直流电桥的电压输出与应变式传感器原理详解

直流电桥的电压输出在应变式传感器的应用中起着关键作用。当电桥配置有运算放大器且负载电阻接近无穷大（Rg ≈ ∞）时，输出电流Ig非常小，可以近似认为电桥的输出电压反映了电路的开路电压。直流电桥通常分为两种类型：输出对称电桥和电源对称电桥。 输出对称电桥的输出电压计算遵循对称性，而电源对称电桥则是指两个电源端具有相同的电压源。在等臂电桥中，由于两边电阻相等，输出电压为零，但这种平衡状态在实际测量中会被微小的应变或温度变化打破，从而通过应变式传感器测量这些变化。 应变式传感器利用金属的电阻应变效应来实现测量，当金属丝受到外力作用导致机械形变时，其电阻值会发生变化。电阻的灵敏系数取决于材料的特性，如弹性模量E、泊松比μ、压阻系数λ以及应变ε。金属电阻的灵敏系数k0通常包括几何尺寸变化和电阻率变化两部分，金属材料的k0值较大，约为1.7~3.6，而半导体材料则主要受电阻率相对变化影响。 应变片是应变式传感器的核心组件，它由敏感栅（如金属丝、金属箔或薄膜制成）、基底绝缘、覆盖层和引出线组成。金属丝式应变片是最常见的类型，其基本结构包括基片上的电阻丝、覆盖层保护以及连接线。金属丝应变片的电阻率变化较小，但通过测量电阻的变化，可以间接测量到物体的应变。 在实际应用中，应变片可以检测位移、力、力矩、加速度和压力等物理量。它们通常是弹性敏感元件的一部分，当被测对象表面受到微小机械变形时，应变片会随之变形，电阻值也随之变化，这一变化被转换为电信号，用于后续的数据处理和分析。 直流电桥的电压输出是通过巧妙设计的应变式传感器实现对物理量如机械应变的测量，这种技术在许多工程领域，如结构健康监测、机器人技术、航空航天等，都有广泛的应用。通过理解应变片的工作原理、敏感特性以及电桥的连接方式，工程师能够精确地测量和控制各种力学参数。