电阻应变式传感器的应用与发展

电阻应变式传感器的应用与发展引文传感器是一种在工程应用上极为常见的重要器件，它是指那些对被测对象的某一确定的信息具有响应与检出功能，并使之按照一定规律转换与之对应有用输出信号的元器件或装置。传感器是一个完整的测量系统，它能把被测非电量转换成与之有确定对应关系的电量输出，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。电阻应变式传感器一种是利用电阻应变片将应变转化为电阻变化的传感器。当弹性体（敏感元件）受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形。应变片再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。工作原理电阻应变式传感器的工作原理是电阻应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化的物理现象。当一个金属电阻丝受轴向应力作用被拉伸时，假设它的长度变化Δl、面积变化ΔA、电阻率变化Δρ、泊松比μ，电阻丝的应变灵敏度系数k0的表达式可以写为：k其中1+2μ是由材料的几何尺寸变化引起的，而∆ρρε结构与分类电阻应变计也称为电阻应变片，主要由敏感栅、基底和盖层、粘结剂和引出线四部分组成。电阻应变计的种类很多，分类方法也很多：以敏感栅的材料分类，可以分为金属、半导体及金属或金属氧化物浆料等三类；以安装方式可分为粘贴式、焊接式和喷涂式三类；以使用温度范围可分为低温、常温、中温以及高温应变计等；以基底材料分类可分为纸基、胶基、玻璃纤维增强基、金属基底以及临时基底等。研究现状与前景优点与缺点与其他测量手段相比，电阻应变片有以下优点：测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测1～2，误差小于1％；应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响较小，既可用于静态测量，又可用于动态测量；测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～20％；适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用；便于多点测量、远距离测量和遥测。而其在应用上的缺点主要在于：对于大应变有较大的非线性，输出信号较弱；只能测量构件的表面应变，无法测量内部应变；一个应变片只能测量构件表面一个点沿某个方向的应变，不能进行全域性测量。发展现状自1930年电阻应变片初次出现以来，至今已有80年历史。经过多年的研究与实践，电阻应变式传感器的设计与计算等基本技术已经趋于成熟，目前它的的发展侧重于工艺研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程化设计和规模化生产工艺等方面寻求突破，例如在结构与工艺设计中引入计算机拟实技术和虚拟技术，在稳定处理中移植振动时效、共振时效新工艺，在测试检定中创造自动快速检测和动态比对方法等。同时，应用技术研究也有很大进展，例如传感器模块的组件化设计，能够“即插即用”，可减少由于偏重、热效应影响，偶然超载等引起的称重误差，并可承受由于振动、冲击、搅拌或其它外力引起的偏重。前景展望随着电子计算机技术及有限元计算方法的发展，以及各种新型传感器的开发，有些人认为电阻应变技术已趋老化。而事实上，由于材料科学的进步，电阻应变传感器的核心部分，即电阻应变计的制作材料与工艺仍在不断地发展，而其测量方法已十分成熟，因此电阻应变传感器在科研与工业上仍有广阔的应用前景。纵观目前国内外的应变计市场，电阻应变式传感器今后的发展呈现以下几种趋势：普通应变计朝向高精度、使用方便快捷省力方向发展；传感器用应变计要求多功能、高稳定性；特殊环境用应变计的多样化和稳定性的提高。总之，小型化、集成化、多功能化和智能化将是电阻应变式传感器的重要特点和未来发展趋势。应用分析应用领域电阻应变片式传感器由于结构简单，性能稳定，灵敏度较高，一直以来都被广泛应用于工程测量和科学实验中。由于电阻应变片式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数，一般较常见的应变式传感器有称重传感器、压力传感器、加速度传感器以及位移传感器等。除了以上几种典型应变传感器之外，近年来，电阻应变技术在医学、生物学方面的应用也取得了很大突破。譬如某些新型的心率检测装置，它不直接接触人体，通过测量心脏跳动对人体产生的微弱震动信号，利用压力传感器转换为电信号，经由放大模块等信号处理电路，再通过串行接口输出到PC机中进行预处理，最终应用改进的心律检测算法提取出受试者的心率。应用实例BHR-8M是由上海自动化仪表股份有限公司生产的一款电阻应变式称重传感器。它的精度较高，适配性能好，性价比高。以下是它的部分工作参数。灵敏度：1mV/V非线性：A级±0.2%ROB级±0.1%RO滞后误差：A级±0.2%ROB级±0.1%RO重复性误差：0.1%RO桥路电阻：320Ω激励电压：最高10V（AC或DC）最高12V（AC或DC）工作温度：－10～＋55℃温度零点变化：A级±0.2%RO/10℃B级±0.1%RO/10℃允许过载能力：20%RL水密性：0.02Mpa（BLR－8M）注：RO为额定输出（激励电压＝10V），RL为额定负荷（测试时g＝9.80665m/s2）参考文献马西秦.自动检测技术.机械工业出版社,2008年百度百科：词条“电阻应变式传感器”互动百科：词条“应变式称重传感器”毕思武.浅谈电阻应变式称重传感器灵敏度及其补偿与调整.技术交流,2009年第38卷第9期肖斌高振玲.从应变计现状看电阻式传感器的前景.华北航天工业学院学报,2000年6月第20卷第2期曾敏.电阻应变片的选择与应用.南京信息工程大学学年论文,2005年12月肖旸.基于电阻应变式传感器的测力系统.湖北第二师范学院学报,2010年2月第27卷第2期刘丹,高彬,郑一畅.电阻应变式称重传感器原理及故障分析检测.广西轻工业,2010年8月第8期杨艳,安盼龙,赵瑞娟.电阻应变式传感器的研究.物理与工程,2010年第20卷第2期郭菲,李青,HYPE