3.2電阻應變式壓力傳感器3.2.1電阻應變效應3.2.2電阻應變片3.2.3平行梁式稱重傳感器3.2.4柱式荷重傳感器3.2.5氣液壓壓力傳感器3.2電阻應變式壓力傳感器1856年英國物理學家W·THOMSON發(fā)現(xiàn)了金屬電阻的應變效應，1938年首次出現(xiàn)了金屬電阻絲應變片（SR-4型），1952年英國人發(fā)明了金屬箔式應變片，從而為各種力的測量奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。目前廣泛應用的典型產(chǎn)品是電阻應變式壓力傳感器。電阻應變式壓力傳感器常應用于稱重和測力領(lǐng)域，是借助彈性敏感元件將力的變化轉(zhuǎn)化為形變，然后利用電阻導體的應變將力轉(zhuǎn)變成電阻值的變化，通過測量電路得到被測量——力的電信號，最后將電信號的變化值轉(zhuǎn)化為對應的測力值。電阻應變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應變片和測量電路組成。3.2電阻應變式壓力傳感器根據(jù)彈性元件常用的結(jié)構(gòu)形式分為：平行梁式稱重傳感器、S型拉壓力傳感器和柱式荷重傳感器等，可分別應用于電子臺秤、電子吊秤和電子汽車衡等。3.2.1電阻應變效應電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變（拉升或壓縮）時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應。設(shè)有一金屬電阻絲，長度為l，截面積為S，電阻率為ρ，則未受力時的電阻為：3.2.1電阻應變效應當電阻絲受拉力F作用時，長度增加△l，截面積縮小△S，電阻值增加△R；當電阻絲受壓力F作用時，長度縮小△l，截面積增加△S，電阻值減小△R。3.2.1電阻應變效應根據(jù)材料力學理論和實驗證明：在金屬電阻絲形變的彈性限度范圍內(nèi)，電阻值的相對變化△R／R與應變量εx成正比：式中：K為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)，表示電阻絲產(chǎn)生單位形變時電阻值相對變化的大小，是與金屬材料有關(guān)的常數(shù)。K值越大，單位形變引起的電阻值相對變化越大，靈敏度也就越高；不同的金屬材料有不同的靈敏系數(shù)，通常取值K=1.7～3.6。εx為電阻絲的軸向應變量，εx=dl/l（另：εy為電阻絲的徑向應變量，εy=dr/r；二者滿足εy=-μεx

，μ為電阻絲材料的泊松系數(shù)）。3.2.2電阻應變片電阻絲的應變是相當微小的，所產(chǎn)生的電阻變化也是極其微小的，為了提高電阻絲長度變化△l的絕對值，人們設(shè)計出了敏感柵結(jié)構(gòu)，使長度l成倍增加，從而提高靈敏度，并將其制作成各種形狀的應變片。電阻應變片分為金屬絲式、金屬箔式和薄膜型，隨著生產(chǎn)工藝、技術(shù)的進步，現(xiàn)有的應變片產(chǎn)品通常采用金屬箔式；電阻應變片按結(jié)構(gòu)可分為單片、雙片和特殊形狀，可用于制作S型拉壓力傳感器和氣液體壓力傳感器，以及用于扭力測量。3.2.2電阻應變片金屬箔電阻應變片，底層為塑料絕緣基片，上層為絕緣保護膜；中間層是由3～10μm的金屬箔用光刻技術(shù)制成的敏感柵，連接導線焊接在引線焊接點上，常用的材料有康銅、鎳鉻合金等。國家標準中電阻應變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000Ω，目前傳感器生產(chǎn)中大多選用350Ω或1000Ω的應變片。3.2.2電阻應變片用電阻應變片R測量應變或應力時，是將電阻應變片粘貼在彈性元件或被測機械零件的表面。在外力F作用下，彈性元件受力作用會產(chǎn)生機械形變（即應變εx），粘貼在其表面的電阻應變片也隨之發(fā)生相同的機械形變（即應變εx），使電阻產(chǎn)生△R的變化，可計算出被測對象的應變量εx。根據(jù)材料力學的應力和應變關(guān)系，有：式中，F(xiàn)為作用于被測對象的外力，εx為被測對象受力后產(chǎn)生的應變量（通過測量計算△R／R可得），A為被測對象的有效截面積，E為彈性元件或被測機械零件材料的彈性模量。3.2.3平行梁式稱重傳感器測量粘貼于彈性元件表面的應變片電阻變化來計算應力是很困難的，簡便的方法是采用測量電橋電路，將應變電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以實現(xiàn)精確測量。測量電路的形式有應變片單臂電橋電路、應變片雙臂電橋電路和應變片全橋電路。因全橋測量電路的靈敏度高、線性度好、具有溫度自補償功能等優(yōu)點而被廣泛采用；隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)的改進，傳感器生產(chǎn)成本也大幅度降低，從而成為工程技術(shù)人員的首選。3.2.3平行梁式稱重傳感器平行梁式稱重傳感器，彈性元件為鋁合金材料，常用于電子臺秤。如圖是電子臺秤的工作原理圖，當稱量物置于稱重臺上時，對平行梁式稱重傳感器產(chǎn)生垂直向下的壓力，使上下平行梁分別產(chǎn)生拉伸和壓縮應變。3.2.3平行梁式稱重傳感器向下的壓力導致粘貼于傳感器頂面的R1、R3應變片產(chǎn)生橫向的拉伸應變，使電阻值增加△R1和△R3

