电阻应变片式传感器的应用场景分析

1.应变式力传感器

当被测物理量为荷重或力时的应变式传感器，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体的承载状况监测等。

应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。

（1）柱（筒）式力传感器

图2-11（a）（b）分别为柱式、筒式力传感器。应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-11（c）（d）所示，其中，R1和R3串联，R2和R4串联，并置于桥路对臂上，以减小弯矩的影响；横向贴片R5和R7串联，R6和R8串联，用做温度补偿，接于另两个桥臂上。

图2-11　柱（筒）式力传感器

（2）环式力传感器

如图2-12（a）所示为环式力传感器的结构图。与柱式传感器相比，应力分布变化较大，且有正负之分，如图2-12（b）所示。

图2-12　环式力传感器

对于R/h＞5的小曲率圆环，可用式（2-32）及式（2-33）计算出A、B两点的应变。

式中，h为圆环的厚度，b为圆环的宽度，E为材料的弹性模量。这样，测出A、B两点的应变，即可得到载荷F。

2.应变式容器内液体重量传感器

如图2-13所示为插入式测量容器内液体重量传感器示意图。该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，共安装了两只；下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。若将两个传感器Rt的电桥接成正向串联的双电桥电路，则输出电压为

式中，K1，K2为传感器的传输系数。

图2-13　应变片容器内液体重量传感器

由于hρg表征着感压膜上面液体的重量，对于等截面的柱式容器，有

式中，Q为容器内感压膜上面溶液的重量；A为柱形容器的截面积。

将上两式联立，得到感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为

式（2-36）表明，电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。

3.应变式加速度传感器

应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a＝F/m。(www.xing528.com)

图2-14所示为应变式加速度传感器的结构示意图，等强度梁1的自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴4个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统的阻尼系数，在壳体内充满硅油。

图2-14　应变式加速度传感器的结构图

1—等强度梁；2—质量块；3—壳体；4—电阻应变敏感元件

测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。

提　醒

应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10～60Hz。

拓展阅读

1.金属电阻应变片的材料

对电阻丝材料应有如下要求：

①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；

②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；

③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；

④与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势小；

⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。

康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使温度系数保持在±50×10－6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。

2.应变片的粘贴

应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘结力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。

粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。应变片的粘贴工艺主要有以下几步（见图2-15）：

①去污。采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

②贴片。在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。

③测量。从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断处有无坏的应变片。

④焊接。将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

⑤固定。焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

图2-15　应变片的粘贴工艺