應變式傳感器
來源：作者：日期：2017-12-14 14:56:09點擊：8387次
應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件。
目錄
1、應變式傳感器的定義
2、應變式傳感器的作用
3、應變式傳感器的基本特性
4、應變式傳感器的優點
5、應變式傳感器的工作電流
6、應變式傳感器的原理
7、應變式傳感器的3種布局
8、應變式、壓阻式、壓電式傳感器特性比較
9、應變式傳感器的安裝步驟
10應變式傳感器的生產廠家三個梯隊
應變式傳感器的定義：
在測量構件應變時，直接將應變片黏貼在構件上即可。但若要測量力、壓力、加速度等信號，應先將這些物理量轉變成應變，然后用應變片測量。比直接測量時多了一個轉換過程，完成這種轉換過程的原件通常稱為彈性原件，因此，應變式傳感器通常由彈性敏感原件和應變計兩部分構成。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變計橋路是提高應變式傳感器的重要途徑，
應變傳感器的作用：
應變傳感器除了測定試件應力、應變外，還可知制造成多種應變式傳感器，用于測量力、扭矩、加速度、壓力等其他物理量。
應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生變形的大小。剛度的倒數。
應變式傳感器的優點：
4.1.分辨力高，能測出極微小的應變，如1-2微應變；
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，也可測快速交變應力；
4.6.具有電氣測量的一切優點，如測量結果便于傳送、記錄和處理；
4.7.能在各種嚴酷環境中工作。如從宇宙真空至數千個大氣壓；從接近絕對零度低溫至近1000℃高溫；離心加速度可達數十萬個“g”；在振動、磁場、放射性、化學腐蝕等條件下，只要采取適當措施，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。
應變式傳感器的工作電流：
絕緣電阻——已粘貼的應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，但也會使應變片過熱，應視材料選取不同的電流。
5.1.溫度誤差
應變片的溫度誤差——由于測量現場環境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差。
5.2.電阻應變片的溫度補償方法：
5.2.1線路補償法
初始狀態 Uo=A（R1 R4- RB R3）=0
溫度變化后 Uo=A[（R1+ΔR1t）R4-(RB+ΔRBt)R3]=0
承受應變后 Uo=A[（R1+ΔR1t+ΔR1）R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4= AR1R4Kε
5.2.2應變片的自補償法
電阻應變片的測量電路
應變式傳感器的原理：
電阻應變片的基本構造，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、高電阻系數的細絲彎曲而成柵狀，它實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構件應變的敏感部分。敏感柵用粘合劑將其固定在基底上。基底的作用應保證將構件上應變準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在一起。另外它還應有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能。基底材料有紙、膠膜、玻璃纖維布等。紙具有柔軟、易于粘貼、應變極限大和價格低廉等優點，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℃，且時間穩定性好，適用于測力等傳感器使用。膠膜基底是由環氧樹脂、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，不僅提供高端高質量產品，而且還提供各類解決方案。在細分市場，我國地區龍頭企業如中航電測、寧波柯力等，表現極為突出，擁有價格和應用等優勢，占據市場主導。在中低端市場，主要以中國、韓國等企業為主，主要憑借勞動力成本來競爭，但技術水平尚不能參與全球競爭。
應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產生的應變的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化的傳感元件。
從細分市場而言，我國是橋式傳感器的最大生產和銷售基地，占據全球70%的生產量，主要優勢為價格和普及面。鋼制傳感器則主要應用于醫藥、生物、化工、食品和電力等工業和高端領域。數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，應用也更為廣泛。
應變式、壓阻式、壓電式傳感器特性比較：
8.1．應變式傳感器
應變式傳感器是把力的變化轉換成電阻值的變化來進行測量的，應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值隨力所產生的應變而變化。應變效應是導體受機械變形時，其電阻值發生變化的現象。
8.2．壓阻式傳感器
壓阻式傳感器的靈敏度比金屬絲式應變片的靈敏度高，其精度好，而且響應頻率好，工作可靠。缺點是受溫度影響較大，應進行溫度補償壓阻效應是物質受外力作用發生變形時，其電阻率發生變化的現象。
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，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當這些晶體受壓力作用發生機械變形時，在其相對的兩個側面上產生異性電荷，這種現象稱為“壓電效應”。
壓電式壓力傳感器不能用作靜態測量，一般用于測量脈動壓力，不能測量靜壓力；
壓電傳感器產生的信號很弱而輸出阻抗很高，必須根據壓電傳感器的輸出要求，將微弱的信號經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，間距150㎜左右（因傳感器標距為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，調節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，用來固定數碼應變傳感器的基座粘貼完成，等待大約30分鐘（粘膠）后，將數碼應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。
應變式傳感器的生產廠家三個梯隊：
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域的稱重解決方案;瑞典Flintec公司以產品齊全、技術領先見長。
10.2.第二梯隊以中航電測、寧波柯力等為代表的地區龍頭企業為主，在細分市場、產品價格及下游應用等方面各有所長。
10.3.第三梯隊是中國、韓國等國家的中低端產品生產廠家，其產品主要在國內銷售，競爭力主要體現在相對低廉的勞動力成本上，技術水平相對較低，尚不能參與全球市場競爭。
