电阻应变计式传感器

2.6　电阻应变计式传感器

2.6.1　原理和特点

综上所述，电阻应变计有两方面的应用:一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作简接测量。用作传感器的应变计，对照表2-4的性能指标，应有更高的要求，尤其非线性误差要小（＜0.05%～0.1%F.S），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。

应变计式传感器有如下应用特点:

（1）应用和测量范围广。用应变计可制成各种机械量传感器，如测力传感器可测10^-2～10⁷N，压力传感器可测10³～10⁸Pa，加速度传感器可测到10³级

（2）分辨力（1με）和灵敏度高，尤其是用半导体应变计，灵敏度可达几十毫伏每伏；精度较高（一般达1%～3%F.S，高精度达0.1%～0.01%F.S）。

（3）结构轻小，对试件影响小；对复杂环境的适应性强，易于实施对环境干扰的隔离或补偿，从而可以在高低温、高压、高速、强磁场、核幅射等特殊环境中使用；频率响应好。

（4）商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。

因此，目前传感器的种类虽已繁多，但较高精度的传感器仍以应变计式应用最普遍。它广泛用于机械、冶金、石油、建筑、交通、水利和宇航等部门的自动测量与控制或科学实验中；近年来在生物、医学、体育和商业等部门亦已得到开发应用。

2.6.2　应变计式传感器

1.测力传感器

应变计式传感器的最大用武之地还是称重和测力领域。这种测力传感器的结构由应变计、弹性元件和一些附件所组成。视弹性元件结构型式（如柱形、筒形、环形、梁式、轮幅式等）和受载性质（如拉、压、弯曲和剪切等）的不同，它们有许多种类，其基本的结构类型如表2-7所示。

表2-7　测力传感器的基本类型及特性

续表2-7

图2-22为一种典型的称重传感器的结构示意图。其弹性元件设计成如表2-7图（a）所示的筒形结构。4片（或8片）应变计采用差动布片和全桥接线，如图2-23所示。这种布片和接桥的最大优点是可排除载荷偏心或侧向力引起的干扰。当弹性元件受偏心力F作用时，产生的应力可分解为压应力和弯应力，如图2-23（b）。因此，各应变计感受的应变ε_i为相应的压（拉）应变ε_Fi与弯应变ε_Mi之代数和，即

图2-22　称重传感器结构示意图

1—承载头；2—上盖；3—压环4—弹性体；5—应变计；6—外壳7—螺孔；8—导线插头

ε_i＝ε_Fi＋ε_Mi

代入式（2-30）可得传感器的输出为

由于　代入上式得

可见，偏心力的干扰被排除了。

图2-23　克服偏心力影响的布片和接桥

（a）布片；（b）应力分布；（c）接桥

2.压力传感器

压力传感器主要用来测量流体的压力。视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分。

单一式是指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。膜片式应变压力传感器的结构、应力分布及布片，与下节固态压阻式传感器雷同。图2-24为筒式应变压力传感器。图中（a）为结构示意；（b）为材料取E和μ的厚底应变筒；（c）为4片应变计布片，工作应变计R₁、R₃沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变计R₂、R₄贴在筒底外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁的周向应变为:

图2-24　筒式应变压力传感器

（a）结构示意；（b）应变筒；（c）应变计布片

1—插座；2—基体；3—温度补偿应变计；4—工作应变计；5—应变筒

对厚壁筒

对薄壁筒

组合式压力传感器则由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管）和应变弹性元件（如各种梁）组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变计。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使应变计具有良好的工作环境。

图2-25　非粘贴型应变压力传感器

1—膜；2—导杆；3—宝石柱；4—电阻丝（R₁R₃）；5—支座；6—十字叉梁；7—电阻丝（R₂R₄）

图2-25为非粘贴型应变压力传感器，它的弹性体由弹性膜片和十字叉梁组合而成。应变计即为绕在绝缘（宝石）柱上的上下两组电阻丝，并施以一定的预紧力。当弹性元件变形时，上下电阻丝随之有差动变形和输出。非粘贴型应变计无需基底和粘结剂，因此这种传感器滞后和蠕变极微，分辨力极高。缺点是制造复杂。

3.位移传感器

应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。

图2-26（a）为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于较大位移（量程＞10～100mm）的测量。其工作原理如图2-26（b）所示。

图2-26　YW型应变式位移传感器

（a）传感器结构；（b）工作原理

1—测量头；2—悬臂梁；3—弹簧；4—外壳；5—测量杆；6—调整螺母；7—应变计

设拉伸螺旋弹簧的直径为D，圈数为n，弹簧丝径为d₀，切变模量为G；悬臂梁长度为l，宽度为b，厚度为h，弹性模量为E；4片应变计布贴在距悬臂梁根部距离为a处的正、反面。拉伸弹簧一端与测量杆相连，另一端与悬臂梁端相连。当测量杆随被测件产生位移d时，它带动弹簧，使悬臂梁弯曲变形，其弯曲应变与位移d成线性关系。由于测量杆位移d为悬臂梁端部位移量d₁和螺旋弹簧伸长量d₂之和。由材料力学可知，位移量与贴片处应变ε之间的关系为

上式表明:d和ε成线性关系，其比例系数K与悬臂梁尺寸、材料特性参数有关；ε通过4片应变计和应变仪测得。

4.其他应变式传感器

利用应变计除可构成上述主要应用传感器外，还可构成其他应变式传感器，如通过质量块与弹性元件的作用，可将被测加速度转换成弹性应变，从而构成应变式加速度传感器。如通过弹性元件和扭矩应变计，可构成应变式扭矩传感器，等等。应变式传感器结构与设计的关键是弹性体型式的选择与计算、应变计的合理布片与接桥。通过上述应变计工作原理及典型传感器应用介绍，读者可以举一反三，进一步扩大其应用和开发新的结构形式。