应变电阻式传感器的基本工作原理

应变电阻式传感器的基本工作原理

定义

应变电阻式传感器利用电阻应变效应工作，即导体或半导体材料的电阻值随其机械变形（应变）而变化的现象。当材料受到轴向拉伸或压缩时，其长度和截面积发生变化，导致电阻值改变。

作用

将非电量的应变（或应力）转换为电阻变化，再通过测量电路（如惠斯通电桥）转换为电压或电流信号，从而实现力、压力、位移、加速度等物理量的测量。

工程理解

以金属丝应变片为例：设金属丝原始电阻 $R=\rho \frac{L}{A}$，其中 $\rho$ 为电阻率，$L$ 为长度，$A$ 为截面积。当受到轴向应变 $\epsilon =\frac{dL}{L}$ 时，电阻相对变化满足：

对于金属材料，忽略电阻率变化项，可得近似公式：

其中 $K\approx 1+2\mu$ 为应变灵敏系数（$\mu$ 为材料的泊松比，金属 $K\approx 2$）。

实际应用中，应变片粘贴在弹性元件表面，当弹性元件受力变形时，应变片随同变形并产生电阻变化。通过惠斯通电桥将微弱的电阻变化转换为电压信号，再经放大和处理即可得到应变值。半导体的应变效应类似，但 $K$ 可达 50~200，缺点是温度稳定性较差。