摘要
電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計,由基底、覆蓋層、 黏結劑、外引線和電阻敏感柵五部分構成。
應變式傳感器是以電阻應變片為敏感元件的傳感器。1856 年發現應變效應,1936 年成電阻應變計,1940 年發明應變式傳感器,目前已成為應用最廣泛、最成熟的傳感器之一。
應變式傳感器與測量電路組成測壓、測力、稱重以及測位移、加速度、扭矩、溫度等多種測試系統,已成為治金、電力、交通、石化及國防等行業不可缺少的信息獲取手段。
傳感器的工作原理
應變式傳感器工作原理是基于電阻一應變效應。所謂電阻一應變效應是指金屬絲的電阻值隨其變形而發生改變的一種物理現象。
大多數應變式傳感器都是將應變計粘貼于彈性元件表面。彈性元件表面形變通過基底和黏結劑傳遞給應變計敏感柵。由于基底和黏結劑的彈性模量與敏感柵材料的彈性模量存在差異,彈性元件表面不可能全部均勻地傳輸到敏感柵。
電阻應變式傳感器簡稱電阻應變計,由基底、覆蓋層、 黏結劑、外引線和電阻敏感柵五部分構成,基底是將彈性元件表面應變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質,起到敏感柵和彈性元件之間絕緣作用; 覆蓋層起著保護敏感柵的作用,黏結劑是將敏感柵和基底粘接成一體;外引線是連接到外部放大器的測量導線,與其構成測試系統;電阻敏感柵可以將應變量轉換成電阻變化。
概念區分
1. 電阻敏感柵
敏感柵材料對電阻應變計性能起決定性作用,制作應變計選用合金材料有如下要求,
(1) 靈敏系數較高,且在較大應變范圍內保持不變。
(2) 電阻率較高且穩定。
(3) 電阻溫度系數小,溫度系數呈線性關系且重復性好,熱穩定性好。
(4) 機械強度高,加工性能和焊接性能良好,與引線接觸電阻小。
(5) 抗氧化性能和抗腐蝕性能強。
綜合考慮上述材料選用要求,常用敏感頂合金材料包括:
(1) 銅鎳合金 〈俗稱康銅) ,最常用的是含銅 55% 、含鎳 45% 的康銅;
(2) 鎳鉻合金及鎳鉻改性合金,鎳絡合金一般含鎳80%含鉻20% ;
(3) 鐵鉻鋁合金,一般含鐵70% ,含鉻25% ,含鋁 5% ;
(4) 鎳鉻鐵合金,靈敏系數大,具有高的疲勞壽命和大的電阻溫度系數,但不宜在磁場附近使用;
(5) 鉑及鉑合金,具有耐酸、耐堿、抗腐蝕性能,高溫條件下抗氧化性良好,電阻溫度系數的線性度高,靈敏系數大, 一般用于高溫動態應變測量場合。
2. 基底
應變計基底的作用是固定應變計的敏感柵,使它保持原有幾何形狀,電阻敏感柵與彈性元件之間相互絕緣, 應變計基底一般由紙或膠膜材料制成。膠基材料有環氧、縮醛、聚酰亞胺等,玻璃纖維增強基底應變計的長期穩定性好、蠕變小、滯后小、耐熱性好、疲勞壽命高,最適于應用在高精度測力或稱重的電阻應變式傳感器場合 。
3. 覆蓋層
應變計覆蓋層又稱為面膠,是在敏感柵上蓋上一層膠膜,經固化處理后制成敏感柵封閉式電阻應變計。覆蓋層用來保護敏感柵,使其避免受機械力破壞、防止敏感柵氧化。
材料多采用環氧樹脂膠、酚醛樹脂膠等。
4. 外引線
應變計的外引線是連接敏感柵與測量電路的絲狀或帶狀金屬導線。外引線電阻率穩定且較低,電阻溫度系數小。
常用外引線一般采用鍍銀紫銅絲或銅帶,高溫外引線一般采用鎳、銀、鉑或鉑鉻等材料。高疲勞壽命的應變計外引線采用鈹青銅材料。外引線與敏感柵的鏈接方式包括錫焊、電弧焊、點接觸焊等。
5. 黏合劑
應變計的黏結劑是在制造應變計時將敏感柵粘貼在基底上, 或在使用應變計時將應變計粘貼在彈性元件上。粘貼應變計時黏結劑所形成的膠層起著重要的作用。它是將彈性元件表面變形傳遞到應變計的敏感柵上,因此黏結劑性能的優劣直接影響應變計特性, 處理不當會導致蠕變、滯后、非線性,影響特性隨時間或溫度的變化程度。因此傳感器性能好壞除取決于應變計外,還取決于黏結劑質量和應變計粘貼方法是否正確等。
應變式傳感器的典型應用
位移傳感器是一種測量直線位移或與位移相關物理量的傳感器,它可以與二次儀表(應變儀、放大器、數字電壓表等) 配套使用進行位移量測試。位移傳感器種類繁多,包括電感式、應變式、電容式、電位計式等多種形式。
1. 組合式位移傳感器
組合式位移傳感器由懸臂梁和彈簧組合而成,其工作原理是: 將兩個線性彈性元件〈拉伸彈簧和懸臂梁) 串聯,并在矩形截面懸辟梁根部正、反面貼四支應變計,組成全橋電路。拉伸彈簧一端與測量桿連接,當測量桿隨試件產生位移時,帶動彈簧使懸臂梁根部產生彎曲,由懸臂梁彎曲產生的應變與測量桿的位移/ 成函數關系。
2.懸臂梁式位移傳感器
在固定端附件截面的上下表面各粘貼兩應變計接成全橋
3、弓形彈性元件位移傳感器
測量很小區域內的應變與位移,測量段尺寸可制成4-10mm,用膠粘在被測處,醫學測量心肌力用,可將其縫合在心肌上。
應變式傳感器
丹麥Eilersen公司成立于1969年,是一家設計、制造高品質稱重測力傳感器及相關儀表的專業化廠商,在丹麥和瑞士擁有獨立的制造基地。