电阻应变式传感器研究
姓 名： 学 号： 年 级： 院 系： 专 业： [单击填写] 指导教师： [单击填写] 2014年6月1日
摘 要
本文主要对电阻应变式传感器进行了系列研究，其中包括电阻应变式传感器的发展历史、工作原理、它的相关测量电路、应用现状、市场和技术发展趋势、电阻应变式传感器的选用原则、电阻应变式传感器的特点等。 关键词： 电阻应变式传感器；工作原理；应用现状；选用原则
Abstract
This paper mainly research on the series resistance strain sensor, including the development history of resistance strain sensor, principle and its related measurement circuit, application status, development trend of market and technology, the selection principle of resistance strain sensor, the characteristic of resistance strain sensor, etc
Key Words: The resistance strain sensor; The working principle; Application status; Selection principle
前 言
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性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计一起变形。电阻应变计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。传感技术、信息技术、计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。
一 正文
（一）应变片结构
电阻应变片种类繁多, 形式多样, 但基本构造大体相同, 以电阻丝式应变片为例。
电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。
(a)丝式 (b)箔式 (c)半导体 1—敏感栅 2—基底 3—引线 4—盖层 5—粘结剂 6—电极
1.敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长，b表示栅宽。其电阻值一般在100Ω以上。?
2.基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质
的基底上。应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。?有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。
3.引线——它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。?
4.盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。? 5.粘结剂——在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。
（二）工作原理
电阻应变式传感器由弹性元件和转换元件两大部分构成。电阻应变式传感器利用金属弹性体作为弹性元件，将电阻应变片粘贴在弹性元件的特定表面，当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片阻值的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理。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测量构件应变的理论基础。
用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。
（三）电阻应变片的分类及材料
金属电阻应变片分为丝式、铂式、金属膜式和半导体式（压阻式）。
金属丝式应变片有回线式和短接式二种。但回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但其应变横向效应较大。短接式应变片两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。
金属箔式应变片，它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。
金属薄膜应变片 ，它是薄膜技术发展的产物。采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。
（四）电阻应变式传感器的应用及市场前景
现在以电阻式应变计为例。美国于1970一1980年间,在 N A S A空间开发的高峰期,
伴随 国 内原子能、汽车、航空及其它重工业等产业部门的技术改造,开发了各种电阻应变计,如美国维谢公司生产的电阻应变计品种规格达4万种以上。日本的每家应变计生产厂也都有上千个以上品种规格。据报道,日本在1988年电阻应变计的 生产量为40一450万片。其中,常温环境应力—应变测量用的普通应变计占 65一75%,其它如高温、大应变测量等特殊应变计和传感器用应变计占25~35 %。我国的电阻应变计技术,自八十年代中期引进国外生产技术以来,应变计的产品质量和数量都有很大提高,据推测1997年,电阻应变计的产量在550~600万片左右,其中传感器用片(特别是 称重传感器用片)约占65%一75%, 一般应力分析用片占25%一31 %,而特殊用应变计不足1%。纵观目前国内外 的应变计市场,应变计今后的发展呈现以下几种倾向:(l)普通应变计朝向高精度、使用方便快捷省力方 向发展。随着电阻应变计本身及电子技术的快速发展,对于一般的应力测量,用户只稍加技术培训,就可 以获得数据,自补偿应变计和三线式引线的普及取得了良好的效果。 目前应变计的粘贴、连线等环节依然需要花费大量劳力和时间。而作为现场使用 的粘贴剂,使用简便的氛基丙烯酸脂系瞬间粘合剂的广泛应用,虽大大缩短了测量的准备时间,但该胶的赖用期一般为六个月。另外,为了适应越来越广 泛的需要,更为优良的酚醛胶、环氧胶、环氧一酚醛胶以及 聚酞亚胺胶等也相继 问世。但性能更完善的胶粘剂将会有美好的前景。
（五）电阻应变式传感器的选用原则
一般电阻应变式传感器的选用从结构、环境适应性、数量、量程、灵敏度、精度等级方面考虑。详细讲述结构选择。
1.当额定载荷小于10t时尽量不要选用柱式结构，若按照传统设计，则传感器应变梁部容易失稳，使传感器读数不定。
2.平行梁结构传感器及S行传感器在大载荷情况下安装空间大，过载保护装置要求高，因此不推荐在大载荷状态下选用。
3.当柱式传感器只用于工业控制时，垂直方向安装空间不够时，可考虑轮辐式传感器来代替。其他方面不再赘述，可参考电阻应变式传感器的选用原则。http://www.uuuce.com/pddetailthree/tech/detail-539169.html。
二 参考文献
[1]百度百科，词条解释
[2]肖斌，高振玲 《从应变计现状看电阻式传感器的前景》 [3]付晓鸥 《电阻应变式传感器的工作原理及应用》
[4]杨艳、安盼龙、赵瑞娟 《电阻应变式传感器的研究》
[5]网络文章 http://www.elecfans.com/yuanqijian/sensor/20100605218984.html
致 谢
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