摘要：當今時代，感測器技術已形成為電子工業基礎產品的乙個獨立門類，是資訊社會的重要技術基礎，應變式力感測器用作靜態、動態條件下測力或稱重，在我國工業生產過程檢測與控制、自動計量等領域已大量應用。隨著技術進步以及用現代電子資訊技術改造傳統產業的深入，其需求量日趨增加。
關鍵詞：應變式測力感測器；應變式稱重感測器；電阻應變片；電橋；線性度
一、應變式測力與稱重感測器原理：
應變式測力與稱重感測器的工作原理是以應變效應為基礎的。它由彈性體、電阻應變片及若干元器件組成。將四片（或8片） 電阻應變片貼上在彈性體上, 當有負荷作用時, 彈性體在貼片處即產生拉、壓成雙的彎曲應力（或剪應力）, 從而使應變片發生阻值變化, 利用惠斯頓電橋電路就可輸出電訊號（見圖1），感測器的工作原理框圖如圖2 所示。
(一)訊號處理電路
1.轉換電路
應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化，還要把電阻的變化再轉換為電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。通常採用電橋電路實現微小阻值變化的轉換。
2.直流電橋
（1）直流電橋的工作原理
四臂電橋如上圖所示，因為應變片電阻值變化很小，可以認為電源供電電流為常數，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內阻為零，則流過負載電阻的電流為
=0時電橋平衡，則平衡條件為：
若將應變片接入電橋一臂，應變片的阻值變化量可以用檢流計轉換為電流的大小表示（稱偏轉法），也可以用改變相鄰橋臂阻值的方法，使恢復到零（稱零讀法）然後根據相鄰橋臂阻值的變化來確定應變片的阻值變化。
（2）不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度
當電橋後面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋輸出電阻大很多，可以把電橋輸出端看成開路，電橋的輸出式為：
應變片工作時，其電阻變化δr，此時有不平衡電壓輸出。
設橋臂比,由於電橋初始平衡時有，略去分母中的，可得：
電橋靈敏度定義為，可得單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為
顯然，與電橋電源電壓成正比，電源電壓的提高，受應變片允許功耗的限制。與橋臂比有關。當電橋電源電壓一定時，應取何值時，電橋靈敏度最高。
取時，為最大，得，所以時，即，時為最大。
當時，：
上述表示式表明，當電源電壓及電阻相對值一定時，電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小無關。時的電橋，稱對稱電橋，常採用這種電橋的形式。
直流電橋的優點是高穩定度直流電源易於獲得，電橋調節平衡電路簡單，感測器及測量電路分布引數影響小，在測量中常用直流電橋。
（3）電橋的非線性誤差
因為：非線性誤差為：
對於對稱電橋，時：
將按冪級數展開代入，再略去高階量，可得：
可見非線性誤差與成正比。對金屬電阻絲應變片，因為非常小，電橋非線性誤差可以忽略，對半導體應變片，因為靈敏度比金屬絲式大得多，受應變時很大，非線性誤差將不可忽略。
（4）減小非線性誤差常採用的措施
採用差動電橋，在試件上安裝兩個工作應變片，一片受拉，一片受壓，然後接入電橋相鄰臂。電橋輸出電壓為：
設初始時為，，則上式可簡化為：
可見，這時輸出電壓與成一定的線性關係，而且電橋靈敏度比單臂時提高一倍，此外還具有溫度補償作用。
為了提高電橋靈敏度或進行溫度補償，在橋臂中往往安置多個應變片，電橋也可採用四臂差動電橋，與上同理，可得輸出電壓為：
（1）溫度誤差：用應變片測量時，由於環境溫度變化所引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數量級，從而產生很大的測量誤差，稱應變片的溫度誤差，又稱熱輸出。
敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當環境溫度變化時，敏感柵材料電阻溫度係數為，則引起的電阻相對變化為：
試件材料的線膨脹引起的誤差。當溫度變化時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹係數不同，應變片將產生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化：
式中：—應變片靈敏係數；—試件膨脹係數；—應變片敏感柵材料的膨脹係數
因此，由於溫度變化形成總的電阻相對變化為：
相應的熱輸出為：
（2）溫度補償：通常補償溫度誤差的方法有應變片線路補償法，而常用的最好的補償方法是電橋補償法。
