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(xiàn)傳感器的功能。

[關(guān) 鍵 詞] 電阻傳感器；靈敏度；應(yīng)變

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

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，當(dāng)代的自動(dòng)化、智能化已經(jīng)炙手可熱，其中傳感器技術(shù)也隨著時(shí)代的潮流興起，并且越來越受到人們的關(guān)注。傳感器在日常生活中是一個(gè)非常常見的電器元件，在生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。傳感器能夠按照一定的規(guī)律將抽象的測量轉(zhuǎn)化為輸出信號，并呈現(xiàn)出來。它主要是用電信號的形式將物理量、化學(xué)量呈現(xiàn)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(shù)推動(dòng)著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，是傳感器對原始數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量，才完成了信號的轉(zhuǎn)化和信號處理以及完善數(shù)據(jù)。當(dāng)代的傳感器技術(shù)就相當(dāng)于人類的感官，因?yàn)橛兴拇嬖?，才能有大腦與外界的交流。電阻傳感器是對物體受力所產(chǎn)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(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、便于觀察信號的特點(diǎn)，對當(dāng)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(yīng)用廣泛，它工作的基本原理就是將被測量的變化物理量轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，再經(jīng)過電路顯示記錄被測量物理量的變化。電阻應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變的傳感器，最常用的傳感元件是電阻應(yīng)變片。

（一）電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理

電阻絲應(yīng)變片是用直徑0.025mm的高阻率的電阻絲構(gòu)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(dá)到保護(hù)覆蓋面的作用。應(yīng)變式傳感器是將應(yīng)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(zhuǎn)化為電信號，最終以電壓、電流的形式展現(xiàn)出來就可以測量應(yīng)變。利用上述原理還可以做成各種應(yīng)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(yīng)變效果

當(dāng)應(yīng)變按照主軸的方向變化時(shí)，電阻的變化率與懸梁臂的主應(yīng)變同向變動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)的過程中，可以通過應(yīng)變效果來對微效形變進(jìn)行測量，再將其轉(zhuǎn)化為電阻來對懸臂梁的主應(yīng)變進(jìn)行測量。測量過程中要求測件的表面牢牢的與變片粘貼，當(dāng)測件受力發(fā)生形變后，敏感柵也同樣發(fā)生形變，之后電阻值就會(huì)發(fā)生變化，電阻的變化直接影響電壓。電阻的變化主要為應(yīng)變，因此在這一過程中對變片的電阻值進(jìn)行測量就可以得出懸臂應(yīng)變。測試電路一般對直流電橋進(jìn)行應(yīng)用，該方法能夠較好地將電阻的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)為電壓或電流，使用電流電橋電路作為測量電路能夠?qū)崿F(xiàn)將電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。電阻應(yīng)變式傳感器測量電路一般會(huì)把R1、R2、R3作為固定值，Rx為應(yīng)變片組成單臂電橋電路。這一過程中將R3作為變應(yīng)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(yīng)變片，連接過程中要對受力方向進(jìn)行注意，不斷地改變受力方向以及手里位置，來構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。

二、三次測量電路電壓靈敏度特征比較

根據(jù)三種不同的電路構(gòu)成，再結(jié)合理論知識(shí)可以很容易地推導(dǎo)出它們之間的關(guān)系，半橋電路的電壓靈敏度會(huì)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(zhǔn)確值，因?yàn)槠渲泻雎粤穗娮璧淖兓?，這就導(dǎo)致因?yàn)榻浦刀鸬姆蔷€性誤差。但是全橋和半橋電路是嚴(yán)格遵循線性關(guān)系的，這就直接證明了不存在非線性誤差。

一般通過實(shí)驗(yàn)得到原始數(shù)據(jù)之后，通常會(huì)采用逐差法處理實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，這樣可以避免操作失誤和不標(biāo)準(zhǔn)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。在將計(jì)算結(jié)果帶入到公式中（電壓靈敏度=電壓變化量/相應(yīng)梁端位移變化量）計(jì)算出電壓靈敏度。通過反復(fù)重復(fù)的實(shí)驗(yàn)可以分別得出三種測量電路的不同電壓靈敏度結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果就可以得出在誤差允許的范圍內(nèi)，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(yīng)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(yīng)片都會(huì)受到拉力，因此會(huì)造成形變，會(huì)讓電路變得高壓輸出，但與此同時(shí)保證了靈敏程度，是單筆電橋的4倍，可以完成溫度補(bǔ)償功能。

三、結(jié)語

電阻應(yīng)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)角度出發(fā)，雖然在實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)有誤差，但是它們之間的關(guān)系都基本吻和?，F(xiàn)在的實(shí)驗(yàn)室儀器都很高，稍微的觸碰接線就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)有變動(dòng)，這也讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有偏差。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先需要調(diào)節(jié)電橋的平衡，來保證輸出電壓為零，但是還需要時(shí)刻注意輸出電壓的值，因?yàn)榧?xì)小的舉動(dòng)可能就會(huì)導(dǎo)致電壓值偏移，在電壓值不穩(wěn)定時(shí)也會(huì)給實(shí)驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)造成誤差。不管是實(shí)驗(yàn)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(shí)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。

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