概览

PCB 应变片通过创新的结构设计，将 PCB 转化为敏感元件，在成本、集成度和易用性上具有优势，适用于DIY项目、教育及中精度工业场景。其核心在于利用 PCB 形变的压阻效应，结合电桥和信号调理电路实现高性价比的应变测量。

本设计灵敏度足以测量微米范围内的偏转，而满量程偏转范围为 +/- 3 厘米。

该电路板可与集成微控制器（Seeed Studio XIAO RP2040）独立使用，也可通过接头引脚与外部微控制器连接使用。

外部 ADC（U5）可以省略，模拟电压可以直接在 “OUT ”引脚上采样。

也可以省略偏置电压发生器（U8、U4），方法是在 U8 的引脚 2 和 3 之间放置一根跳线。这样做的结果是，在没有施加力的情况下，输出端会有可测量的电压。

基本原理

1. 压阻效应

   PCB上的导电铜箔在受力变形时，其几何形状（长度、横截面积）发生变化，导致电阻值改变。这一现象称为压阻效应，是PCB应变片的核心原理。

2. 惠斯通电桥

   项目中采用四元件全桥电路（或两元件半桥），将四个应变电阻对称布置在PCB上。当PCB弯曲时，部分电阻拉伸（阻值增大），另一部分压缩（阻值减小），电桥失衡产生差分电压。这种设计能放大微小信号并补偿温度漂移。

3. 信号调理与放大

   电桥输出的微弱电压（通常在微伏至毫伏级）通过运算放大器（如仪表放大器）放大，再经ADC转换为数字信号，由微控制器处理（如Seeed Studio XIAO RP2040）。

技术特点

1. 集成化设计

   • 传感元件直接集成在PCB上，无需额外粘贴传统应变片，简化结构。

   • 可定制形状（如弧形或特定几何结构），通过项目中的 draw_footprint.ipynb 生成优化轮廓。

2. 灵敏度与量程

   • 灵敏度达微米级变形检测，全量程覆盖±3厘米位移。

   • PCB厚度（推荐0.6mm）影响灵敏度：更薄则灵敏度高但易损，更厚则反之。

3. 温度补偿

   • 四元件全桥配置可抵消温度变化引起的共模干扰。

   • 两元件半桥版本（strain_gauge_3_rotated）进一步降低热漂移和制造误差。

4. 低功耗与易用性

   • 支持外部或板载ADC，可省去偏置电路（需软件校准静态偏移）。

   • 手工焊接友好，无需专业设备（如回流焊）。

原理图 & PCB

仓库 & 下载

可以在Github中获取开源仓库：
https://github.com/vapetrov/PCB_strain_gauge