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1 相关知识
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2 实训2-1
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3 实训2-2
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4 实训2-3
电阻应变式传感器（Resistance strain-gage transducer）的基本原理是将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电阻式传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定、灵敏度高和测量速度快等优点，被广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等领域，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。
1.应变效应
导体或半导体材料在受到外界力的作用时，会产生机械变形，从而导致其电阻值发生变化，这种现象称为应变效应。
图2-2 电阻应变效应示意图
当金属电阻丝受到外力作用时, 电阻丝长度、横截面积、电阻率均发生改变，故引起电阻值的变化。实验证明，在金属电阻丝的拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比。
（2-2)
式中：K—金属电阻丝的灵敏度； ε—金属电阻丝的轴向应变。
金属电阻丝的灵敏度受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化，另一个是受力后材料的电阻率发生的变化。
金属材料（导体）的灵敏度主要是以材料几何尺寸的变化为主，灵敏度较小，一般都在1～2之间。半导体材料则相反以电阻率变化为主，所以灵敏度比金属材料大几十倍。
2.电阻应变片的测量原理
将直径为0.01～0.05mm、高电阻率的金属电阻丝排列成栅网状，粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜（保护用），电阻丝两端焊有引出线。图中电阻丝应变片的有效工作部分，称为线栅，L为线栅的长度，b为线栅的宽度。
图2-3 电阻丝应变片的结构示意图
1—基片 2—直径为0.025mm左右高电阻率的合金电阻丝 3—覆盖层 4—引线，用以和外接导线连接
用应变片测量试件的应变或应力时，首先将电阻应变片贴在试件表面，在外力作用下，试件产生微小机械变形，应变片随之发生变形，导致应变片电阻发生变化。
(2-3）
F—试件的受力；
ε—试件的应变；
E —试件材料的弹性模量;
A—试件的横截面积。
3.电阻应变片的种类结构
常用的应变片可分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。金属电阻应变片根据敏感栅的不同可以分为丝式、箔式和薄膜式三种。
箔式电阻应变片
金属丝式应变片最早使用的电阻应变片，有纸基和胶基之分。金属丝式应变片由于蠕变较大、金属丝易脱胶，已经逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。
金属箔式应变片的线栅采用电阻率较高，热稳定性好的铜镍合金（康铜）通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.001～0.005mm）。金属箔式应变片的线栅的尺寸正确、 线条均匀，一致性好，并且可根据需要制成任意形状，再加上线栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 便于批量生产, 生产效率高，所以被广泛使用。
金属薄膜式应变片是采用真空蒸镀技术, 在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜, 再加上保护层制成的。 其优点是灵敏度高, 允许通过的电流密度大, 工作温度范围广的特点。
半导体电阻应变片则是用锗或硅等半导体材料作为敏感栅，灵敏度较大，机械滞后小、频率响应快，电阻值变化范围较宽，容易小型化；但是热稳定性差，测量误差较大。
半导体应变片
4.应变片的测量转换电路
由于电阻应变片的电阻值变化一般都很小（5×10-4～10-1Ω），要把微小电阻值的变化精确的用欧姆表测量出来非常困难。实际使用时，我们通常采用不平衡电桥的测量微小的电阻值变化。
当RL→∞（开路）时,电桥的输出电压U0应为：
电桥平衡条件：
R1˙R4= R2˙R3
图2-5 直流电桥测量电路（a）
为了获得最大的电桥输出，常采用全等臂电桥（R1=R2=R3=R4=初始值）。当产生应变时，若应变片电阻值变化分别为△R1、△R2、△R3和△R4，当每个桥臂的电阻变化量△Ri《Ri时，且各桥臂应变片的灵敏度相同时，电桥输出电压可以用下式表示：
（2-5）
在实际使用时，四个桥臂的应变片R1、R2、R3
和R4不可能严格相等，所以在未受力时，电桥的
输出电压不一定为零，所以在直流电桥中设有调
零电路，如图2-5（b）所示。调节Rp可使电桥平
衡，输出电压为零，图中的R5为限流电阻。
图2-5 直流电桥测量电路（b）
单臂电桥
单臂电桥就是将电桥中的一个桥臂为应变片，其余三个桥臂为固定电阻。如图2-6（a）所示， R1为应变片，R2、R3和R4为固定电阻，当应变片受力后产生的电阻变化量为ΔR1时，电桥的输出电压为
（2-6） 
图2-6 (a)单臂电桥
双臂电桥（半桥）
将两个应变相反的应变片（即一个应变片被拉伸，一个应变片被压缩，应变符号相反）接入电桥的相邻臂中，其余两个桥臂为固定电阻，就构成了双臂电桥（半桥）。若两个应变片ΔR1=-ΔR2， R1=R2，电桥输出电压U0为：
（2-7）
图2-6 (b)双臂电桥
全桥
将四个桥臂均为应变片，并且其中的两个应变片被拉伸，另两个应变片被压缩，两个应变符号相反应变片的接入相领臂，就构成全桥电路，如图2-6（c）所示。若满足△R1=-△R2=△R3=-△R4，R1=R2=R3=R4的条件，则输出电压为：
（2-8） 
图2-6 (c) 全桥
对比三种工作方式的输出电压，可以看出全桥工作方式的输出灵敏度最高，是双臂电桥（半桥）的两倍，单臂电桥的四倍。
在应变片实际使用时，温度的变化也会引起应变片电阻值的变化，造成一定的测量误差。为了消除温度变化引起的测量误差，电阻应变片的测量转换电路需要进行温度补偿。采用双臂电桥（半桥）或者全桥工作方式时，温度引起应变片的电阻值变化ΔRt相同，代入（2-7）或者（2-8）后，ΔRt可以相互抵消，实现温度自补偿。
