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應(yīng)變式傳感器
來源：作者：日期：2017-12-14 14:56:09點擊：8596次
應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。
目錄
1、應(yīng)變式傳感器的定義
2、應(yīng)變式傳感器的作用
3、應(yīng)變式傳感器的基本特性
4、應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點
5、應(yīng)變式傳感器的工作電流
6、應(yīng)變式傳感器的原理
7、應(yīng)變式傳感器的3種布局
8、應(yīng)變式、壓阻式、壓電式傳感器特性比較
9、應(yīng)變式傳感器的安裝步驟
10應(yīng)變式傳感器的生產(chǎn)廠家三個梯隊
應(yīng)變式傳感器的定義：
在測量構(gòu)件應(yīng)變時，直接將應(yīng)變片黏貼在構(gòu)件上即可。但若要測量力、壓力、加速度等信號，應(yīng)先將這些物理量轉(zhuǎn)變成應(yīng)變，然后用應(yīng)變片測量。比直接測量時多了一個轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換過程的原件通常稱為彈性原件，因此，應(yīng)變式傳感器通常由彈性敏感原件和應(yīng)變計兩部分構(gòu)成。彈性敏感原件是傳感器的核心部件，要求彈性原件彈性儲能高，通常表示為彈性材料儲存變形功而不發(fā)生永久變形的能力。具有良好的機械加工和熱處理性能。具有較強的抗壓強度。受溫度影響小等特性。正確選擇彈性敏感原件及應(yīng)變計橋路是提高應(yīng)變式傳感器的重要途徑，
應(yīng)變傳感器的作用：
應(yīng)變傳感器除了測定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還可知制造成多種應(yīng)變式傳感器，用于測量力、扭矩、加速度、壓力等其他物理量。
應(yīng)變傳感器的基本特性：
基本特性——剛度、靈敏度
剛度——彈性元件受外力作用下變形大小的量度。
靈敏度——單位力作用下彈性元件產(chǎn)生變形的大小。剛度的倒數(shù)。
應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點：
4.1.分辨力高，能測出極微小的應(yīng)變，如1-2微應(yīng)變；
4.2.誤差較小，一般小于1%；
4.3.尺寸小、重量輕。
4.4.測量范圍大，從彈性變形一直可測至塑性變形（1-2%），最大可達20%；
4.5.既可測靜態(tài)，也可測快速交變應(yīng)力；
4.6.具有電氣測量的一切優(yōu)點，如測量結(jié)果便于傳送、記錄和處理；
4.7.能在各種嚴(yán)酷環(huán)境中工作。如從宇宙真空至數(shù)千個大氣壓；從接近絕對零度低溫至近1000℃高溫；離心加速度可達數(shù)十萬個“g”；在振動、磁場、放射性、化學(xué)腐蝕等條件下，只要采取適當(dāng)措施，亦能可靠地工作；
4.8.價格低廉、品種多樣，便于選擇和大量使用。
應(yīng)變式傳感器的工作電流：
絕緣電阻——已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。絕緣電阻越大越好。
最大工作電流——已安裝的應(yīng)變片允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流Imax。工作電流大，敏感度高，但也會使應(yīng)變片過熱，應(yīng)視材料選取不同的電流。
5.1.溫度誤差
應(yīng)變片的溫度誤差——由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。
5.2.電阻應(yīng)變片的溫度補償方法：
5.2.1線路補償法
初始狀態(tài) Uo=A（R1 R4- RB R3）=0
溫度變化后 Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0
承受應(yīng)變后 Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4= AR1R4Kε
5.2.2應(yīng)變片的自補償法
電阻應(yīng)變片的測量電路
應(yīng)變式傳感器的原理：
電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造，它一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上。基底的作用應(yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須作得很薄，一般為0.03-0.06mm，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起。另外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等。紙具有柔軟、易于粘貼、應(yīng)變極限大和價格低廉等優(yōu)點，但耐溫耐濕性差，一般工作溫度低于70℃下采用。為了提高耐濕耐久性和使用溫度，可浸以酚醛樹脂類粘合劑使用溫度可提高至180℃，且時間穩(wěn)定性好，適用于測力等傳感器使用。膠膜基底是由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚脂樹脂和聚酰亞胺等有機粘合劑制成的薄膜，膠膜基底具有比紙更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用溫度可達100-300℃。玻璃纖維布能耐400-450℃高溫，多用做中溫或高溫應(yīng)變片基底。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測量電路相連接，一般由0.1-0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩輸出端相焊接。
