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应变式传感器与力和力矩传感器的工作原理

发布:合肥力智  发布日期:2013-05-26

 

应变式传感器原理

    应变式传感器是基于应变效应。应变效应是指金属丝电阻值随其形变而发生变化的物理现象。物理学中,金属丝的阻值R与其长度l成正比,与其截面积S成反比,比例系数为电阻率口。其表达式可以看出,影响K。有两个因素,第一项是金属丝受力后几何形状发生变化所引起的,第二项是由于金属丝自由电子的活动能力发生变化引起的,该项无法用解析式表示,只能依靠实验求出。对于金属材料和半导体材料的电阻率应变效应原理有所不同,但结果相近。

    通过以上原理分析可知,电阻丝受外力引起轴向应变,致使电阻值成比例地变化,通过转换电路可将电阻值变化转化成电信号输出,这就是应变式传感器的基本原理。

应变片的结构与分类

    根据应变式传感器的基本原理制作的应变计又名应变片。应变片的典型结构包括有敏感栅、基底、盖片、引线及豁合剂等。

    1,敏感栅。应变片中实现电阻转换的元件,其合金材料的选择对所制造的应变片的性能起决定性的作用。因此对合金材料的选择需考虑的因素有:(1)较高的灵敏系数并在较大的应变范围内稳定;(2)有高的和稳定的电阻率;(3)电阻温度系数小并有足够的热稳定性;(4)机械强度高、加工和焊接性能良好;(5)抗氧化和抗腐蚀性能强等。工程应用中应根据实际情况综合考虑。常用的合金大致有:铜镍合金(康铜)、镍铬合金、铁铬铝合金、镍铬铁合金、铂及铂合金等。

    2,基底。基底的作用是保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置,并使敏感栅与弹性元件相互绝缘。对基底材料的要求是挠性好,具有一定的机械强度,赫合性和绝缘性能好、蠕变和滞后小、不吸潮和热稳定性好等。
常用的基底材料有纸、胶膜和玻璃纤维布。聚酸亚胺是一种综合性能极佳的有机高分子材料之一,其胶膜耐高温达400℃以上,长期使用温度范围为一200一300℃,高绝缘性,成膜性好,制成的应变片蠕变小、滞后小、稳定性好、疲劳寿命高,已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好,机械强度高,稳定性和疲劳寿命也高,适用于高精度传感器上。

    3,盖片。盖片的作用是防潮、防腐、防损、避免机械损伤和高温氧化等。其材料采用纸或胶膜或纤维布,也可以用钻合剂作为保护层。

    4,引线。它的作用是连接敏感栅与测量电路。通常使用低的稳定电阻率及小电阻温度系数的丝状或带状的金属导线。常温应变片多用镀银紫铜丝或铜带,高温应变片多采用镍铬、银、铂等,高疲劳寿命的应变片采用敏青铜作为引线。引线与敏感栅的连接可以采用钎焊、锡焊、电弧焊或电接触焊等。

    5,豁合剂。生产应变片时,粘合剂的作用是把盖片和敏感栅固定在基底上,使用应变片时,勃合剂的作用是把应变片贴在弹性体被测位置上。粘贴应变片时,因为钻合剂参与弹性体形变到应变片的传递,所以其形成的胶层直接影响应变片的性能。工程上赫合剂的选择要根据具体要求,有针对性的选择。


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