如上圖所示，工作應變片安裝在被測試件上，另選乙個其特性與r1相同的補償片，安裝在材料與試件相同的某補償件上，溫度與試件相同，但不承受應變。與接入電橋相鄰臂上，造成與相同，根據電橋理論可知，其輸出電壓與溫度變化無關。當工作應變片感受應變時，電橋將產生相應輸出電壓。
在某些情況下，可以比較巧妙地安裝應變片而不需補償元件並兼得靈敏度的提高。
如下圖測量梁的彎曲應變時，將兩個應變片分貼於上下兩面對稱位置，與特性相同，所以二電阻變化值相同而符號相反。但與接入電橋，因而電橋輸出電壓比單片時增加1倍。當梁上下面溫度一致，與可起溫度補償作用。
電橋補償法簡易可行，使用普通應變片可對各種試件材料在較大溫度範圍內進行補償，因而最為常用。此方法的缺點是不能補償因溫度變化引起的電橋不平衡。
（二）感測器原理例項
舉幾個簡單的例子來說明感測器的原理，如圖所示。
圖3 柱式力感測器原理圖
圖4 梁式力感測器原理圖
上面兩個例子簡單說明了感測器的工作原理，其中圖3是柱式力感測器原理圖。當圓柱裡的應變片受力變形時，、會隨力增加而縮短，同時，外面的電阻會受應力而拉伸。在彈性範圍內，應力與應變成正比關係：
式中：—作用在彈性元件上的集中力；—圓柱的橫截面積。
這個公式說明應力的變化和圓柱體受力的大小和圓柱的橫截面積有關，其中乙個變化應力就隨著變化。
同樣的道理圖4是梁式力感測器的簡易原理圖，彈性元件為一端固定的懸臂梁，力作用在自由端，順著的方向分別貼上，，，電阻應變片。此時，、隨力增加而拉伸，、隨力增加而壓縮，兩者發生極性相反的等量應變，貼上應變片處的應變為：
這種感測器會因受力的變化應力也改變。
上述這兩種感測器具有結構簡單、加工容易、應變片容易貼上、靈敏度高等特點。
電阻應變式感測器的訊號處理電路。
二、應變式測力與稱重感測器的組成結構
感測器亦稱變換器，是將各種非電量（包括物理量，化學量，生物學量等）按一定的規律轉換成便於處理和傳輸的另外一種物理量（一般為電量、磁量等）的裝置，它能把某種形式的能量轉換成另一種形式的能量。感測器一般由敏感元件、感測元件和測量電路3部分組成，有時還需加上輔助電源，其原理如圖所示。
感測器原理框圖
其中：（1）敏感元件直接感受被測物理量，如在應變式感測器中為彈性元件；（2）感測元件將感受到的非電量直接轉換成電量，是轉換元件；（3）測量電路是將感測元件輸出的電訊號轉換為便於顯示、控制和處理的有用電訊號的電路，使用較多的是電橋電路。由於感測器元件輸出的訊號一般較小，大多數的測量電路還包括放大電路，有的還包括顯示器，直接在感測器上顯示出所測量的物理量；（4）輔助電源是供給感測元件和測量電路工作電壓和電流的器件。
（下面具體介紹這幾種元件的效能）
（1）敏感元件：敏感元件是能夠靈敏地感受被測變數並做出響應的元件。例如鉑式電阻能根據感受溫度的公升降而改變其阻值，阻值的變化就是對溫度公升降做出的響應，所以鉑式電阻就是一種溫度敏感元件。
又如彈性膜盒能根據感受壓力的高低而引起形變，形成程度就是對壓力高低做出的響應。因此，彈性膜盒是一種壓力敏感元件。
為了獲得被測變數的精確數值，不僅要求敏感元件對所測變數的響應足夠靈敏，還希望它不受或少受其它環境因素的影響。也就是說，敏感元件的輸出響應最好單值地取決於輸入被測變數。例如箔電阻的阻值除受溫度影響外，也受應力的影響，這就要求用適當的工藝消除應力。
彈性膜盒的形變除取決於壓力變化外，也和環境溫度變化有關，必要時應採取溫度補償措施。敏感元件的輸出響應與輸入變數之間如果是線性關係，當然最便於應用。即使是非線性關係，只要這種關係不隨時間而變化，也可以滿足使用的基本要求；
（2）感測元件：感測器不只是一般的敏感元件，它的輸出響應還應該必須是易於傳送的物理量，所以就要用到感測元件。感測元件是指感測器中能夠將敏感元件感受或響應的被測量轉換成易於傳遞的物理量的部分。
例如彈性膜盒的輸出響應是形變，是微小的幾何量（位移），不便於遠距離傳送；
（3）測量電路：轉換電路是將轉換元件輸出的可用訊號作為輸入，將其進行放大、顯示和記錄的電路。轉換電路的型別和被測量、測量原理以及轉換元件有關，常用的電子器件有電橋、放大器、振盪器、阻抗變換器等。
三、應變式測力與稱重感測器的區別
應變式測力感測器是將壓力這個物理量轉換成電訊號的一種電阻應變式感測器。傳統的應變式測力感測器是一種由敏感柵和彈性敏感元件組合起來的感測器。將應變片用粘合劑貼上在彈性敏感元件上，當彈性敏感元件受到外施壓力作用時，彈性敏感元件將產生應變，電阻應變片將它們轉換成電阻變化，再通過電橋電路及補償電路輸出電訊號。
因具有結構簡單、使用方便、測量速度快等特點而廣泛應用於航空、機械、電力、化工、建築、醫學等諸多領域。
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