应变片（Strain Gauge）简介

应变片是一种用于测量物体应变（形变）的传感器，其原理是基于电阻随形变变化的效应（压阻效应）。当被测物体发生拉伸或压缩时，应变片的电阻值会相应改变，通过测量电阻变化即可计算出应变值。

应变片的基本结构

1. 敏感栅（Grid）

   • 由金属箔（如康铜）或半导体材料（如硅）制成，呈迂回形状以增大敏感区域。

2. 基底（Substrate）

   • 通常为聚酰亚胺或环氧树脂，用于固定敏感栅并绝缘。

3. 引线（Leads）

   • 连接敏感栅与测量电路（如惠斯通电桥）。

工作原理

• 应变-电阻关系：
  应变片的电阻变化（ΔR）与应变（ε）成正比，关系式为：

  ΔRR=K?ε

  • RR：初始电阻（通常为几十欧至几千欧）。

  • KK：应变系数（Gauge Factor），金属箔应变片 K≈2K≈2，半导体应变片 K≈50?200K≈50?200。

  • εε：应变值（无量纲，通常以微应变με为单位，1 με = 10??）。

• 测量电路：
  通常采用惠斯通电桥，将电阻变化转换为电压信号，以提高灵敏度并补偿温度影响。

应变片的功耗

应变片的功耗（PP）主要由其工作电压和电阻决定，计算公式为：

其中：

• VV：激励电压（通常为1–10V）。

• RR：应变片电阻（如120Ω、350Ω等）。

影响功耗的关键因素

1. 激励电压（VV）

   • 功耗与电压平方成正比，提高电压可增强信号，但会增大功耗和自热效应。

   • 典型电压：1–5V（低功耗应用可能低至0.5V）。

2. 应变片电阻（RR）

   • 电阻越大，功耗越低（如350Ω比120Ω更省电）。

3. 工作模式

   • 静态测量：持续通电，功耗较高。

   • 动态/间歇测量：周期性供电（如PWM激励），可大幅降低平均功耗。

4. 环境温度

   • 温度升高可能导致电阻变化，间接影响功耗稳定性。

5. 电路设计

   • 使用低功耗放大器、高输入阻抗ADC可减少电流需求。

功耗优化方法

1. 降低激励电压：在信号可检测范围内选择电压。

2. 选择高阻值应变片：如350Ω或1kΩ，减少电流。

3. 间歇供电：仅在采样时通电（适用于低速测量）。

4. 桥路优化：采用半桥或全桥配置，提高灵敏度以减少电压需求。

5. 温度补偿：避免因温漂导致额外功耗。

典型应用场景

1. 力学测量：

   • 应力分析（桥梁、飞机结构）。

   • 称重传感器（电子秤、工业衡器）。

2. 医疗设备：

   • 力反馈手套、假肢压力检测。

3. 汽车电子：

   • 发动机扭矩测量、碰撞测试。

总结

• 应变片的功耗主要由激励电压和电阻值决定，需权衡信号质量与能耗。

• 在低功耗设计中，可通过降低电压、间歇供电或选择高阻值应变片来优化。

• 半导体应变片（高K值）虽灵敏度高，但功耗和温漂较大，需谨慎选用。