電阻應(yīng)變式傳感器原理及其應(yīng)用舉例*

孫 輝 韓玉龍 姚星星

(安徽信息工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 安徽 蕪湖 24100)

電阻應(yīng)變式傳感器原理及其應(yīng)用舉例*

孫 輝 韓玉龍 姚星星

(安徽信息工程學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部 安徽 蕪湖 24100)

電阻式應(yīng)變傳感器應(yīng)用廣泛，可將位移、壓力、加速度等非電物理量轉(zhuǎn)換成電阻變化，從而進(jìn)行信息采集．利用大學(xué)物理和物理實驗課程中包含的基礎(chǔ)知識,分析電阻應(yīng)變式傳感器的原理并介紹實際使用的典型實例，以期為大學(xué)物理教學(xué)提供一個綜合的應(yīng)用型案例．

電阻 傳感器 應(yīng)用 大學(xué)物理

傳感器是一種可以將非電學(xué)的物理量、化學(xué)量和生物量等轉(zhuǎn)換成電信號或其他可用信號的裝置，它感知的對象包括位移、壓力、流量、濕度、溫度、光強(qiáng)、濃度和分子種類等．傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化等特點．它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)．傳感器使毫無生命力的物體有了觸覺、視覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體“活”了起來[1]．

現(xiàn)代家用電器中普遍應(yīng)用著傳感器，比如在空調(diào)、電熱水器、電熨斗、電冰箱中我們都能發(fā)現(xiàn)傳感器的身影．傳感器在汽車上的應(yīng)用也極其廣泛，如汽車安全氣囊、防盜裝置、防抱死裝置等．在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，傳感器被用來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)．傳感器也為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了極大的助力．傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，負(fù)責(zé)信息采集，各類傳感器的大規(guī)模部署和應(yīng)用是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的基本條件[2]．

1 原理簡介

在種類繁多的傳感器中，電阻式傳感器的應(yīng)用非常廣泛，尤其是電阻應(yīng)變式傳感器．這類傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形(拉伸或壓縮)時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化．根據(jù)制作材料的不同，應(yīng)變原件分為金屬和半導(dǎo)體兩大類．現(xiàn)以金屬為例，介紹其工作原理[3]．

將電阻表達(dá)式兩邊取對數(shù)后，再代入A=πr2微分可得

圖1 金屬絲在力F作用下的拉伸示意圖

(1)

用相對變化量表示則有

(2)

(3)

(4)

式(4)中λ為材料的壓阻系數(shù)(單位應(yīng)力作用下電阻率的相對變化)，σ為材料所受的應(yīng)力，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，ε為材料的應(yīng)變．代入式(3)有

(5)

K=λE．半導(dǎo)體材料的K值可達(dá)60～180．半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高50～80倍．雖然半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度更高，但是其溫度穩(wěn)定性差、較大應(yīng)力作用下非線性誤差大、機(jī)械強(qiáng)度低，而金屬電阻應(yīng)變片使用壽命長、性能穩(wěn)定可靠、價格低廉、易于加工、品種多樣，所以更便于選擇和大量使用．

2 應(yīng)變片構(gòu)成及測量電路

金屬電阻應(yīng)變片有多種形式，常用的有絲式和箔式．它是由直徑為0.02～0.05 mm的康銅絲或者鎳鉻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片(基底)中制成，用鍍錫銅線與應(yīng)變片敏感柵連接作為應(yīng)變片引線，用來連接測量導(dǎo)線．

用應(yīng)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，將應(yīng)變片貼在被測物上．在外力作用下，被測物產(chǎn)生微小變形，應(yīng)變片隨之發(fā)生相同的變化，應(yīng)變片電阻值也相應(yīng)變化．當(dāng)測得應(yīng)變片電阻變化ΔR時，便可得到被測對象的應(yīng)變值ε．根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)一步得到應(yīng)力值σ=Eε．不同的敏感柵金屬材料有不同的靈敏系數(shù)，常見的康銅箔的靈敏系數(shù)在2.00～2.20之間．由于應(yīng)變是相當(dāng)微小的變化，所以產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的．要精確地測量這么微小的電阻變化是非常困難的，為了對這種微小電阻變化進(jìn)行測量，常使用帶有惠斯通電橋的專用應(yīng)變測量電路[4]．

圖2 惠斯通電橋

如果平衡被破壞，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應(yīng)的輸出電壓．如圖3所示，將這個電路中的R1處接應(yīng)變片，有形變產(chǎn)生時，應(yīng)變片的電阻變化量為ΔR1.

