电阻应变式称重传感器的工作原理

2017-03-17 67 0

    电阻应变式称重传感器基于如下原理:弹性体(弹性元件、敏感梁)在外力作用下产生弹性变形,使粘贴其表面的电阻应变片(转换元件)随之变形,应变片阻值发生变化(增大或减小),再经测量电路将电阻变化转换为电信号(电压或电流),从而完成外力到电信号的转换。

    电阻应变片、弹性体和检测电路是不可缺少的主要部分,以下就电阻应变片作简要论述。

    电阻应变片是把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料基底上制成的应变片,其重要参数为灵敏系数K。设金属电阻丝长L、横截面半径为r、面积S、电阻率ρ,材料泊松系数μ。未受外力时其电阻为:R=ρL/S(式2-1)。两端受F力时会伸长变形,设伸长ΔL、横截面积缩小(截面半径减Δr)、电阻率变化Δρ。对式2-1求全微分得电阻值变化:ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S-ΔSρL/S²(式2-2)。用式2-1去除式2-2得:ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L-ΔS/S(式2-3)。

    导线横截面积S=πr²,则ΔS=2πr·Δr,故ΔS/S=2Δr/r(式2-4)。由材料力学,Δr/r=-μΔL/L(式2-5,负号表示伸长时半径方向缩小,μ为横向效应泊松系数)。把式2-4、2-5代入式2-3得:ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L=(1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L))·ΔL/L=K·ΔL/L(式2-6),其中K=1+2μ+(Δρ/ρ)/(ΔL/L)(式2-7)。式2-6说明电阻应变片的电阻变化率与电阻丝伸长率(长度相对变化)之间的关系。

    需说明:灵敏度系数K值由制作金属电阻丝材料的性质决定,是一常数,与应变片形状、尺寸无关;不同材料的K值一般在1.7~3.6之间;K为无因次量、没有量纲。材料力学中ΔL/L称应变,记作ε,用它表示变形往往过大、不便,常以百万分之一(με)作单位。故式2-6常写作:ΔR/R=Kε(式2-8)。

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