李岢

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

0 引言

傳感器是能夠檢測到被測信息后按照人為設(shè)置轉(zhuǎn)換為電信號或者其他形式的信號來滿足信息的傳輸處理等操作。常見的傳感器有光敏傳感器、稱重傳感器、壓阻式傳感器、霍爾傳感器、線性傳感器、電阻式傳感器、溫度傳感器、智能傳感器等[1]。

1 電阻應(yīng)變式傳感器的簡介

電阻應(yīng)變式傳感器的電阻應(yīng)變片有分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，前者被劃分為金屬絲式、箔式、薄膜式，后者具有高靈敏度的特點(diǎn)。電阻應(yīng)變片從開始生產(chǎn)到20世紀(jì)60年代為第一階段，人們主要研究應(yīng)變片的基本性能、應(yīng)變作用原理、應(yīng)力測量方法及應(yīng)變片在長期使用中的穩(wěn)定性問題。20世紀(jì)60年代中期到80年代初進(jìn)入第二階段，主要是提高其性能和長期穩(wěn)定性，降低蠕變、滯后，研發(fā)各種新型應(yīng)變片。第三階段是20世紀(jì)80年代直至目前，數(shù)字智能稱重傳感器的應(yīng)用促使了應(yīng)變片溫度、蠕變、彈性模量自補(bǔ)償多發(fā)展，抗疲勞性能和長期穩(wěn)定性逐漸提高。

2 電阻傳感器的主要特性

研究電阻傳感器必然要分析其特性，首先是線性度又被稱為非線性誤差，在實(shí)際測量情況下，常采用一條擬合直線代替?zhèn)鞲衅鞯妮敵銮€[2-3]。其次，靈敏度反映的是電阻傳感器在應(yīng)變作用下應(yīng)變片電阻變化的快慢，具體是指傳感器發(fā)生應(yīng)變前的電阻值減去應(yīng)變作用下的電阻值再取絕對值后，比上發(fā)生應(yīng)變前的電阻值所得到的比值。一般情況下，電阻傳感器的靈敏度不會發(fā)生變化。然后是分辨率，定義為應(yīng)變片能感受到的最小壓力變化量的能力。遲滯也是電阻傳感器的特性之一，電阻傳感器在工作時，被測量由大到小進(jìn)行先后測量所得數(shù)據(jù)與從小到大排列所得數(shù)據(jù)繪制成的曲線不一致的情況被稱之為遲滯。同樣的被測量不同的輸出結(jié)果差值被稱為遲滯差值。與之相似的特性還有重復(fù)性，表現(xiàn)為重復(fù)對一定順序的被測量進(jìn)行測量后，同一輸入量作用下所得到的傳感器輸出數(shù)值不同，對應(yīng)的特性曲線也不能吻合。最后是閾值，電阻傳感器的應(yīng)變片所受應(yīng)力從零開始增加，最初傳感器是沒有輸出的，若某一時刻出現(xiàn)輸出量，那么這一時刻的輸入值稱為電阻傳感器的閾值電壓。

3 金屬箔式應(yīng)變片的性能分析

3.1 電路設(shè)計及計算方式

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理是當(dāng)應(yīng)變片受到力的作用時，會發(fā)生一定的形變，電阻絲長度和橫截面積發(fā)生細(xì)微改變，從而電阻值發(fā)生不可忽視的改變，該情況被人們定義為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬箔式應(yīng)變片是將導(dǎo)線連接在直徑較小的金屬箔上，并將金屬用腐蝕、光刻等技術(shù)做成應(yīng)變片，再覆蓋在一層絕緣物質(zhì)之中，絕緣材料一般選取常見的苯酚或者環(huán)氧樹脂[4]。由于金屬箔式應(yīng)變片的變化量是非常小的，而電阻電橋作為測量電路是針對電阻應(yīng)變式傳感器最優(yōu)選擇，它能夠有效的將電阻變化轉(zhuǎn)化為其余電量上的變化。電阻電橋的工作的方式有單臂工作、半橋方式和全橋方式，下面以單臂電橋?yàn)槔齕5]。

