应变式传感器的原理及组成结构是怎样的？

好的，应变式传感器是一种将物体微小形变（应变） 转换成电阻变化，进而转化为可测量的电压或电流变化的装置。其核心基于应变电阻效应。

一、工作原理（应变电阻效应）

基本概念： 物体的应变（ε）定义为长度的相对变化（ΔL/L）。
电阻变化： 当一根细长的金属或半导体材料（称为应变片或电阻应变片）随着被测物体发生形变时（被拉伸或压缩），其长度（L）、截面积（A）和材料的电阻率（ρ）都会发生变化。根据电阻公式 R = ρL/A：
- 拉伸（变长）: 长度 L 增加 → 电阻 R 增加；截面积 A 略微减小（泊松效应） → 电阻 R 进一步增加。
- 压缩（变短）: 长度 L 减小 → 电阻 R 减小；截面积 A 略微增大 → 电阻 R 进一步减小。
应变灵敏度系数： 电阻的相对变化 (ΔR/R) 与所受应变 (ε) 的比值，称为应变片的灵敏度系数 (K)： K = (ΔR/R) / ε。
- 金属应变片： K 值通常在 2.0 左右（如康铜、卡玛合金），主要源于尺寸变化（几何效应）。
- 半导体应变片： K 值可高达 100 以上（如硅、锗），其电阻率随应变发生显著变化（压阻效应），是主要的贡献因素。
转换电路： 单个应变片的电阻变化量 ΔR 相对其原始电阻 R 来说非常微小（应变通常很小，ε 常在 1×10⁻⁶ 到 1×10⁻³ 范围内）。为了测量这个微小的变化，通常将一个或多个应变片接入惠斯通电桥电路。电桥能将电阻变化高效地转换为不平衡输出电压的变化 (ΔUout)，这个电压变化与应变（从而与引起应变的外力、压力、扭矩等）成比例关系。

核心总结

形变（应变） → 应变片电阻变化 (ΔR) → 电桥电路 → 输出电压/电流变化 → 标定后得到力、压力、位移、加速度、重量等物理量。

二、组成结构

一个完整的应变式传感器通常包含以下几个关键部分：

敏感元件 - 应变片：
- 敏感栅： 这是核心部分，通常用高电阻率、高应变灵敏度的材料（如康铜、卡玛合金、镍铬合金箔，或硅、锗等半导体）制作成栅格状（如回线形、丝绕形、箔式）或单根细丝状。其电阻值随应变而变化。箔式应变片是目前应用最广泛的形式。
- 基底： 通常是一层很薄的绝缘薄膜（如聚酰亚胺、环氧树脂）。敏感栅被粘贴或沉积在基底上。基底起到固定、支撑敏感栅和绝缘的作用，并帮助将试件的应变传递给敏感栅。
- 覆盖层： 另一层绝缘薄膜覆盖在敏感栅上，保护敏感栅免受机械损伤、防潮、绝缘。
- 引线： 用来将应变片的电阻引出到测量电路的金属线。
- 粘结剂： 用于将应变片牢固地粘贴（常使用环氧树脂等专用胶）到被测试件或传感器的弹性元件表面，确保应变能有效传递。
弹性元件 / 力敏感结构：
- 这不是应变片本身的一部分，但对于构成传感器至关重要。它是一个精密的机械部件（如梁、柱、膜片、筒、环、轴等），由弹性材料（如各种钢材、铝合金等）加工而成。
- 作用：承受被测力（F）、压力（P）、扭矩（T）等物理量，并将这些量转换为自身的微小弹性变形（应变）。
- 应变片必须牢固地粘贴在弹性元件上变形最大或最敏感的部位（应力集中区）。
测量电路（通常是惠斯通电桥）：
- 目的是将微小的电阻变化（ΔR）放大并转换成电压变化（ΔU）。
- 基本形式：
  - 单臂工作（1个应变片作为工作片）： 电路简单，但有明显的非线性误差和温度漂移。
  - 半桥工作（2个应变片作为工作片，通常一个受拉一个受压）： 灵敏度提高一倍（差动工作），可自动补偿温度影响，也能提高线性度。
  - 全桥工作（4个应变片作为工作片）： 灵敏度最高（通常为单臂的4倍），温度补偿效果最好，线性度最优，是最常用的形式（如压力传感器、称重传感器）。
- 电桥平衡： 未受力时，精心布置的应变片（或补偿片）使电桥输出电压为零或一个很小的初始值。
- 电桥输出： 受力后，应变片电阻变化破坏电桥平衡，产生与外力成正比的输出电压。
信号调理电路：
- 放大器： 电桥的输出电压信号通常非常微弱（毫伏级），需要高性能的仪表放大器进行放大。
- 滤波器： 滤除电路噪声和高频干扰。
- 温度补偿： 应变片的电阻也会随温度变化（称为热输出）。传感器设计中会采用温度补偿片（贴在不受力但处于相同温度环境的元件上）或电桥布置（半桥、全桥）来抵消或大幅减少温度变化带来的误差。
- 线性化电路： （可选）对非线性信号进行修正。
- 供桥电源： 为电桥提供稳定的直流或交流激励电压（Vex）。
外壳、支撑结构与防护：
- 外壳： 保护内部元件免受外部物理损伤、环境影响（如灰尘、湿气）和电磁干扰。
- 支撑结构： 确保传感器能被正确地安装、定位，并能稳定地承受被测载荷。
- 密封： 对于压力传感器或潮湿、腐蚀性环境，外壳需要可靠的密封。
- 电缆与接头： 连接传感器与外部测量仪表或数据采集系统。

总结

应变式传感器的核心在于利用应变片将物体的微小形变（应变） 转换为电阻变化。该电阻变化通过精心设计的惠斯通电桥电路被有效地转换为可测量的电压信号。为了构成一个实用、精确且稳定工作的传感器，还需配合设计合理的弹性元件来感受外力并产生应变，以及包含放大器、滤波器、温度补偿等功能的信号调理电路。所有部件都集成在结构牢固、防护性良好的外壳中，并通过连接件输出测量信号。

这种传感器凭借结构相对简单、成本适中、精度高、测量范围广、性能稳定可靠等优点，在称重、压力/力测量、扭矩测量、加速度测量、位移测量以及土木工程结构监测等领域得到广泛应用（例如电子秤、压力变送器、称重平台、应变片式加速度计等）。