电阻应变式传感器的应用,测力传感器

电阻应变片在非电量的电测技术中，除了能测定试件的应变和应力外，还可以把应变片贴到传感器的受力结构（弹性元件）上制成各种应变式传感器，从而测量应变以外的物理量，如力、扭矩、位移、压力和加速度等。下面仅以力、位移应变式传感器为例加以介绍。

1.测力传感器

测力传感器常用弹性敏感元件将被测力的变化转换为应变量的变化。弹性元件的形式有柱式、悬臂梁式、环式等多种。其中柱式弹性元件，可以承受很大载荷。如图2.2-7（a）所示，应变片粘贴于圆柱面中部的四等分圆周上，每处粘贴一个纵向应变片和一个横向应变片，将这8个应变片接成图2.2-7（b）的全桥线路。当柱式弹性元件承受压力后，圆柱纵向应变为ε，各桥臂的应变分别为

式中 ε——为桥臂中两串联应变片的纵向应变的平均值，负号表示压应变，正号表示拉应变；

　　 εt——由于温度变化产生的应变。

其输出应变（详细推导参见桥路分析一章）为

上式表明，采用图2.2-7的贴片和接线后，测力传感器的输出应变为纵向应变的－2（1＋μ）倍。

又由于将圆周上相差180°的两个应变片接入一个桥臂，可以减少载荷偏心造成的误差。同时，消除了由于环境温度变化所产生的虚假应变，提高了测量的灵敏度和精度。

2.位移传感器

它与测力传感器的原理基本相同，但要求弹性元件有较大的刚度。位移传感器的弹性元件同样可以采用不同的形式，如梁式、弓形、弹簧组合式等。

梁式弹性元件的位移传感器，适于测小位移，弓形弹性元件的位移传感器常用来测量材料的机械性能。它们在测量大位移时，都会出现失真，而弹簧组合式位移传感器，可以测量大位移。

图2.2-7　柱式弹性元件

图2.2-8　弹簧组合式位移传感器

弹簧组合式位移传感器的结构原理如图2.2-8所示。当测点位移传递给测杆后，测杆带动弹簧，使弹簧伸长，并使悬臂梁产生弯曲变形。因此，测点的位移为弹簧伸长量和悬臂梁自由端位移之和，即

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式中 x1——悬臂梁自由端的位移；

　　 x2——弹簧的伸长量。

如悬臂梁的刚度为K1，弹簧的刚度为K2，则悬臂梁上的作用力为

弹簧上的作用力为

由于二力相等，则

将上式代入式（2.2-12）得

可见，若选K2＜＜K1时，能使悬臂梁的端点位移很小，而测量的位移却很大，还能保持很好的线性关系。

如果在悬臂梁固定端附近的上下表面，各粘贴两个应变片，并接成全桥线路，由力学公式可得到其自由端位移x1与输出应变ε的关系为

式中 l——悬臂梁的全长；

　　 l0——悬臂梁固定点到应变片中心处的距离。

代入式（2.2-14）可得被测位移x与输出应变ε之间的关系为

应变片式传感器由于具有重复性好，线性好，滞后小，灵敏度温度系数小等优点，因而在航空、国防、科研及各工业部门得到了广泛的应用。但是，因输出量小，动态频率不太高，功率也很微弱，使其在某些高精度、远距离传输场合的应用受到一定的限制。