金屬箔式應變片三種橋式轉換電路的性能研究

　　摘 要： 本文介紹了電阻應變傳感器工作原理，闡述了金屬箔式應變片的特性、實驗過程和實驗數據分析，并著重就金屬箔式應變片構成的三種橋式電路的性能進行比較、歸納。這有利于提高學生對于傳感器學習的興趣和效率，從而幫助學生更好更快地掌握該類傳感器的應用。
　　關鍵詞： 電阻應變傳感器 單臂電橋 雙臂電橋 全橋電路
　　
　　“工欲善其事，必先利其器”。用這句話來說明傳感器技術在現代科學技術中的重要性是很恰當的。隨著自動化等新技術的發展，傳感器的使用數量越來越大，現代化儀器、設備幾乎都離不開傳感器。可以說測試技術與自動控制技術水平的高低，是衡量一個國家科學技術現代化程度的重要標志。
　　傳感器的作用是感受被測對形象的微小變化，并轉換成為與之相適應的電量，以便對被測信號進行傳輸、處理、控制、顯示和記錄。傳感器已經成為電類產品不可缺少的組成部分，它擔負著感知和傳輸信號的重要任務。
　　而電阻傳感器的工作原理是將被測的非電量轉換成電阻值，通過測量電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器大致分為兩類：電阻應變式和電位計式。利用電阻傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數。本文主要探討電阻應變傳感器三類電橋的性能特點，并進行分析比較和歸納。
　　1.實驗原理
　　在介紹電阻應變傳感器原理前，有必要簡單介紹一下相關知識。
　　（1）應力與應變
　　①應力：指截面積為S的物體受到外力F的作用并處于平衡狀態時，F在物體單位截面積上引起的內力就稱為應力，記作σ，其值為：σ=F/S。
　　②應變：指物體受外力作用時產生的相對形變。設物體原長度為l，受力后產生Δl的形變，若Δl＞0，則表示物體長度被拉伸；Δl＜0，則表示物體被壓縮。其應變ε定義為：ε=Δl/l。
　　③應力與應變的關系：應力與應變的關系可用胡克定律來描述，指的是當應力未超過某一限值時，應力與應變成正比，表示為：σ=Eε，其中E為彈性模量。
　　（2）電阻應變效應
　　導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械形變，其阻值也會隨之發生變化，這種現象就稱為應變效應。
　　（3）電阻應變傳感器原理
　　電阻應變傳感器是利用應變效應工作的，由彈性敏感元件、電阻應變片和轉換電橋組成。
　　我們先引入一個實驗：有一段長為20cm的電阻絲，測量其阻值為10Ω。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻絲阻值也略有增加，由原來的10Ω增加到10.05Ω。
　　從而，電阻應變傳感器的工作原理就是當試件受力變形后，應變片上的電阻絲也隨之產生形變，從而使應變片的阻值發生變化，然后再通過測量轉換電路最終轉換成電壓的變化進行輸出。
　　2.應變片的種類與特性
　　應變片可以分為金屬應變片與半導體應變片兩大類。金屬應變片又分為金屬絲式、金屬箔式和薄膜等。本文介紹的金屬箔式是用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，箔柵厚一般在0.003—0.01mm之間，箔材表面積大，散熱條件好。通常它可以允許通過較大的電流，靈敏度系數較高，也可根據需要制成任意形狀，適合批量生產。而半導體應變片雖然靈敏度要比金屬應變片高幾十倍，但一致性差、溫漂大、電阻與應變間的非線性嚴重，必須考慮溫度補償。
　　3.金屬箔式三種應變電橋的原理分析
　　金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將電阻的變化轉換成輸出電壓U。其轉換電路如圖1所示。
　　測量前應先將電橋調平衡，在電橋輸出端b和d之間接一個檢流計調橋臂電阻使檢流計指示為0，輸出電壓U=0，電橋達到平衡狀態。電橋的平衡條件為RR-RR=0。
　　（1）單臂半橋
　　即：構成電橋的4個電阻中，1個是應變片，3個是固定電阻。為了便于分析，一般都取R=R=R=R=R，稱之為等臂電橋。
　　U=-Ui=-Ui
　　 ==Ui≈Ui=KεUi
　　（2）雙臂半橋
　　即：構成電橋的4個電阻中，2個是應變片，2個是固定電阻。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR，ΔR=-ΔR。
　　U=-Ui=-Ui
　　 =Ui=KεUi
　　（3）全橋
　　即：構成電橋的4個電阻均是應變片。R=R=R=R=R，ΔR=ΔR=ΔR，ΔR=ΔR=-ΔR。
　　U=-Ui
　　 =-Ui
　　 =Ui=KεUiS
　　4.應變電橋性能實驗及數據對比分析
　　實驗原理框圖如圖2：
　　本文采用的應變片是金屬箔式應變片，給應變片上放置砝碼（每個砝碼20g），應變片受力產生應變效應，從而獲取輸出電壓U的值。放置砝碼的數量不同，讀取的電壓值也就不同。下面是三個橋路實驗獲得的實驗數據如表1，其分析如下。
　　計算各電橋實驗的靈敏度：S=（ΔU為輸出電壓變化量，ΔW為重量變化量），并進行簡要分析。
　　單臂半橋：S==0.245mV/g
　　雙臂半橋：S==0.45mV/g
　　全橋：S==0.95mV/g
　　從而得到結論：全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低，且S≈2S≈4S。
　　5.電阻應變傳感器的應用
　　電阻應變傳感器可用于稱重測力、測扭矩、加速度、壓力等。它有以下特點：①應用和測量范圍廣。②分辨力和靈敏度高。③結構輕、小，對試件影響小；對復雜環境的適應性強，易于實施對環境干擾的隔離或補償，從而可以在高溫、高壓、高速、強磁場、核輻射等特殊環境中使用；頻率響應好。④商品化，選用和使用都方便，也便于實現遠距離、自動化測量。
　　因此，目前傳感器的種類雖已繁多，但高精度的傳感器仍以應變式應用最普遍。它廣泛應用于機械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部門的自動測量與控制或科學實驗中。近年來在生物、醫學、體育和商業等部門亦已得到開發應用，并且更是有向小型化、集成化、智能化、系列化、標準化方向發展的趨勢。
　　
　　參考文獻：
　　［1］梁森，黃杭美.自動檢測與轉換技術.機械工業出版社，2007.
　　［2］蘇鐵力，關振海，孫立紅等.傳感器及其接口技術［M］.中國石化出版社，2000.
　　［3］吳旗.傳感器及應用.高等教育出版社，2002.
　　［4］鮑敏杭，沈紹群.微機械力敏傳感器及其發展動向［J］.電子科技導報（傳感器專輯），1996，10:8-12.