；同時，導致粘貼于傳感器底面的R2、R4應變片產(chǎn)生橫向的壓縮應變，使電阻值減少△R2和△R4。3.2.3平行梁式稱重傳感器將4只應變片電阻連接成差動全橋電路，加載直流電壓Ui

，則節(jié)點A、B的輸出電壓UO為：3.2.3平行梁式稱重傳感器通過生產(chǎn)制作工藝控制，使R1=R2=R3=R4=R、△R1=△R2=△R3=△R4=△R，則有：式中，K為金屬應變片電阻的靈敏系數(shù)，A為鋁合金彈性元件的有效截面積，E為鋁合金彈性元件的彈性模量，Ui為輸入的直流電壓。3.2.3平行梁式稱重傳感器即，平行梁式稱重傳感器測量模型為：用直流全橋電路測量應變力時，電橋的輸出電壓與被測壓力大小成線性關(guān)系；在實際產(chǎn)品中，傳感器的輸出電壓通常只有幾mV，對此可以通過后續(xù)的電壓放大電路將其轉(zhuǎn)換為與稱量物對應的電壓值，再運用數(shù)字處理技術(shù)顯示出對應的重量。3.2.4柱式荷重傳感器對于工業(yè)應用的大負荷稱重如電子汽車衡、火車軌道衡、料斗秤等，需要稱量幾十～幾百噸位的重量，平行梁式稱重傳感器難于滿足要求。為此研制出了多種專用荷重傳感器，如柱式荷重傳感器、輪輻式稱重傳感器、懸臂梁式傳感器和橋式傳感器等。其中，柱式荷重傳感器主要由鋼制圓筒、鋼制圓柱、應變片和測量轉(zhuǎn)換電路組成，中心的鋼制圓柱為彈性敏感元件。3.2.4柱式荷重傳感器柱形壓力傳感器，其核心是在鋼制圓柱的側(cè)面對稱地粘貼了4只應變片，水平方向和豎直方向各2只。當鋼制圓柱受到軸向的荷重壓力時，會產(chǎn)生軸向的壓力應變εx和徑向的拉力應變εy，形象描述為鋼制圓柱被壓短、變粗。3.2.4柱式荷重傳感器設(shè)鋼制圓柱的有效截面積為A，泊松系數(shù)為μ，彈性模量為E，當外加荷重壓力為F時，應變片電阻R1、R3對應產(chǎn)生拉力應變ε1、ε3，應變片電阻R2、R4對應產(chǎn)生壓力應變ε2、ε4，將應變片電阻連接成全橋電路，則可推導出傳感器的電壓輸出為：3.2.4柱式荷重傳感器將ε1=ε3=εy

