电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。金属丝式电阻应变片典型的结构如图2-3所示，由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。把应变片粘贴于所需测量的变形物体表面，敏感栅会因被测物体表面变形而导致电阻值改变，测量电阻的变化量便可知变形大小。......
2023-06-22
电阻应变片和悬臂梁式力传感器的典型应用
【摘要】：对载荷和力的测量在工业测量中用得较多，其中采用电阻应变片测量的应变电阻式力传感器占有主导地位。由应力分布图还可看出，C位置电阻应变片的应变为0，即它起到温度补偿的作用。3）悬臂梁式力传感器悬臂梁是一端固定，另一端自由的弹性敏感元件，其特点是结构简单、加工方便，在较小力的测量中应用普遍。等强度梁各点的应变值为在如图所示方向的拉力作用下，内贴片取“－”，外贴片取“＋”。
被测物理量为荷重或力的应变电阻式传感器统称为应变电阻式力传感器。对载荷和力的测量在工业测量中用得较多，其中采用电阻应变片测量的应变电阻式力传感器占有主导地位。
应变电阻式力传感器的弹性元件有柱（筒）式、环式、悬臂式等多种。
1）柱（筒）式力传感器
如图2-8所示。柱式力传感器为实心的，筒式力传感器为空心的。电阻应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，弹性元件上电阻应变片的粘贴和桥路的连接应尽可能消除载荷偏心和弯矩的影响，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路相对桥臂上以减小弯矩影响，横向贴片（R5、R6、R7和R8）主要作温度补偿用。
图2-8 圆柱（筒）式力传感器
2）环式力传感器
环式力传感器的结构和应力分布如图2-9所示。与柱式相比，它的应力分布更复杂，变化较大，且有方向上的区分。由应力分布图还可看出，C位置电阻应变片的应变为0，即它起到温度补偿的作用。
图2-9 环式力传感器
A、B两点处如果内、外均贴上电阻应变片，则其所在位置的应变为
A点：
式中 h——圆环的厚度；
b——圆环的宽度；
E——材料弹性模量；
F——载荷。
在如图2-9所示方向的拉力作用下，内贴片取“＋”，外贴片取“－”。
B点：
在如图所示方向的拉力作用下，内贴片取“－”，外贴片取“＋”。对/5Rh＞的小曲率圆环，可以忽略上式中的/2h。
3）悬臂梁式力传感器
悬臂梁是一端固定，另一端自由的弹性敏感元件，其特点是结构简单、加工方便，在较小力的测量中应用普遍。根据梁的截面形状不同可分为变截面梁（等强度梁）和等截面梁。
图2-10所示为一种等强度梁式力传感器，图中1R为电阻应变片，将其粘贴在一端固定的悬臂梁上，另一端的三角形顶点上（保证等应变性）如果受到载荷F的作用，梁内各断面产生的应力是相等的。等强度梁各点的应变值为
式中 l——梁的长度；
b——梁的固定端宽度；
h——梁的厚度；
E——材料的弹性模量。
图2-10 等强度梁式力传感器
等截面矩形结构的悬臂梁如图2-11所示。等截面梁距梁的固定端x处的应变值为
式中 x——距梁固定端的距离；
A——梁的截面积。
图2-11 等截面梁式力传感器
2.电阻式液体重量传感器 图2-12是测量容器内液体重量的插入式传感器示意图。该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，下端安装感压膜，它用于感受液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将传感器接入电桥的一个桥臂，则输出电压为
图2-12 电阻式液体重量传感器
式中 S——传感器的传输系数；
ρ——液体密度；
g——重力加速度；
h——位于感压膜上的液体高度。
hgρ表征了感压膜上方的液体的重量。对于等截面的柱形容器，有
式中 Q——容器内感压膜上方液体的重量；
A——柱形容器的截面积。
由式（2-22）、（2-23）可得到容器内感压膜上方液体的重量与电桥输出电压间的关系：
式（2-24）表明：电桥输出电压与柱形容器内感压膜上方液体的重量呈正比关系。在已知液体密度的条件下，这种方式还可以实现容器内的液位高度测量。
3.电阻式加速度传感器
应变电阻式加速度传感器的结构如图2-13所示。等强度梁的自由端安装质量块，另一端固定在壳体上；等强度梁上粘贴4个电阻应变敏感元件；通常壳体内充满硅油以调节系统阻尼系数。
图2-13 应变电阻式加速度传感器的结构
测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，导致其上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻值发生变化，引起测量电桥不平衡而输出电压，由此得出加速度的大小。这种测量方法主要用于低频（10～60 Hz）的振动和冲击测量。
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