原创 应变式电阻传感器原理和测量电路详析

 应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转化变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量（力）的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件，电阻应变片及测量电路。

    电阻应变片的结构及工作原理说明：
    （1）结构
    电阻应变式片的结构图

    合金电阻丝以曲折性（栅形）粘接剂粘贴在绝缘基片上，两端通过引线出，丝栅上面再粘贴一层绝缘保护膜。把应变片贴于被测变形物体上，敏感栅随被测物体表面的变形而使电阻值改变，只要测出电阻的变化就可得知变形量的大小。电阻应变片主要恩威金属应变片和半导体应变片，常见的金属应变片有丝式，箔式和薄膜式三种（如图），半导体应变片是在硅上利用扩散技术形成电阻。
    1.电阻丝；2.金属箔；3.半导体；4.基片
    2.应变效应
    导体货半导体收外力作用变形时，其电阻值也将随之变化，这种现象被称为：应变效应。设有一金属导体，长度为I，界面剂为S，电阻率为P，则该导体的电阻R为：

    如上图所示，当金属导体收到拉力作用时，长度Δ1,截面积将缩小ΔS，从而导致电阻增加ΔR，这样，导体的电阻变为R+ΔR。通过推导，可以得出导体电阻的相对变化量为：

    由上图式中可以得出，Σ=ΔI/I成为纵向应变式；K为金属导体的应变灵敏度。下图为金属丝的应变效应

    金属应变片的灵敏度主要与导体的几何尺寸有关。近似等于2，如果没有特别说明。一般K=2。但道题应变片的灵敏度主要与半导体材料有关，并且远远大于金属应变片的灵敏度。
    （2）测量电路
    为了检测应变片电阻的微小变化，需通过测量电路把电阻的变化转化为电压和电流后由仪表读出。在应变式传感器中最常用的转换电路是桥式电路。按输入电源性质的不同，桥式电路可分为交流电桥和直流电桥两类。在大多数情况下，采用的是直流电桥电路。下面以直流电桥为例子分析它的工作原理和特性。
    直流电桥的基本电路示意图

    在未施加作用力时，应变为o，此时桥路输出电压Uo也为0，即桥路平衡，由桥路平衡的条件可知，应使4个桥臂的初始电阻R1，R2，R3和R4满足R1R3=R2R4,或是R1/R2=R4/R3，通常取R1=R2=R3=R4即全等臂形式。
    桥路工作时输入电压Ui保持恒定不变，当4个桥臂电阻的变化值Δ远小于初始电阻。且电桥负载电阻为无穷大时，电桥的输出电压Uo可以近似用下式表示：

    
    由于R1=R2=R3=R4，所以根据以上的根式可以变为：

   
    根据图上可知，ΔR/R=KΣx，其中KI为电阻应变片的灵敏度；ΣX为轴向应变。则式中可以写成：
    
    根据应用要求的不同，可接入不同数目的都电阻应变片，一般分为下面几种形式的电桥：
    1.双臂半桥形式
    2.单臂半桥形式
    3.全桥形式
    以上三种电桥形式中，全桥形式的灵敏度最高，也是最常用的一种形式。