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应变式传感器

电阻式应变式传感器

应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。

基本描述
利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器
主要用途
测量力、力矩、压力、加速度、重量等
原理
电阻应变片的基本构造如图1，它一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，它实际上是一个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。因此它必须作得很薄，一般为0.03-0.06mm，使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起。另外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基底材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等。纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大和价格低廉等优点，但耐温耐湿性差，一般工作温度低于70℃下采用。为了提高耐湿耐久性和使用温度，可浸以酚醛树脂类粘合剂使用温度可提高至180℃，且时间稳定性好，适用于测力等传感器使用。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂、聚脂树脂和聚酰亚胺等有机粘合剂制成的薄膜，胶膜基底具有比纸更好的柔性、耐湿性和耐久性，且使用温度可达100-300℃。玻璃纤维布能耐400-450℃高温，多用做中温或高温应变片基底。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.1-0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接。
在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化是与试件应变成比例的，因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变量的大小。
特性
种类及结构
种类：常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片两种。
基本特性
几个概念——变形、弹性变形、弹性元件
基本特性——刚度、灵敏度
刚度——弹性元件受外力作用下变形大小的量度。
灵敏度——单位力作用下弹性元件产生变形的大小。刚度的倒数。
灵敏系数
定义K=(ΔR/R)/εt为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εt)之比。
注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数，这是因为在单向应力产生应变时，应变片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。
横向效应
结果：应变片的灵敏度比电阻丝的灵敏度要小
解决办法：多采用箔式应变片
工作电流
绝缘电阻——已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。绝缘电阻越大越好。
最大工作电流——已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，敏感度高，但也会使应变片过热，应视材料选取不同的电流。
温度误差
应变片的温度误差——由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。
电阻应变片的温度补偿方法：
（1）线路补偿法
初始状态　Uo=A（R1 R4- RB R3）=0
温度变化后　Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0
承受应变后　Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4= AR1R4Kε
（2）应变片的自补偿法
电阻应变片的测量电路
应用
1.
2.
优点
应变式传感器具有很多优点：
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。
研发
2023年，莫斯科电子技术大学与莫斯科国立谢切诺夫第一医科大学科研人员合作，开发了两组应变式传感器：触觉传感器和可拉伸传感器。这种传感器可用于制造“电子皮肤” 。
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