采用單臂電橋電路的金屬箔式應(yīng)變片原理圖如圖1所示，橋臂電阻應(yīng)變片選用正負(fù)應(yīng)變片均可，橋臂上有三個電阻R1、R2、R3和一個電阻應(yīng)變片R4，其電阻值都相同。開始時接入直流電壓us，應(yīng)變片沒有受到外界壓力作用，此時電橋平衡，輸出電壓u0為0V。在對應(yīng)變片施加應(yīng)力之后，根據(jù)圖1所示結(jié)點(diǎn)采用結(jié)點(diǎn)電壓法可以求得輸出電壓：

電阻定義式為：

其中ρ為電阻率，S為應(yīng)變片的橫截面積，I為應(yīng)變片長度。對上述公式兩邊同時取對數(shù)并求導(dǎo)，可以得到：

在本式中定義金屬箔的軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

帶入上式化簡可以求出：

其中K為靈敏度系數(shù)，綜上輸出電壓的表達(dá)式為：

由上式可以看出輸出電阻與應(yīng)變片的長度變化量近似成正比。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析及性能驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在室溫條件下中進(jìn)行，根據(jù)傳感器的重復(fù)性特性進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，又根據(jù)遲滯特性進(jìn)行正反行程的測量實(shí)驗(yàn)，以此有效減小誤差。先選取七個10g砝碼，將砝碼逐個加入電子秤上并記錄數(shù)據(jù)直到七個砝碼添加完成，在一次完整的實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對應(yīng)變片的測量電路進(jìn)行調(diào)零，重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，測得數(shù)據(jù)表1。后先將砝碼全部放在秤上，然后逐個拿掉并記錄數(shù)據(jù)得表2。

表1 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器單臂電橋電路正行程測量數(shù)據(jù)

表2 金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器單臂電橋電路反行程測量數(shù)據(jù)

綜合兩表數(shù)據(jù)對金屬箔應(yīng)變片電阻傳感器測量性能參數(shù)進(jìn)行分析，計算系統(tǒng)靈敏度為：

上述實(shí)驗(yàn)得出了該應(yīng)變片在單臂電橋的電路設(shè)計下的性能參數(shù)，人們可以從本次實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對以后關(guān)于該傳感器的設(shè)計更加精確。一般情況下，電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度即被測量在相同輸入下所對應(yīng)的輸出值在傳感器的線性范圍內(nèi)越大就越有利于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計[6]。然而，在靈敏度高的傳感器中，不小心混入的無關(guān)變量如噪聲容易被放大系統(tǒng)放大導(dǎo)致測量精度變低。因此要想降低外部環(huán)境的噪聲信號的影響，傳感器本身的信噪比要高。傳感器的靈敏度是有方向性的。對方向性要求較高且是單向量的被測量適合選用其余維度向量上靈敏度小的傳感器來減小誤差；多維向量的被測量應(yīng)該選用交叉靈敏度小的傳感器來減小各方向上靈敏度的相互干擾。

實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生的原因有很多，一方面存在溫度誤差，因?yàn)闇y量構(gòu)件電阻率受到溫度的影響會發(fā)生改變，就金屬而言，加熱后電阻一般會升高并且會受熱膨脹，其膨脹程度受表征物體熱膨脹性質(zhì)的膨脹系數(shù)決定。另一方面由于實(shí)際導(dǎo)線長度、電路各處焊點(diǎn)和應(yīng)變片分散度等因素的影響會導(dǎo)致零漂和蠕變。前者我們可以用線路補(bǔ)償法，其中效果最好的是電橋補(bǔ)償方法，除此之外還可采用應(yīng)變片自補(bǔ)償。后者可以通過計算機(jī)軟件處理電路進(jìn)行補(bǔ)償[7-8]。

4 結(jié)語

目前，科技領(lǐng)域的日新月異使得人們在高科技高端領(lǐng)域中對于傳感器的性能要求越來越高，電阻應(yīng)變式傳感器所應(yīng)用的應(yīng)變測量技術(shù)十分關(guān)鍵。本文分析了金屬箔式應(yīng)變片電阻傳感器在單臂電橋電路的設(shè)計下的具體性能，其非線性程度較大，靈敏度低。雖然該傳感器的性能與其他種類的傳感器有所差異，但并不影響它在工業(yè)、科技等領(lǐng)域的發(fā)展。