电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。金属丝式电阻应变片典型的结构如图2-3所示，由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。把应变片粘贴于所需测量的变形物体表面，敏感栅会因被测物体表面变形而导致电阻值改变，测量电阻的变化量便可知变形大小。......
2025-09-29
测量电路：应变传感器的桥式测量方法
【摘要】：电阻应变式传感器测量的应变一般较小，输出电阻的变化也较小，一般为5×10－4～10－1 Ω，要把这样微小的电阻变化测量出来，通常采用桥式测量电路。4个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥测量精确度高；若有桥臂为阻抗时，必须用交流电桥。此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。
电阻应变式传感器测量的应变一般较小，输出电阻的变化也较小，一般为5×10－4～10－1 Ω，要把这样微小的电阻变化测量出来，通常采用桥式测量电路。根据电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥。4个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥测量精确度高；若有桥臂为阻抗时，必须用交流电桥。下面以直流电桥为例进行分析。
1.直流电桥平衡条件
如图2-6所示，对于直流电桥来说，其输出电压为
由式（2-6）可知，若
则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。电桥平衡条件：相对两臂电阻的乘积应相等。
2.电压灵敏度
图2-6 直流电桥
图2-7（a）为直流单臂电桥测量电路，图中E为电源电压，R1为电阻应变片，由应变而产生的相应电阻变化为ΔR1，R2、R3、R4为电桥固定电阻，Uo为电桥输出电压。初始条件下，电桥平衡，Uo＝0。
图2-7 直流电桥测量电路
当应变片产生应变εx时，应变片电阻值变化为ΔR1＝KR1εx，电桥不平衡，其输出电压为
设桥臂比n＝R2/R1，由于ΔR1≪R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1＝R4/R3，则式（2-8）可写为
电桥电压灵敏度可以定义为
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可看出，电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要合理选择。电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。应变片电阻变化一般很小，电桥相应输出电压也很小，需加放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以一般将电桥视为开路，即电桥输出电压与其负载有关。
1）单臂电桥
当E值确定后，由dKU/dn求KU的最大值，由
得n＝1时，KU为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当R1＝R2＝R3＝R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有
由上可知，当电源电压E和电阻相对变化量/RRΔ一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
如图2-7（a）所示，当只有一个桥臂粘贴有应变片时，因受力而产生1RΔ时，输出电压与灵敏度分别为式（2-12）与式（2-13）。
2）半桥双臂
在试件上安装两个工作应变片时，一个受拉，一个受压，它们的阻值变化大小相等、方向相反，接入电桥相邻桥臂，称为半桥双臂差动电路，如图2-7（b）所示。该电桥输出电压为
若R1＝R2＝R3＝R4，ΔR1=ΔR2，则得
由式（2-15）可知，Uo与ΔR1/R1呈线性关系，差动电路无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU＝E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。
3）全桥
若将电桥四臂接入四片应变片，如图2-9（c）所示，即两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的应变片接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。设ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4，且R1＝R2＝R3＝R4，则
此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。
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