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电阻应变式传感器
阅读:25584时间:2011-05-12 22:45:57

  电阻应变式传感器(straingauge type transducer )以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应,即在外力作用下产生机械形变,从而使电阻值随之发生相应的变化。

工作原理

  电阻应变式传感器工作原理是基于电阻应变效应原理。用金属电阻丝制作成电阻应变片,将其粘贴在弹性体上。测量时,当弹性体受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化。

  电阻应变效应:

  一段金属电阻丝长度为L,横截面为S,电阻率记作ρ,材料的泊松系数是μ。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为:

  R = ρL/S(Ω)

  其中:L-金属导线长度 S-金属导线横截面积 ρ-电导率(不同材料电阻率不同)

  当金属导线两端受拉力F伸长变形。设其伸长ΔL,横截面积则缩小,它的截面圆半径减少Δr。金属电阻丝在变形后,电阻率也会有所改变,这种现象称为电阻应变效应。

  将变形后电导率记作Δρ,对式(2-1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,其电阻值改变了多少。我们有;

  ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S ?CΔSρL/S2 (2-2) 用式(2-1)去除式(2-2)得到

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L ?C ΔS/S (2-3) 另外,我们知道导线的横截面积 S =πr2,则 Δs = 2πr*Δr,所以;

  ΔS/S = 2Δr/r (2-4)

  从材料力学我们知道: Δr/r = -μΔL/L (2-5)

  其中,负号表示伸长时,半径方向是缩小的。μ是表示材料横向效应泊松系数。把式(2-4)(2-5)代入(2-3)。

  ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L =(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L = K *ΔL/L (2-6)

  其中:K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2-7)

  在材料力学中ΔL/L称作为应变,记作ε,用它来表示弹性往往显得太大,常常把它的百万分之一作为单位,记作με。

  这样,式(2-6)常写作:

  ΔR/R = Kε (2-8)

  式(2-6))说明了电阻应变片的电阻变化率和电阻丝伸长率之间的关系。

发展历史

  电阻应变式传感器,早在上世纪30年代末,由美国E.Simmons和A.C.Ruge制造出批应变计以后不久,在40年代初(1944年)就发明了粘贴式电阻应变传感器。至今已有半个多世纪的发展历史。其间,几乎每间隔10年就出现一次质的飞跃。

  40、50年代,是传感器早期发展阶段。当时弹性材料、纸基丝式应变计以及粘结剂均处于发展研究阶段,其性能还不完善。因此,电阻应变式传感器的准确度、稳定性都不能满足测量技术的要求。

  自50年代,箔式电阻应变计问世后,应变计的温度特性和粘结剂的力学性能都得到改善,使传感器的温度影响及蠕变影响有了明显抑制,精度提高了约一个数量级。

  在60年代中期,传感器进入了测量领域。从60年代末到80年代初的10余年中,由于与传感器性能密切相关的各项技术所取得的突破性进展,使电阻应变式传感器获得了前所未有的高速发展。

  80年代以后,随着加工工艺、粘贴工艺等的技术进步,使传感器的准确度、可靠性大大提高,在测量技术领域里得到了广泛应用,成为应变电测技术中的重要组成部分。现在,传感器已由单纯作为转换元件而发展成为多功能、智能化的信息测量元件。特别是微电子和微机械技术发展,必将给的传感器发展带来更广阔的空间。

优缺点

  电阻应变式传感器的优点:

  精度高,测量范围广,寿命长,结构简单,频响特性好,能在恶劣条件下工作,易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

  电阻应变式传感器缺点:

  对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

分类

  1.应变式测力传感器

  2.应变式压力传感器

  3.应变式扭矩传感器

  4.应变式位移传感器

  5.应变式加速度传感器

  6.测温应变计

应用

  电阻应变式传感器有两个方面的应用:

  1.作为敏感元件,直接用于被测试件的应变测量

  2.作为转换元件,通过弹性元件构成传感器,用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量

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