一、应变片是什么？

1.1 定义

应变片（Strain Gauge）是一种将机械应变（形变）转换为电信号的传感元件，通常采用电阻应变效应原理。它的核心元件是一段电阻丝（或薄膜），当其随材料发生微小变形时，电阻值也会随之变化。

1.2 构造组成

• 敏感栅线：采用金属箔或半导体材料，几何布置成栅格状；

• 基底材料：通常为聚酰亚胺、环氧等具有一定柔性的绝缘基材；

• 保护层：用于防水、防尘、防腐蚀。

1.3 工作原理

应变片基于电阻应变效应：当导体或半导体受到拉伸或压缩时，其长度、横截面积及电阻率均会发生变化，从而引起电阻值的微小变化：

$$\Delta R = R \cdot G_f \cdot \varepsilon$$ΔR=R⋅Gf⋅ε

其中：

• $\Delta R$ΔR：电阻变化值

• $R$R：初始电阻

• $G_f$Gf：应变灵敏系数（通常为2左右）

• $\varepsilon$ε：应变量（通常为10⁻⁶数量级）

二、应变片的典型应用场景

• 桥梁/建筑结构健康监测

• 飞机机翼应力分布检测

• 工业机械负载测试

• 压力传感器（应变式传感器）核心元件

• 材料力学性能测试

三、应变片功耗的来源分析

3.1 功耗主要来自激励电源

应变片本身并不“消耗电力”，它只是一个电阻元件，真正产生功耗的是它作为电桥中的一部分，在通电激励下工作的电阻热耗（焦耳热）。常见的应变片测试中，使用惠斯登电桥（Wheatstone Bridge）结构，通过向桥路提供激励电压来检测微小电阻变化。

3.2 功耗计算公式

应变片功耗可近似计算为：

$$P = \frac{V^2}{R}$$P=RV2

其中：

• $P$P：功耗（瓦特，W）

• $V$V：桥路激励电压（通常为3~10V）

• $R$R：应变片电阻值（常见为120Ω、350Ω等）

例：激励电压为5V，电阻为120Ω时，

$$P = \frac{5^2}{120} \approx 0.208W$$P=12052≈0.208W

这个功率虽然不高，但在多通道阵列或电池供电系统中会迅速累加，影响系统续航。

四、应变片功耗与哪些因素有关？

4.1 激励电压大小

激励电压越高，功耗越大。虽然高电压能提高信号输出幅度和信噪比，但也会带来更多热量和能量损耗。若用于电池供电的无线应变测量，建议使用较低激励电压（如3V以下）。

**优化建议：**根据应用场景选择合适电压，权衡信噪比与功耗。

4.2 应变片电阻值

电阻值越小，在相同电压下电流越大，功耗也越高。常用阻值有：

• 120Ω（高灵敏度，但功耗大）

• 350Ω（功耗较低）

• 1000Ω（超低功耗应用）

**优化建议：**若对精度要求不高，优先选用350Ω或更高电阻应变片。

4.3 激励方式：恒压 vs 恒流

• 恒压激励：常用，但在温度漂移下可能出现测量误差；

• 恒流激励：在某些环境下可稳定应变输出，但容易引起局部加热。

**优化建议：**恒压适用于普通测量，恒流适用于温度敏感场合，功耗要做热平衡计算。

4.4 采样频率与工作时间

• 连续工作 vs 间歇采样；

• 高频采样 vs 低频采样。

长时间持续工作会带来累计能量消耗，而很多应变监测任务并不需要高频采样。

**优化建议：**使用低功耗MCU+断续激励+定时唤醒策略，极大降低功耗。

4.5 信号调理电路设计

应变片信号一般微弱（mV级），需放大、滤波等前端处理。若未优化放大电路（如使用高功耗仪表放大器、线性稳压器等），也会间接提高系统总功耗。

**优化建议：**使用低功耗仪表放大器（如INA333）、低功耗LDO或DC-DC，提高电源转换效率。

五、低功耗应变测量系统设计建议

六、结语

应变片作为一种高精度应变检测元件，虽然结构简单、工作稳定，但其功耗受激励电压、电阻值、工作模式等多种因素影响。尤其在现代无线传感系统和低功耗监测应用中，应变片功耗控制不容忽视。通过合理选择应变片型号、激励方式、采样策略和信号调理电路，可以显著提升系统续航性能与测量稳定性。