电阻应变式传感器的基本定义及工作原理

 技术帮助     |      2018-12-07

1、电阻应变式传感器基本定义

电阻应变式传感器是一种用金属弹性体将力转换为电信号的功能元件。它通过粘贴在弹性体敏感表面的电阻应变计及其以一定方式组成的电桥电路,在外加电源的激励下,实现力-应变-电阻-电信号变化四个转换环节转化的一种力敏感传感器。由于电阻应变式传感器必须通过一定形态的机械构件来实现力的传递,通过电阻应变计来实现电信号的传递,从而达到力的测量,因此,电阻应变式传感器被人们称为机电一体化器件。

2、电阻应变式传感器基本分类

人们对电阻应变式传感器的命名各种各样,根据其结构形式,应变式传感器可分为:平膜片式、平行梁式、柱式、桥式、悬臂梁式、双梁式、轮幅式、压力环式、板环式等。根据其用途可以分为:测力传感器、称重传感器、压力传感器、引伸计、位移传感器、扭矩传感器、速度传感器、高度传感器、加速度传感器等。

3、电阻应变式传感器应变式传感器的组成 

电阻应变式传感器主要由弹性体、应变计、补偿电路、电缆线、密封材料等几部分组成,下面对这几部分的功能加以简单描述:

  • (1)弹性体:力的采集元件,是应变式传感器的基本构成部件;
  • (2)应变计:将力信号转换为电阻值变化的敏感元件,是构成应变式传感器的心脏元件;
  • (3)补偿电路:用于对传感器的零点,输出灵敏度等基本参数进行修正,以满足产品标准和用户使用要求,是构成传感器的必要部分;
  • (4)电缆线:用于将应变计采集的信号输出的载体,是构成传感器的必须部分;
  • (5)密封材料:为保护传感器的性能满足设计要求,适应外界环境的变化,刷涂,粘贴或封灌在传感器敏感栅上的一些材料,主要目的是防止外界的灰尘,潮气和有害气体侵蚀传感器,对产品性能造成影响和破坏。

4、电阻应变式传感器的电路原理 

电阻应变式传感器是通过弹性体来实现力的传递,通过粘贴于弹性体上的应变计阻值的变化来实现力-电信号转换,通过惠斯登电桥的放大作用将信号输出。


 

图 1电阻应变式传感器的基本电路图

图1是典型的惠斯登电桥,其计算分析过程为: U=U0 R3/(R2+R3)-U0R4/(R1+R4)

 =U0[R3(R1+R4)-R4(R2+R3)]/(R1+R4)(R2+R3)

 =U0(R1·R3-R2·R4)/(R1+R4)(R2+R3)

对其微分:

△U/U0 =(△ R 1/R1-△R2/R2+△R3/R3-△R4/R4)/4

根据应变计原理:Kε= △R/R

△U/U0 =(Kε 1-Kε2+Kε3-Kε4)/4=K(ε1+ε3-ε4-ε2)/4

在上式中:U为传感器输出电压;U0 传感器输入电压,即供桥电压;R1、R2、R3、R4 分别为各桥臂应变计标称电阻值;K为电阻应变计的灵敏系数;ε即为粘贴应变计处弹性体的应变量。如果R1=R2=R3=R4=R,那么 ε1=ε3=-ε4=-ε2=ε,则传感器输出△U/U0 =Kε。

以上可以看出,应变式传感器的输出灵敏度△ U/U0是与输入电压无关的,只与弹性体的应变有关,单位为mV/V。