电阻应变式力传感器通常通过测量物体受力后产生的应变(形变)来间接测量力的大小。应变式传感器内部的关键部件是应变电阻,它根据弹性体应变的程度改变其电阻值的桥式平衡。为了从应变式传感器输出的电流或电压信号中推算出力的大小,可通过校准过程来确认传感器输出与所受力之间的关系。
可参考下列简化模型来计算:
假设应变式力传感器输出的电压或电流与应变(ε)之间呈线性关系,并且应变(ε)与所受的力(F)也呈线性关系(这在力传感器的弹性范围内通常是近似的)。
首先,我们需要一个校准公式来确定应变(ε)与所受力(F)之间的关系。通常由力传感器的制造商提供,或通过校准过程确定。简化的关系可能是:
ε = k_ε × F
其中 k_ε 是应变-力的比例常数,单位是每单位力的应变。
然后,需要通过一个关系式来描述应变电阻(R)的电阻变化(ΔR)与应变(ε)之间的关系。这通常也是线性的:
ΔR = k_R × ε
其中 k_R 是电阻-应变的比例常数,单位是每单位应变的电阻变化。
再后,我们需要知道如何将电阻变化(ΔR)转换为电压或电流变化(ΔV 或 ΔI)。通常由惠斯通电桥等电路实现,其中电阻变化会导致桥路输出电压的变化。假设有一个电压输出的惠斯通电桥,并且桥路电压变化(ΔV)与电阻变化(ΔR)之间的关系是线性的:
ΔV = k_V × ΔR
将以上三个关系式结合起来,我们可以得到力(F)与输出电压(ΔV)之间的关系:
ΔV = k_V × k_R × k_ε × F
令 K = k_V × k_R × k_ε,则:
ΔV = K × F
这就是将应变式传感器输出的电压转换为力的计算公式。
例如:
假设有一个应变式力传感器,其校准数据给出 k_ε = 2×10^-6 / N(每牛顿的应变),k_R = 2 Ω/ε(每应变的电阻变化),并且桥路电压变化与电阻变化的关系是线性的,k_V = 1 V/Ω(每欧姆的电压变化)。现在,如果我们测量到传感器的输出电压变化为 10 mV,那么所受的力 F 是多少?
ΔV = 10 mV = 0.01 V
K = k_V × k_R × k_ε = 1 V/Ω × 2 Ω/ε × 2×10^-6 / N = 4×10^-6 V/N
F = ΔV / K = 0.01 V / (4×10^-6 V/N) = 2500 N
因此,所受的力 F 约为 2500 牛顿。请注意,这只是一个简化的计算案例,实际应用中可能需要更复杂的模型和校准过程。