电阻应变片测力技术简介及应用场景

【学习目标】

1.学习电阻应变片的测力原理。

2.掌握电阻应变片测力的应用。

【知识链接】

1.电阻应变片结构与工作原理

电阻应变片式传感器是利用金属或半导体材料的应变效应，将工程结构件的弹性变形转换为电阻变化的传感器。将电阻应变片黏贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路将电阻的改变转换为电压或电流信号输出，可检测力、力矩、压力、加速度等各种非电物理量。

电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两种。金属应变片是由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。其核心部分是敏感栅，它是由高电阻率的电阻丝（箔片或薄膜）排列成栅状，并黏贴在绝缘的基片上，上面的覆盖层起保护作用，两端焊接引出导线。

图4.1.1　金属应变片的基本结构

图4.1.2　半导体应变片的基本结构

2.电阻应变片测量电路

电阻应变片是利用电阻材料的应变效应进行工作的，其电阻值随着它的机械形变大小发生变化。实验证明，电阻的相对变化与其应变的关系在很大范围内具有很好的线性关系。电阻应变片输出电阻的变化很小，要精确地测量出这些微小电阻的变化，常采用桥式测量电路。

电桥输出为当R1=R2=R3=R4=R，R1 R3-R2 R4=0，电桥平衡。

当桥臂电阻发生变化时，电桥有输出，输出大小与桥臂电阻变化成比例。

图4.1.3　恒流源供电的直流电桥

根据电桥应变电阻的数量，桥式测量电路可以分为三种类型：单臂电桥、双臂电桥、全桥。

图4.1.4　电桥测量电路

单臂电桥，只有一个桥臂上是应变片，其他为固定电阻，此时电桥的输出电压为。

双臂电桥，电桥的相邻两个桥臂为应变片工作桥臂，其中一个受拉，一个受压，桥臂电阻变化大小相等，方向相反，其他两个桥臂为固定电阻，则电桥的输出为。

全桥，电桥的4个桥臂均为应变片，相邻两个桥臂其中一个受拉一个受压，电阻变化大小相等，方向相反，则电桥的输出为。

可知，双臂电桥输出灵敏度是单臂桥的两倍，全桥输出是双臂电桥的两倍。

电阻应变片式传感器在实际使用时，除了应变会导致应变片电阻值发生变化外，温度变化也会使应变片的电阻值发生变化，这种因温度变化而产生的误差称为温度误差。产生的原因主要来自两个方面：一是因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形；二是因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。因此在检测系统中有必要进行温度补偿，以减小或消除由此而产生的测量误差，图4.1.5所示为单臂电桥温度补偿电路。选用两个相同的应变片，它们处于相同的温度场，但受力状态不同。R1处于受力状态，称为工作应变片，RB处于不受力状态，称为补偿应变片。使用时，R1和RB接在电桥的相邻桥臂上，当温度发生变化时，工作片R1和补偿片RB的电阻都会发生变化，因R1和RB为同类应变片，又黏贴在相同的材料上，且温度变化而引起的应变片电阻变化量相同，即ΔR1=ΔRB，由于R1和RB分别接在电桥相邻的两个桥臂上，此时因温度变化引起的电阻变化ΔR1和ΔRB的作用可相互抵消，从而起到温度补偿的作用。

图4.1.5　单臂电桥温度补偿电路

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电阻应变片式传感器除可测量力外，还可以用于测量荷重、扭矩、加速度、位移等物理量。

图4.1.6所示为加速度传感器。传感器由应变片、基座、弹性悬臂梁和质量块组成。测量时将其固定在被测物上，当被测物体做水平方向加速度运动时，由于质量块的惯性使悬臂梁弯曲变形，通过应变片即可检测出悬臂梁的应变量，当振动频率小于传感器的固有频率时，悬臂梁的应变量与加速度成正比。

图4.1.6　应变式加速度传感器

实训任务1　电阻应变片全桥性能实验

一、实训目的

1.验证全桥的特点和性能。

2.比较单臂、半桥、全桥输出时灵敏度的关系并得出相应的结论。

3.了解全桥测量电路的优点。

二、实训器材

应变式传感器实验模板、应变式传感器、砝码、数显表、±15V电源、±4V电源、万用表。

三、实训内容

1.将电阻应变片接入模板的左上方的R1、R2、R3、R4，注意将受力性质相同的两应变片接入电桥对边，不同的接入邻边。加热丝也接于模板上，可用万用表进行测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω，加热丝阻值为50Ω左右。

图4.1.7　全桥性能实验接线图

2.接入模板电源±15V（从主控台引入），检查无误后，合上主控台电源开关，将实验模板调节增益电位器RW3逆时针调到最大，预热五分钟，再进行差动放大器调零，方法为将差放的正、负输入端与地短接，输出端与主控台面板上数显表输入端Vin相连，调节实验模板上调零电位器RW4，使数显表显示为零（数显表的切换开关打到2V档）。关闭主控台电源。

3.拆掉差放调零的连接线，即将差放正、负输入对地短接的线拆掉。

4.接入桥路电源±4V，调节电桥调零电位器RW1，使数显表显示为0.000。（数显表的切换开关打到2V档）。

5.在应变托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，逐个增加砝码个数，每增加一个砝码读取相应的数显表值，直到10个砝码全部加完。记下实验结果并填入下表，关闭电源。

6.根据上表计算系统灵敏度S3=ΔU/ΔW（ΔU输出电压变化量，ΔW重量变化量）和非线性误差：δf1=Δm/yF·S×100％。式中Δm为输出值（多次测量时为平均值）与拟合直线的最大偏差。yF·S满量程输出平均值，此处为200g。

四、实训思考题

1.如果不考虑应变片的受力方向，结果会怎样？

2.比较单臂、半桥、全桥输出时灵敏度和非线性度，哪个好？