电阻应变式传感器实现力的检测

【任务分析】

在众多传感器中，有一类是通过电阻阻值的变化来实现非电量的检测目的，它们被称为电阻式传感器，电阻应变式传感器便是其中的一种。电阻应变式传感器主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路几部分组成。利用电阻应变式传感器可以检测机械装置各部分的受力状态，从而实现对力、形变、位移、加速度等参数的检测。

【知识准备】

一、电阻应变式传感器的组成及工作原理

1.电阻应变式传感器的工作原理

导体或半导体材料在外力作用下会产生机械形变，从而使得它的电阻值也随之发生变化，这一物理现象称为应变效应。电阻应变片就是利用这一效应制成的，下面以金属应变片为对象分析电阻应变片的工作原理。

假设金属丝的长度为l，截面积为A，半径为r，电阻率为ρ，则金属丝的电阻值可以表示为

当金属丝在长度方向受外力作用时，ρ，l，r都将发生变化，从而改变金属丝的电阻值。当受外力伸长时，长度增加，截面积减小，电阻值增加；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻值减小。因此，只要测出电阻的变化情况，便可知道金属丝的应变情况。

在实际使用中，将电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测试件的表面。当传感器中的弹性元件或者被测试件受到外力作用产生应变时，电阻应变片也会感受到该变化，并随之产生应变，从而使得应变片电阻值发生变化，通过测量转换电路便可转换为电压或者电流的变化。

值得注意的是，由于被测试件和应变片之间存在蠕变影响，所以，被测件和应变片二者的应变之间是存在差异的，但这种差异不大，在工程上通常可以忽略不计。

2.应变片传感器的结构

电阻应变片的结构如图2-1所示，其中，敏感栅是应变片中把应变量转换成电阻变化量的敏感部分，它是用金属丝或半导体材料制成的单丝或栅状体。引线是从敏感栅引出电信号的丝状或带状导线。

（1）引出线

起着敏感栅和测量电路之间的过渡连接和引导作用，通常取直径为0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。

（2）覆盖层

用纸、胶做成负载在电阻丝上的保护层，起防潮、防蚀和防损等作用。

（3）基底

保持电阻丝固定的形状、尺寸和位置，一般为纸或胶片物质，厚度一般为0.02～0.04mm。

（4）敏感栅

实现应变（长度的相对变化）电阻转换的传感元件，通常由直径0.015～0.05mm电阻丝绕成，图2-1中l表示栅长，b表示栅宽，其阻值一般在100Ω以上。

图2-1　电阻应变片的基本结构

1—引出线；2—覆盖层；3—基底；4—敏感栅

3.应变片传感器的类型

应变片按照敏感栅材料的不同，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。

（1）金属应变片

金属应变片可分为金属丝式、箔式及薄膜式3种结构形式。

金属丝应变片如图2-2（a）所示。它是将金属丝按照图示形状弯曲后用黏合剂贴在衬底上形成的，基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就构成了应变式传感器。其结构简单、价格低、强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高、应力的大批量生产、一次性试验等场合，但有逐渐被箔式取代的趋势。