应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用

2021/11/11 23:35 · 传感器知识资讯 ·  · 应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用已关闭评论
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应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用随着E+E传感器制造工艺的进步和无线通信技术,移动计算技术的发展,无线E+E传感器网络越来越广泛的应用于生产,生活中的各个领域,推动了社会的迅猛发展,覆盖问题,作为E+E传感

应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用  第1张

应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用

E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用

  随着E+E传感器制造工艺的进步和无线通信技术,移动计算技术的发展,无线E+E传感器网络越来越广泛的应用于生产,生活中的各个领域,推动了社会的迅猛发展,覆盖问题,作为E+E传感器网络首要的问题,引起了研究人员的广泛关注,而用于入侵检测的栅栏覆盖尤其受到国内外研究者的青睐,涌现出一大批研究成果,现有研究通常基于E+E传感器数量充裕的前提研究覆盖问题。
  在网络实际运行时,常常会出现可用节点数量不能满足覆盖需求的场景,节点有限的能量也制约了E+E传感器网络的进一步发展,因此,需要深入研究E+E传感器网络有限的资源对网络性能的影响,在前人研究工作的基础上,进一步探索了E+E传感器网络资源受限情况下的栅栏覆盖问题,从E+E传感器数量受限和E+E传感器能量受限两方面进行了理论研究,首先简要介绍了无线E+E传感器网络及其相关应用场景,阐述了E+E传感器网络中覆盖问题的背景和相关研究现状,针对E+E传感器数量受限的情况,基于布尔感知模型,对覆盖区域进行分割,将栅栏覆盖问题转化为特定兴趣点的覆盖问题,引入了移动执行器并设计相应移动策略来动态覆盖所有兴趣点,进而将设计的策略推广到一般的概率感知模型,霍尔电流传感器针对E+E传感器能量受限的情况,基于双基雷达感知模型,提出了带状区域(k,ε)-栅栏覆盖,通过设置距离阈值和引入虚拟点表征雷达E+E传感器对,将能量有效地栅栏覆盖问题描述为选取最小权重的E+E传感器覆盖集合,并设计了最小权重的(k,ε)-栅栏覆盖算法在多项式时间内选取激活的E+E传感器,针对移动雷达E+E传感器网络,分析了雷达E+E传感器序列(T,R1,R2,...,Rn)的覆盖区域,确定了最小代价覆盖单位长度区域所需的发射器和接收器数量及其位置关系,通过构建发射E+E传感器的Voronoi图将区域中的接收器与距离最近的发射器配对,从而建立网络连通图,设计了连通图的搜索算法确定网络中存在的覆盖间隙,针对覆盖间隙,构造了可移动E+E传感器实际位置与期望位置的二分图,通过二分图匹配确定节点的移动策略,随着E+E传感器网络的广泛应用,需要进一步研究实际场景中可能发生的E+E传感器资源受限的情况,本文结合国际最新科研成果,探索了E+E传感器数量受限和能量受限两种场景,分别基于布尔感知模型,概率感知模型和双基雷达感知模型进行了研究,并对部分成果进行了理论证明,大量的仿真结果验证了本文所提算霍尔电压传感器法的有效性,理论成果对E+E传感器网络的进一步应用具有一定的指导作用和现实意义。
  电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件,它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一,电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种,金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种,通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化,这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
  它由基体材料,金属应变丝或应变箔,绝缘保护片和引出线等部分组成,根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂,而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差,一般均为几十欧至几十千欧左右。
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应变片传感器:基于应变片的力传感器 | HBM

补偿
温度将会使4个应变片的应变信号(电阻)在相同方向和程度变化。因为两个正向应变和两个负向应变被列入等式,因此温度将不会产生输出信号。
剩下微小的残余误差可以通过连接到惠斯通电桥上特殊的镍金属来进行修正。
另外,应变片需要进行温度对灵敏度的补偿(TCS)。等温度变化时,材料的 E 模量 将会降低,导致产生应变。另外,应变片的灵敏度依赖于温度。在高温状况下电阻的补偿将产生更大的压降。这将降低惠斯通电桥的输出信号。
在负载状态下,线性误差 也将产生变化。这可以通过对弹性体材料和结构的优化以及选择精确的测量点来完成。
图 2 列出了补偿方法的总结。除了以上描述的 TKzero 和 TCS,也可以通过调整对线性和灵敏度进行补偿。
图 2: TKzero 和 TCS 补偿,以及对灵敏度和线性进行调整。
应变技术也可对机械影响进行补偿,例如弯矩和侧向力。

