应变传感器的组成及分类_应变式传感器工作原理介绍

屈育成 2018-02-08 76694

传感器

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描述

　　一、应变式传感器简介

　　应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。

　　二、应变传感器工作原理

　　应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件（感知应变）上粘贴电阻应变敏感元件（将应变转换为电阻变化）构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式传感器可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。

　　应变是物体在外部压力或拉力作用下发生变形的现象，当外力去除后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状的应变称为弹性应变，具有弹性应变特性的物体称为弹性元件。电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。

　　三、应变式传感器组成

　　（1）敏感栅敏感栅是应变片的核心部分，感受应变，并将应变转变为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式3种。

　　（2）基底基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用。基片的绝缘性要好，否则，应变片的微小变化就要漏掉。基底一般由薄纸、胶质膜等组成。

　　（3）粘结剂粘结剂用于敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。

　　（4）覆盖层覆盖层具有保护应变片的作用，同时防湿、防腐蚀和除尘。

　　（5）引线引线用于连接电阻丝与测量电路，输出电参量。

应变压力传感器

　　四、常见的金属应变片

　　常见的金属应变片有金属丝式应变片、金属箔式应变片以及金属薄膜应变片等。

　　（1）丝式应变片是一根金属丝按图示形状弯曲后用胶黏剂贴于衬底，衬底用纸或有机聚合物等材料制成，电阻丝的两端焊有引线，电阻丝的直径为0.012～0.050mm。丝栅状的电阻丝可以作成V、U、H形状。U型——弯头呈半圆型，制造简单，但易产生“横向效应”误差。V、H型——可以减小“横向效应”误差。

　　（2）金属箔式应变片是在绝缘基底上，利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003～0.01mm。其优点是线栅尺寸准确、均匀，电阻值离散程度小，可以制成任意形状；尺寸小（0.2mm），厚度薄（0.003～0.01mm），可挠性好；蠕变小，疲劳寿命高；散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。缺点是电阻值的分散性大。

　　（3）金属薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。缺点是具有负电阻温度系数，温度稳定性差。

应变压力传感器

　　五、应变式传感器优点

　　1、分辨力高，能测出极微小的应变，如1-2微应变；

　　2、误差较小，一般小于1%；

　　3、尺寸小、重量轻。

　　4、测量范围大，从弹性变形一直可测至塑性变形（1-2%），最大可达20%；

　　5、既可测静态，也可测快速交变应力；

　　6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、记录和处理；

　　7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个大气压；从接近绝对零度低温至近1000℃高温；离心加速度可达数十万个“g”；在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；

　　8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。

应变压力传感器

　　六、应变压力传感器的四大常见分类

　　压力传感器不仅在生产测量中应用广泛，在我们日常生活中也常常可见，现在大多数交通工具中都有安装压力传感器，很多人知晓汽车上有压力传感器，其实即使是常见的普通摩托车上也是有压力传感器的存在。而应变式压力传感器是压力传感器中应用较多的一种传感器，一般用来测量较大的压力，广泛应用于测量管道内部压力、内燃机燃气的压力、压差和喷射压力、发动机和导弹试验中的脉动压力，以及各领域中的流体压力等。

　　1.组合式

　　组合式应变压力传感器中，其弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。其中，感受元件把压力转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。实际上，较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。

　　感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、环形梁、薄壁筒等。它们之间可根据不同需要组合成多种型式。应变式压力传感器主要用来测量流动介质动态或静态压力，例如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、内燃机管道压力等等。

　　2.膜片式

　　它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计（见电阻应变计）则能最大限度地利用膜片的应变效果，这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。

　　3.应变梁式

　　测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁，两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。

　　4.应变管式

　　应变管式亦称应变筒式，它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接。在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片，另一半作为测量应变片。当没有压力时4片应变片组成平衡的全桥式电路；当压力作用于内腔时，圆筒变形成“腰鼓形”，使电桥失去平衡，输出与压力成一定关系的电压。

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