应变电阻式传感器

应变电阻式传感器

一、基本概念

应变：物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象。当外力去除后物体能完全恢复原状，称为弹性应变。具有弹性应变特性的物体称为弹性元件。

应变效应：导体或半导体材料在力作用下产生机械变形，导致其电阻值发生变化的现象。

二、工作原理与转换链

应变电阻式传感器由弹性元件（敏感元件）和粘贴其上的（转换元件）组成。

测量转换链：

1. 被测物理量（力、力矩、压力等）作用于弹性元件，使其发生形变，产生应变；
2. 应变传递给粘贴的电阻应变片，引起应变片电阻值变化 $\mathrm{\Delta }R$；
3. 通过测量电路将电阻变化转换为电压输出，电压大小反映被测物理量大小。

金属电阻丝的原始电阻值：

其中 $\rho$ 为电阻率，$L$ 为长度，$A$ 为截面积。受力后 $\rho$、$L$、$A$ 均变化，导致 $R$ 变化。

三、测量电路的必要性

机械应变一般很小（${10}^{-6}\sim {10}^{-3}$ 范围），常规电阻应变片灵敏度系数较小（$K\approx 2$），电阻变化量约 ${10}^{-4}\sim {10}^{-1}\mathrm{\Omega }$ 数量级。因此需要特别设计的测量电路，通常采用直流电桥或交流电桥。

四、直流电桥

当负载电阻 $R_L\to \mathrm{\infty }$（开路）时，电桥输出电压为：

其中 $E$ 为电桥供电电压，$R_1\sim R_4$ 为桥臂电阻。

五、交流电桥

由于应变测量电桥输出电压很小，一般需加放大器，但直流放大器容易产生零漂，因此应变测量电桥多采用交流电桥。

六、温度误差与补偿

应变片电阻变化受温度影响，需进行温度补偿。测量电路流程中，电阻变化 $\mathrm{\Delta }R$ 需先经温度补偿，再转换为电压并放大。

七、弹性元件结构

常见弹性元件结构包括：

• 柱（筒）式：结构简单、紧凑，可承受很大载荷；截面可为方形、圆形、空心等。载荷大时用实心结构，载荷小时用空心筒式以增大曲率半径、便于粘贴应变片。
• 环式：多用于测量较大载荷，应力分布有正有负，容易接成差动电桥。
• 悬臂梁式：结构简单，加工容易，应变片容易粘贴，灵敏度较高，适用于测量小载荷。

八、典型应用

电阻应变式传感器典型应用包括：

1. 电阻式力传感器
2. 电阻式压力传感器
3. 电阻式液体重量（或液位）传感器
4. 电阻式加速度传感器
5. 电阻式扭矩传感器

以力传感器为例，量程可从几克到几百吨。