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采用应变传感器进行力测量的优势和劣势

日期: 2018-06-06
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    本文首先介绍了应变传感器工作原理、组成及优点,其次介绍了采用应变传感器进行力测量的优势和劣势,最后介绍了四种常用的应变传感器。


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。 

 

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。


采用应变传感器进行力测量的优势和劣势

优势

1、与力传感器相比,应变传感器的价格要低得多,尤其与大力值传感器相比。

2、应变传感器不会影响系统的刚度。因此,机器的动态特性不会受到影响。

3、大力值传感器需要一定的空间来进行安装。这意味着,测量系统的整体结构将会产生改变。

劣势

1、与力传感器相比,应变传感器的精度要低得多。

2、应变传感器在安装后需要进行校准,校准过程中需要一个力传感器,例如 C6A等。然后进行信号比对,来将应变转化为力值。当然也可采用一个已知重量的物体进行校准。显然,应变传感器的精度不可能超过校准过程的精度。


常用的应变传感器

1、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)。

2、应变管式

又称应变筒式。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。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强,在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。

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、组合式

在组合式应变压力传感器中,弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。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。


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