应变片传感器:应变式传感器

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应变式传感器
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应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。
中文名
应变式传感器
组 成
敏感栅、基底、引线、盖片
主要用途
测量力、力矩、压力
种 类
丝式电阻应变片和箔式电阻应变片
目录
1
基本描述
2
主要用途
3
原理
4
特性
?
种类及结构
?
基本特性
?
灵敏系数
?
横向效应
?
工作电流
?
温度误差
5
应用
6
优点
应变式传感器基本描述
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语音
利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器
应变式传感器主要用途
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语音
测量力、力矩、压力、加速度、重量等
应变式传感器原理
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语音
图1 应变片的基本构造
电阻应变片的基本构造如图1,它一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状,它实际上是一个电阻元件,是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。因此它必须作得很薄,一般为0.03-0.06mm,使它能与试件及敏感栅牢固地粘结在一起。另外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基底材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等。纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大和价格低廉等优点,但耐温耐湿性差,一般工作温度低于70℃下采用。为了提高耐湿耐久性和使用温度,可浸以酚醛树脂类粘合剂使用温度可提高至180℃,且时间稳定性好,适用于测力等传感器使用。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂、聚脂树脂和聚酰亚胺等有机粘合剂制成的薄膜,胶膜基底具有比纸更好的柔性、耐湿性和耐久性,且使用温度可达100-300℃。玻璃纤维布能耐400-450℃高温,多用做中温或高温应变片基底。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接,一般由0.1-0.2mm低阻镀锡铜丝制成,并与敏感栅两输出端相焊接。在测试时,将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上,随着试件受力变形,应变片的敏感栅也获得同样的变形,从而使其电阻随之发生变化,而此电阻变化是与试件应变成比例的,因此如果通过一定测量线路将这种电阻变化转换为电压或电流变化,然后再用显示记录仪表将其显示记录下来,就能知道被测试件应变量的大小。
应变式传感器特性
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应变式传感器种类及结构
种类:常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片两种。
图3-2
应变式传感器基本特性
几个概念——变形、弹性变形、弹性元件基本特性——刚度、灵敏度刚度——弹性元件受外力作用下变形大小的量度。灵敏度——单位力作用下弹性元件产生变形的大小。刚度的倒数。
应变式传感器灵敏系数
定义K=(ΔR/R)/εt为应变片的灵敏系数。它表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时,引起的电阻相对变化(ΔR/R)与其单向应力引起的试件表面轴向应变(εt)之比。注:应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数,这是因为在单向应力产生应变时,应变片的灵敏系数除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外,尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。
应变式传感器横向效应
结果:应变片的灵敏度比电阻丝的灵敏度要小解决办法:多采用箔式应变片
应变式传感器工作电流
绝缘电阻——已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值Rm。绝缘电阻越大越好。最大工作电流——已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大,敏感度高,但也会使应变片过热,应视材料选取不同的电流。
[1]
应变式传感器温度误差
应变片的温度误差——由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差。电阻应变片的温度补偿方法:(1)线路补偿法初始状态 Uo=A(R1 R4- RB R3)=0温度变化后 Uo=A[(R1+ΔR1t)R4-(RB+ΔRBt)R3]=0承受应变后 Uo=A[(R1+ΔR1t+ΔR1)R4-(RB+ΔRBt)R3]=AΔR1R4=AR1R4Kε
(2)应变片的自补偿法
[1]
电阻应变片的测量电路
应变式传感器应用
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语音
1.
2.
应变式传感器优点
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语音
应变式传感器具有很多优点:1、分辨力高,能测出极微小的应变,如1-2微应变;2、误差较小,一般小于1%;3、尺寸小、重量轻。4、测量范围大,从弹性变形一直可测至塑性变形(1-2%),最大可达20%;5、既可测静态,也可测快速交变应力;6、具有电气测量的一切优点,如测量结果便于传送、记录和处理;7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个大气压;从接近绝对零度低温至近1000℃高温;离心加速度可达数十万个“g”;在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下,只要采取适当措施,亦能可靠地工作;8、价格低廉、品种多样,便于选择和大量使用。
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应变式传感器工作原理及应用
应变式传感器是一种用金属弹性体将力转换为电信号的功能元件,一般由电阻应变计、弹性体、传输电路三部分组成。它是通过安装在弹性体敏感表面的电阻应变计组成的惠斯通电桥电路,在外加电源的激励下,实现“力—应变—电阻—电信号变化”四个转换环节转化的一种力敏传感器。电阻应变式传感器基本...
2019-09-290
阅读49
参考资料
1.

陈杰.传感器与检测技术:高等教育出版社,2002.8:40
应变片传感器:E+E传感器及应变片压力传感器原理与应用  第2张

应变片传感器:应变片传感器

电阻应变片(1张)
它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。  工作原理   金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:  式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)  S——导体的截面积(cm2)  L——导体的长度(m)  我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝
[1]
的应变情况。

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