电阻应变式传感器

电阻应变式传感器摘要：在非电量式电测法中的一个分类是通过电阻参数的变化来实现测量目的，这类统称为电阻式传感器，应变式传感器就是其中之一，这类传感器主要用来测量物体的受力情况及机械变形等。电阻应变式传感器由电阻应变片、弹性元件、和测量电路组成。关键词：金属电阻应变片；半导体应变片；测量电路。由欧姆定律知，对于长为、截面积为、电阻率为的导体，其电阻若、和均发生变化，则其电阻也变化，对上式全微分，有设半径为的圆导体，=，代入上式，电阻的相对变化为因为则式中——导体的纵向应变。其数值一般很小，常以微应变度量，1=10－6；——材料泊桑比，一般金属=0.3-0.5；——压阻系数，与材质有关；E——材料的弹性模量。上式中，表示几何尺寸变化而引起电阻的相对变化量；表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。金属电阻应变片：对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略，得：电阻丝应变片又称金属丝电阻应变片,其优点是制作方便,应变横向效应大。选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要有：应变片的电阻值、灵敏度、允许电流和应变极限等。市售金属电阻应变片的电阻值已趋于标准化，主要规格有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等，其中120Ω用得最多。半导体应变片：对于半导体应变片，几何尺寸变化引起的电阻变化远小于由材料电阻率变化引起的电阻变化，前者可忽略不计，可得从而可得半导体应变片灵敏度系数为半导体应变片的最突出优点是灵敏度大，Ｓ可达60～150，能直接与记录仪器连接而不需放大器，使测量系统简化。此外，其横向效应小，机械滞后小和体积小。缺点是电阻值和灵敏度的温度稳定性差。当应变较大时，非线性严重。由于受晶向、杂质等因素影响，灵敏度分散度大。测量电路：电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量转换为电信号的结构型传感器。电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器。导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象叫做电阻应变效应。电阻应变片把机械应变信号转换为△R/R后，由于应变量及相应电阻变化一般都很微小，难以直接精确测量，且不便处理。因此，要采用转换电路把应变片的△R/R变化转换成电压或电流变化。其转换电路常用测量电桥。电阻应片的测量电路多采用交流电桥，其原理和直流电桥相似。电阻应变式传感器的应用：传感器的重要性正日益为人们所认识，国内外都已将传感器技术列为优先发展的科技领域之一。而电阻式传感器是把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。普通电阻应变计朝向高精度、使用方便快捷、省力方向发展。随着电阻应变计本身及电子技术的快速发展,对于一般的应力测量要求更加精确、准确、快速以满足人们在各种高效工作中的需求。传感器用电阻应变计要求多功能、高稳定性。电阻应变计是一种把应变信号直接转化成电信号的敏感元件,因而适用于制作各种传感器,电阻应变计式传感器主要用于测力(或称重)、压力、加速度、位移、扭矩等。过去电阻应变计式传感器主要用于试验研究工作,而现在,称重传感器和压力传感器往往用于工业检测以及生产线的称重计量和控制。而且在医学和生物工程等方面的使用也有所增加。特殊环境用电阻应变计的多样化及稳定性的提高。特殊环境一般是指高温低温、核辐射、强磁场等条件。应变式传感器的优缺点：与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点：1、测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2，误差小于1％；2、应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量；3、测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～20％；4、适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。5、便于多点测量、远距离测量和遥测。而其在应用上的缺点主要在于：1、对于大应变有较大的非线性，输出信号较弱；2、只能测量构件的表面应变，无法测量内部应变；3、一个应变片只能测量构件表面一个点沿某个方向的应变，不能进行全域性测量。