應(yīng)變式傳感器的3種布局：
在高端市場主要以跨國公司如Vishay 測量集團、HBM 公司、梅特勒-托利多集團和瑞典Flintec公司等為主，不僅提供高端高質(zhì)量產(chǎn)品，而且還提供各類解決方案。在細(xì)分市場，我國地區(qū)龍頭企業(yè)如中航電測、寧波柯力等，表現(xiàn)極為突出，擁有價格和應(yīng)用等優(yōu)勢，占據(jù)市場主導(dǎo)。在中低端市場，主要以中國、韓國等企業(yè)為主，主要憑借勞動力成本來競爭，但技術(shù)水平尚不能參與全球競爭。
應(yīng)變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。
從細(xì)分市場而言，我國是橋式傳感器的最大生產(chǎn)和銷售基地，占據(jù)全球70%的生產(chǎn)量，主要優(yōu)勢為價格和普及面。鋼制傳感器則主要應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、化工、食品和電力等工業(yè)和高端領(lǐng)域。數(shù)字傳感器則逐漸在全球市場更受歡迎，尤其是隨著智能化程度不斷提升，應(yīng)用也更為廣泛。
應(yīng)變式、壓阻式、壓電式傳感器特性比較：
8.1．應(yīng)變式傳感器
應(yīng)變式傳感器是把力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來進行測量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。應(yīng)變效應(yīng)是導(dǎo)體受機械變形時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。
8.2．壓阻式傳感器
壓阻式傳感器的靈敏度比金屬絲式應(yīng)變片的靈敏度高，其精度好，而且響應(yīng)頻率好，工作可靠。缺點是受溫度影響較大，應(yīng)進行溫度補償壓阻效應(yīng)是物質(zhì)受外力作用發(fā)生變形時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。
8.3．壓電式傳感器
壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機械變形時，在其相對的兩個側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。
壓電式壓力傳感器不能用作靜態(tài)測量，一般用于測量脈動壓力，不能測量靜壓力；
壓電傳感器產(chǎn)生的信號很弱而輸出阻抗很高，必須根據(jù)壓電傳感器的輸出要求，將微弱的信號經(jīng)過電壓放大或電荷放大（一般是電荷放大），同時把高輸出阻抗變換成低輸出阻抗，此信號才能被示波器或其他二次儀表接受。
應(yīng)變傳感器的安裝步驟：
9.1.打磨待測點表面：用砂紙或鋼刷或角磨機等將待測點表面打磨干凈；打磨面積以粘貼基座面為準(zhǔn)，間距150㎜左右（因傳感器標(biāo)距為150mm）；打磨好后，用基座模板放貼上去比一下，看基座模板放上去是否是水平的。如果模板放上去有點翹，用鏟子鏟一下打磨點，調(diào)節(jié)使模板放上去大致能水平。
9.2.粘膠：將兩個基座分別用螺絲固定在模板兩端，在基座底表面捻上粘膠502；
9.3.固定基座：將此模板輕輕扣安在欲測試體表面，約等3~5分鐘，讓粘膠稍微干即可，松揩螺絲，輕取下模板；（在基座四周涂上302膠可以讓基座粘的更牢固）
9.4.至此，用來固定數(shù)碼應(yīng)變傳感器的基座粘貼完成，等待大約30分鐘（粘膠）后，將數(shù)碼應(yīng)變傳感器用螺絲固定在基座上。
9.5.將傳感器用接線電纜連接到R485總線的分線盒上。
應(yīng)變式傳感器的生產(chǎn)廠家三個梯隊：
10.1.第一梯隊以跨國公司為主，如Vishay 測量集團、HBM 公司、梅特勒-托利多集團和瑞典Flintec公司。其中Vishay 測量集團和HBM 公司專注提供一站式解決方案;梅特勒-托利多集團擅長開辟新領(lǐng)域的稱重解決方案;瑞典Flintec公司以產(chǎn)品齊全、技術(shù)領(lǐng)先見長。
10.2.第二梯隊以中航電測、寧波柯力等為代表的地區(qū)龍頭企業(yè)為主，在細(xì)分市場、產(chǎn)品價格及下游應(yīng)用等方面各有所長。
10.3.第三梯隊是中國、韓國等國家的中低端產(chǎn)品生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品主要在國內(nèi)銷售，競爭力主要體現(xiàn)在相對低廉的勞動力成本上，技術(shù)水平相對較低，尚不能參與全球市場競爭。