=-μεx、ε2=ε4=εx代入前式，得：即，輸出電壓UO與荷重壓力F成正比。3.2.4柱式荷重傳感器為了使用方便，在工程技術(shù)上引入了稱重傳感器靈敏度KF以及滿量程Fm指標，稱重傳感器靈敏度KF定義為：式中，Ui為傳感器電橋輸入電壓，單位為V；UOm為傳感器滿量程Fm時的輸出電壓，單位為mV。因此，稱重傳感器的靈敏度是以mV∕V為單位。3.2.4柱式荷重傳感器稱重傳感器在額定測量范圍內(nèi)，輸出電壓UO與被測荷重F成正比，從而有：由此得到被測荷重為F時傳感器的輸出電壓為：3.2.4柱式荷重傳感器例題2-1某企業(yè)利用hl-8型稱重傳感器生產(chǎn)微型電子臺秤，傳感器技術(shù)參數(shù)如表3-1所示?，F(xiàn)對1臺產(chǎn)品進行測試，傳感器的輸入電壓為6V，空載時輸出為0.552mV，加載200g砝碼時輸出電壓為2.549mV，加載500g砝碼時輸出電壓為5.554mV，請幫助判斷該產(chǎn)品是否合格。（注：空載時的輸出為稱物臺的重量）3.2.4柱式荷重傳感器表3-1hl-8型稱重傳感器參數(shù)3.2.4柱式荷重傳感器3.2.5氣液壓壓力傳感器氣液壓壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種壓力傳感器，其廣泛應用于工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道送風、鍋爐負壓等眾多行業(yè)。3.2.5氣液壓壓力傳感器應變式氣液壓傳感器也是以彈性變形為基礎(chǔ)，讓被測壓力作用在傳感器的彈性元件上，使彈性元件產(chǎn)生彈性變形，并用彈性變形的大小來量度壓力的大小。由于降低和去除壓力時彈性形變可恢復，所以應變式測壓傳感器不僅能測量壓力的上升段，也能測量壓力的下降段，可反映出壓力變化的全過程。常用的應變式氣液壓壓力傳感器按結(jié)構(gòu)可分為：筒式液壓壓力傳感器結(jié)構(gòu)、活塞式應變壓力傳感器結(jié)構(gòu)和平膜片式壓力傳感器結(jié)構(gòu)等。3.2.5氣液壓壓力傳感器1.筒式液壓壓力傳感器筒式液壓壓力傳感器的彈性元件是一支鉆有盲孔（及半通孔）的圓筒，稱為應變筒。使用時盲孔中注入硅油或其它隔離劑并將其安裝到的測量孔中，流體壓力作用在硅油上，硅油受壓后把壓力傳送到應變筒的內(nèi)壁，使應變筒外壁膨脹，發(fā)生彈性變形。在應變筒外壁的中部沿圓周方向粘貼有二塊工作應變片，以感受應變筒受壓力作用時所產(chǎn)生的應變，在無孔部位也粘貼二塊補償應變片，并將應變片連接為如圖所示的測量電路，以提高測量的靈敏度和實現(xiàn)溫度的自補償。3.2.5氣液壓壓力傳感器筒式液壓壓力傳感器輸入輸出電壓的關(guān)系為：3.2.5氣液壓壓力傳感器2.活塞式應變壓力傳感器活塞式應變壓力傳感器的彈性元件是類似于柱式荷重傳感器的金屬圓柱，稱為應變柱，應變片采用2橫2豎上下位粘貼。使用時傳感器安裝在測壓孔內(nèi)，壓力P作用在活塞的一端，活塞把壓力轉(zhuǎn)化為力F（F=PS，S為活塞桿的截面積）作用在應變柱上，使應變柱產(chǎn)生軸向壓縮應變和徑向增大應變。為了消除間隙的影響，裝配時應給應變柱一定的預應力，使活塞與應變柱緊密接觸。3.2.5氣液壓壓力傳感器3.平膜片式壓力傳感器平膜片式壓力傳感器的彈性敏感元件是周邊固定的平圓膜片，在上面粘貼一個圓形應變片（或采用組合應變片方式），同時在接線板上粘貼相同的補償應變片，連接電路如圖所示，當膜片在被測壓力作用下發(fā)生彈性變形時，應變片也發(fā)生相應的變化，從而使應變片的阻值發(fā)生變化，由四個電阻組成的電橋就有相應的輸出信號。3.2.5氣液壓壓力傳感器表3-2熔體壓力傳感器技術(shù)參數(shù)拓展提高

稱重傳感器在電子皮帶稱的應用電子皮帶秤在鋼鐵、建材、化工、冶金、糧油、飼料等各大領(lǐng)域廣泛使用。建筑行業(yè)廣泛使用的基礎(chǔ)材料——水泥是由石灰石、粘土、鐵粉和其它校正原料等4種生料組成，4種原料必須嚴格按規(guī)定的比例進行配料，電子皮帶稱在自動化水泥生產(chǎn)線上發(fā)揮著極其重要的作用。拓展提高

稱重傳感器在電子皮帶稱的應用電子皮帶稱是由承重裝置、稱重傳感器、速度傳感器和稱重顯示器組成。稱重時，承重裝置將皮帶上物料的重力傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器即輸出正比于物料重力的電壓(mV)信號，經(jīng)放大器放大后送模／數(shù)轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量A，送到運算器；速度傳感器檢測物料輸送速度后輸出脈沖數(shù)B，也送到運算器；運算器對A、B進行運算后，即得到這一測量周期的物料量。對每一測量周期進行累計，即可得到皮帶上連續(xù)通過的物料總量，實現(xiàn)對輸送的散裝固體物料自動連續(xù)測量。通過使用4臺電子皮帶秤對物料輸送的連續(xù)檢測和精確控制，就可得到準確的生料配料比，從而保障水泥的生產(chǎn)質(zhì)量。觀察與思考

加速度傳感器在汽車安全氣囊中的作用應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)是在彈性強度梁的上端固定慣性質(zhì)量塊m，梁的下端固定在與外殼相連的基座上，彈性梁的左右側(cè)面粘貼電阻應變片，殼體內(nèi)充滿阻尼硅油，用于產(chǎn)生必要的阻尼避免震動。測量時將傳感器按運動方向豎直安裝于被測對象上，