电阻应变片,应变式传感器的原理
定义:电阻应变片也称电阻应变计,简称应变片或应变计,是由敏感栅等构成用于测量应变的元件。它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化。电阻应变片是由Φ=0.01-0.05mm的康铜丝或镍铬丝绕成栅状(或用很薄的金属箔腐蚀成栅状)夹在两层绝缘薄片中(基底)制成。用镀银铜线与应变片丝栅连接,作为电阻片引线。再此基础上制作的传感器,称作应变式传感器或者电阻应变式传感器。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。
基本构造如图:
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。敏感栅用特殊胶将其固定在基底上。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,适用于测力传感器如以前的压力传感器,现在的称重传感器使用等,并且精度较高一般可达到0.02%或者0.03% 。
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。
原理:电阻应变片的测量原理为:金属丝的电阻值除了与材料的性质有关之外,还与金属丝的长度,横截面积有关。将金属丝粘贴在构件上,当构件受力变形时,金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化,进而发生电阻变化。
dR/R=Ks*ε 其中,Ks为材料的灵敏系数,其物理意义是单位应变的电阻变化率,标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变,为无量纲的量,但习惯上仍给以单位微应变,常用符号με表示。由此可知,金属丝在产生应变效应时,应变ε与电阻变化率dR/R成线性关系,这就是利用金属应变片来进行测量构件应变的理论基础。
测量:在测试时,将应变片用特殊的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,因此如果通过一定的激励电压供电,测量线路则将这种电阻变化转换为毫伏电压,在通过放大器把信号放大则此时输出就是电压或者电流,不断变化,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。由此基础上研制了不同规格的应变式传感器,如压力传感器,称重传感器,扭矩传感器等力学传感器等。
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%),*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**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。