)變式傳感器實驗設(shè)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?qū)材Ｐ盘柶鹨种谱饔?。由于電路參?shù)的對稱性起了相互補償?shù)淖饔?，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(jìn)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(diào)制波，不能直接顯示其應(yīng)變值，必須通過移相檢波和濾波電路才能得到變化的應(yīng)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(jīng)過放大以后的波形仍為調(diào)制波，必須用檢波器將它還原為被檢測應(yīng)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(qū)別拉，壓應(yīng)變信號，而相敏檢波器有雙向輸出，可以反映應(yīng)變的拉和壓。

4 電阻應(yīng)變式傳感器全橋性能試驗

全橋測量電路中，將受力性質(zhì)相同的兩應(yīng)變片接入電橋?qū)?，不同的接入鄰邊，?dāng)應(yīng)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(yīng)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(shù)據(jù)如表1所示：

表1 全電橋性能試驗電路數(shù)據(jù)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(jù)全電橋性能試驗電路的數(shù)據(jù)，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(jù)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(jié)論

本文應(yīng)用 EWB仿真軟件對電阻應(yīng)變式傳感器信號調(diào)節(jié)電路進(jìn)行設(shè)計，電阻應(yīng)變式傳感器是由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成，是利用應(yīng)變片的電阻值的變化來確定被測量的大小?；谶@個原理，設(shè)計了電阻應(yīng)變式傳感器的全電橋測量電路，并進(jìn)行應(yīng)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(guān)林, 馬良程主編. 電阻應(yīng)變計及其應(yīng)用. 北京:清華大學(xué)出版社, 1983: 30-42.

[2]劉迎春, 葉湘濱編著. 傳感器原理、設(shè)計與應(yīng)用. 北京: 國防科技大學(xué)出版社, 1997: 35-52.

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

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

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

[6]清華大學(xué)電子學(xué)教研室組編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社, 2000: 47-60.