前言
---电阻应变片能把感受到的力转换为电阻变化，再通过测量电路把电阻变化转化为电压变化。电阻应变式传感器具有测量范围广、精度高、误差小和线性特性好等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重量等测试中有非常广泛的应用。测力传感器常用的弹性敏感元件有柱式、悬臂梁式、环式和框式等，可根据实际使用情况选取合适的敏感元件，本文要讨论的是柱式弹性敏感元件在测试力时的应用情况。西普电气接近开关光电开关
应变式传感器常用的测量电路有单臂电桥、差动半桥和差动全桥，其中差动全桥可提高电桥的灵敏度，消除电桥的非线性误差，还可消除温度误差等共模干扰。一般在测量中都用4片应变片组成差动全桥，应变片粘贴位置的不同会影响测量的灵敏度和非线性误差，必须合理选取应变片的粘贴位置来提高测量精度。

应变片粘贴位置的选取选取应变片粘贴位置时，要把4片应变片中的两片粘贴在最大正应变处，另两片放在负的最大应变处，这样可获得最大的灵敏度。
当采用如图1所示的实心柱式弹性敏感元件，分析在自由端受力时梁感受到的应变情况。在受力为F时，在圆柱体的轴向感受到的应变为最大正应变，其值可由式（1）得到。
（1）
式（1）中，εx为圆柱体感受到的轴向应变，设压缩为正，F为施加在圆柱体上的压力，E为材料弹性模量，A为圆柱体的截面积。
而在圆柱体的环向感受到的应变为最大负应变，其值可由式（2）得到。
（2）西普电气接近开关光电开关
式（2）中，εθ为圆柱体感受到的环向应变，设压缩为正，μ为材料的泊松比。
由以上分析可知，圆柱体轴向就是最大正应变处，圆柱体的环向即为最大负应变处。贴片时，在轴向贴两片应变片，在环向贴另两片应变片，可获得最大的灵敏度，贴片方法如图1所示。
把轴向贴的应变片R2和R3接到测量电桥中的相对桥臂上，把在环向贴的应变片R1和R4接到测量电桥的另一相对桥臂上，组成差动全桥电路，可获得最大的灵敏度，另外还可以减小非线性误差和温度误差等，采用的电桥结构如图2所示。

非线性误差分析和改进措施西普电气接近开关光电开关
当施加作用力F时（压缩），感受环向应变的电阻R1和R4的阻值发生变化，如式（3）所示。
（3）
式（3）中，R0为应变片的初始电阻值，K为应变片的灵敏系数。
此时，感受轴向应变的电阻R2和R3也发生变化，如式（4）所示。
（4）
当采用图2所示的全桥差动电路进行测量时，输出电压可由式（5）得到。
（5）
从式（5）中可以看出，电桥输出电压与被测力并不是线性关系，想获得较大的线性测量范围，就要减小KF（1－μ）的值。可采用两种方法，一是测量较小的力，二是在满足使用要求的情况下，尽量选取泊松比大的材料。
另外，在实际测量中，被测力不可能正好沿着圆柱体的轴线作用，而总是与轴线之间有微小的角度或偏心，使得弹性体除了受纵向力作用以外，还受到横向力和弯矩的作用，带来非线性误差。为了消除横向力的影响，可采用图3所示的承弯膜片结构。
图3 所采用的结构为在传感器刚性外壳上端面加一片极薄的膜片。由于膜片在平面方向刚度很大，所以作用在膜片平面内的横向力就经过膜片传递到外壳或底座，在垂直于平面方向的膜片刚度很小，所以沿柱体轴向的变形正比于被测力。这样，膜片就承受了绝大部分横向力和弯曲，消除了对测量精度的影响。

提高灵敏度的措施
为提高应变传感器的测量灵敏度，可采用8片相同的应变片，其中4片沿着轴向粘贴，另外4片沿着环向粘贴，如图4所示。
采用8片应变片组成应变式测力传感器，相比4片应变片组成的电桥结构，可提高灵敏度1倍左右，还可以提高传感器测量的线性特性。
由式（5）可知，要想提高传感器的灵敏度，可以在满足使用要求的情况下减小横截面积。但要考虑横截面积减小时，其抗弯能力减弱，对横向干扰的敏感程度增加。为了解决这一矛盾，在测量小集中力时，可以采用空心圆筒或承弯膜片，因为与实心圆柱体相比，空心圆筒在相同横截面积的情况下，横向刚度大，横向稳定性好。
另外，弹性圆柱体的高度对传感器的精度和动态特性都有影响，当高度与外径的比值大于1时，沿其中间断面上的应力状态和变形状态与其端面上作用的载荷性质和接触条件无关，在实际应用中，一般采用圆柱体的高度为外径的2倍。

采用轮辐结构提高精度西普电气接近开关光电开关
使用应变式传感器测量力时，可以采用轮辐结构弹性元件来减小非线性误差，提高灵敏度，其结构如图5所示。
轮辐式测力传感器由轮圈、轮轱、轮辐条和应变片组成。轮辐条成对且对称地连接轮圈和轮轱，当外力作用在轮轱的上端面或者下端面时，矩形轮辐条就产生平行四边形变形，形成与外力成正比的切应变。8片应变片与辐条水平中心成45°角，分别粘贴在4根辐条的正反两面，并接成差动全桥测量电路，当被测力作用在轮轱端面上时。沿辐条对角线缩短方向的应变片受压，电阻值减小，沿辐条对角线伸长方向的应变片受拉，电阻值增加，并且电桥的输出电压与被测力之间具有良好的线性特性。且由于是按照剪切力作用原理设计的，力作用点位置的精度对传感器测量精度影响不大。轮辐和轮圈的刚度很大，因此过载能力很强，线性测量范围比较宽。