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知识分享—应变式传感器

摘要

电阻应变式传感器简称电阻应变计,由基底、覆盖层、 黏结剂、外引线和电阻敏感栅五部分构成。


应变式传感器是以电阻应变片为敏感元件的传感器。1856 年发现应变效应,1936 年成电阻应变计,1940 年发明应变式传感器,目前已成为应用最广泛、最成熟的传感器之一。

应变式传感器与测量电路组成测压、测力、称重以及测位移、加速度、扭矩、温度等多种测试系统,已成为治金、电力、交通、石化及国防等行业不可缺少的信息获取手段。


传感器的工作原理

应变式传感器工作原理是基于电阻一应变效应。所谓电阻一应变效应是指金属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。   

                                       

大多数应变式传感器都是将应变计粘贴于弹性元件表面。弹性元件表面形变通过基底和黏结剂传递给应变计敏感栅。由于基底和黏结剂的弹性模量与敏感栅材料的弹性模量存在差异,弹性元件表面不可能全部均匀地传输到敏感栅。


电阻应变式传感器简称电阻应变计,由基底、覆盖层、 黏结剂、外引线和电阻敏感栅五部分构成,基底是将弹性元件表面应变传递到电阻敏感栅上的中间介质,起到敏感栅和弹性元件之间绝缘作用; 覆盖层起着保护敏感栅的作用,黏结剂是将敏感栅和基底粘接成一体;外引线是连接到外部放大器的测量导线,与其构成测试系统;电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。


概念区分

1. 电阻敏感栅

敏感栅材料对电阻应变计性能起决定性作用,制作应变计选用合金材料有如下要求,

(1) 灵敏系数较高,且在较大应变范围内保持不变。

(2) 电阻率较高且稳定。

(3) 电阻温度系数小,温度系数呈线性关系且重复性好,热稳定性好。

(4) 机械强度高,加工性能和焊接性能良好,与引线接触电阻小。

(5) 抗氧化性能和抗腐蚀性能强。

综合考虑上述材料选用要求,常用敏感顶合金材料包括:

(1) 铜镍合金 〈俗称康铜) ,最常用的是含铜 55% 、含镍 45% 的康铜;

(2) 镍铬合金及镍铬改性合金,镍络合金一般含镍80%含铬20% ;

(3) 铁铬铝合金,一般含铁70% ,含铬25% ,含铝 5% ;

(4) 镍铬铁合金,灵敏系数大,具有高的疲劳寿命和大的电阻温度系数,但不宜在磁场附近使用;  

(5) 铂及铂合金,具有耐酸、耐碱、抗腐蚀性能,高温条件下抗氧化性良好,电阻温度系数的线性度高,灵敏系数大, 一般用于高温动态应变测量场合。



2. 基底

应变计基底的作用是固定应变计的敏感栅,使它保持原有几何形状,电阻敏感栅与弹性元件之间相互绝缘, 应变计基底一般由纸或胶膜材料制成。胶基材料有环氧、缩醛、聚酰亚胺等,玻璃纤维增强基底应变计的长期稳定性好、蠕变小、滞后小、耐热性好、疲劳寿命高,最适于应用在高精度测力或称重的电阻应变式传感器场合 。



3. 覆盖层

应变计覆盖层又称为面胶,是在敏感栅上盖上一层胶膜,经固化处理后制成敏感栅封闭式电阻应变计。覆盖层用来保护敏感栅,使其避免受机械力破坏、防止敏感栅氧化。

材料多采用环氧树脂胶、酚醛树脂胶等。



4. 外引线

应变计的外引线是连接敏感栅与测量电路的丝状或带状金属导线。外引线电阻率稳定且较低,电阻温度系数小。

常用外引线一般采用镀银紫铜丝或铜带,高温外引线一般采用镍、银、铂或铂铬等材料。高疲劳寿命的应变计外引线采用铍青铜材料。外引线与敏感栅的链接方式包括锡焊、电弧焊、点接触焊等。



5. 黏合剂

应变计的黏结剂是在制造应变计时将敏感栅粘贴在基底上, 或在使用应变计时将应变计粘贴在弹性元件上。粘贴应变计时黏结剂所形成的胶层起着重要的作用。它是将弹性元件表面变形传递到应变计的敏感栅上,因此黏结剂性能的优劣直接影响应变计特性, 处理不当会导致蠕变、滞后、非线性,影响特性随时间或温度的变化程度。因此传感器性能好坏除取决于应变计外,还取决于黏结剂质量和应变计粘贴方法是否正确等。


应变式传感器的典型应用

位移传感器是一种测量直线位移或与位移相关物理量的传感器,它可以与二次仪表(应变仪、放大器、数字电压表等) 配套使用进行位移量测试。位移传感器种类繁多,包括电感式、应变式、电容式、电位计式等多种形式。


1. 组合式位移传感器

组合式位移传感器由悬臂梁和弹簧组合而成,其工作原理是: 将两个线性弹性元件〈拉伸弹簧和悬臂梁) 串联,并在矩形截面悬辟梁根部正、反面贴四支应变计,组成全桥电路。拉伸弹簧一端与测量杆连接,当测量杆随试件产生位移时,带动弹簧使悬臂梁根部产生弯曲,由悬臂梁弯曲产生的应变与测量杆的位移/ 成函数关系。

2.悬臂梁式位移传感器

在固定端附件截面的上下表面各粘贴两应变计接成全桥

3、弓形弹性元件位移传感器

测量很小区域内的应变与位移,测量段尺寸可制成4-10mm,用胶粘在被测处,医学测量心肌力用,可将其缝合在心肌上。



应变式传感器


丹麦Eilersen公司成立于1969年,是一家设计、制造高品质称重测力传感器及相关仪表的专业化厂商,在丹麦和瑞士拥有独立的制造基地。