圖3 接入一枚應(yīng)變片的電橋

(6)

如果使用的是等臂電橋，即t=1；且為了簡化，使R1=R2，則

(7)

因為電阻變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2，所以輸出電壓U0的計算公式簡化為

(8)

式中Ui為輸入電壓．所以只要測出電橋的輸出電壓，根據(jù)已知的靈敏系數(shù)K和輸入電壓，就可以計算出應(yīng)變ε的大?。?/p>

另一類電路如圖4所示，在電橋中連接兩枚相同的應(yīng)變片，共有兩種方法．

圖4 雙應(yīng)變片半橋的兩種接法

電橋的4條邊中有兩條的電阻發(fā)生變化，利用上述的簡化處理，對于圖4(a)可得

(9)

對圖4(b)可得

(10)

也就是說當(dāng)連入兩枚應(yīng)變片時，根據(jù)連入方式的不同，兩枚應(yīng)變片上產(chǎn)生的應(yīng)變或加或減，這種接法稱為半橋接法．

3 半橋接法應(yīng)用舉例

半橋接法在實際中最常用，比如可以利用圖4(a)中的接法，R1處接工作片，R2處接溫度補(bǔ)償片，R3和R4為電路內(nèi)部的兩個電阻，由于接在相鄰邊的兩應(yīng)變片置于相同的溫度環(huán)境里，所以它們各自由溫度引起的應(yīng)變相同，故由溫度引起的輸出電壓為零．那么就可以利用這樣的半橋抵消掉工作片純粹由于溫度變化而引起的應(yīng)變，這種溫度補(bǔ)償法在實際測量中必不可少．再如，可以利用半橋同時測量兩種應(yīng)變．如圖5所示，在梁的上下表面對應(yīng)的位置分別貼上一枚應(yīng)變片，同時對懸臂梁施加使其彎曲和伸長的兩個力，將兩應(yīng)變片連入電橋的相鄰邊和相對邊就可以測知分別由彎曲和伸長所產(chǎn)生的應(yīng)變．由于懸臂梁的彎曲，在應(yīng)變片1上產(chǎn)生拉伸的正應(yīng)變，而在應(yīng)變片2上產(chǎn)生壓縮的負(fù)應(yīng)變．

圖5 利用雙應(yīng)變片同時測量彎曲和拉伸應(yīng)變

因為兩枚應(yīng)變片與梁末端距離相同，所以雖然二者正負(fù)不同，但絕對值相同．這樣，如果只想測彎曲應(yīng)變，則利用圖4(a)的接法：對于拉伸變形，在應(yīng)變片1和2上會同時產(chǎn)生大小相等的正應(yīng)變，所以根據(jù)式(9)，不會產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓；而對于彎曲變形，式(9)括號中的項變?yōu)槊棵稇?yīng)變片上產(chǎn)生應(yīng)變的2倍，從而利用式(9)測得彎曲應(yīng)變．若想測拉伸應(yīng)變，則按照圖4(b)的接法將應(yīng)變片連入橋路的相對邊：對于彎曲變形，由于應(yīng)變大小相等正負(fù)相反，根據(jù)式(10)，彎曲應(yīng)變對于輸出電壓貢獻(xiàn)為零；由于拉伸應(yīng)變所產(chǎn)生的輸出電壓為每枚應(yīng)變片所產(chǎn)生電壓的2倍，所以可通過式(10)測得拉伸應(yīng)變．

4 電阻式應(yīng)變片實際用途

應(yīng)變片在大壩、橋梁、航天飛機(jī)、船舶結(jié)構(gòu)、發(fā)電設(shè)備等工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力測量中至今仍是應(yīng)用最廣泛和最有效的傳感器．如美國波音767飛機(jī)靜力結(jié)構(gòu)試驗中就采用了2 000多個電阻應(yīng)變片和1 000多個應(yīng)變花來測量飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量部位的應(yīng)變數(shù)據(jù)．而日常生活中所見的用于測量重量的儀器,如電子秤、地磅等也都利用了電阻應(yīng)變式傳感器作為信息采集裝置．

1 欒桂冬.傳感器及其應(yīng)用.西安:電子科技大學(xué)出版社,2002

2 朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展與趨勢.微型電腦應(yīng)用,2010,26(1):1～3

3 陸旭明.電阻式傳感器物理原理解析.物理教師,2014,35(8):56～58

4 李艷,李新娥,裴東興.應(yīng)變式壓力傳感器及其應(yīng)用電路設(shè)計.計量與測試技術(shù),2007,34(12):32～33

*安徽省教育廳教學(xué)研究項目“應(yīng)用型本科大學(xué)物理教學(xué)改革——以安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院為例”,項目編號：2015jyxm726；安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院校級教學(xué)研究項目“構(gòu)建工科類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)的典型案例庫”.

孫輝(1986- )，男，博士，主要從事大學(xué)物理教學(xué)研究．

2016-11-09)