1、电阻式传感器的应用与发展刘剑锋 徐宗涛 王冰摘 要：传感器技术是信息技术的三大支柱之一，广泛用于日常生活以及工业自动化、能源、交通、安防、环保、卫生等领域，具有举足轻重的作用。同时随着人们对传感器研究的深入，各行各业也都逐渐的将这一技术应用于其发展过程中，如汽车工业、化纤工业等。本文主要从传感器的发展史出发，结合其在当今社会中的应用深入探究，着重分析了电阻应变式传感器应用的基本原理、电路分析，以方便今后的学习。同时对其今后的发展空间房展方向予以预测。关键词 ： 电阻传感器 应变式电阻传感器 功能 发展正 文 ： 所谓传感器，即能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。电
2、阻式传感器主要分为三类即：电阻应变式、固态压阻式、热电阻 式。电阻应变式传感器是利用电阻的应变效应来完成工作的，即半导体材料或者是金属材料在外力作用下产生机械性变时，其电阻值也相应的发生变化。1.传感器的发展史传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在 80 年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。日本科学技术厅制定的 90 年代重点科研项目中有 70 个重点课题，其中有18 项是与传感器技术密切相关。美国早在 80 年代初就成立了国家技术小组（BTG） ，帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。 图一：传感
3、器原理图从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热” 。美国国防部将传感器技术视为今年 20 项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为大核心枝术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在 10以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到 5000 余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家 1000 余家，日本有 800 余家。2.电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器其电阻
4、的变化主要用电桥来测量，利用粘贴在弹性元件上的电阻应变片，将弹性元件的微小变化转成电量的变化，将放大后显示或记录。为了使传感器的操作更加方便，在设计与研制过程中要尽量保证其体积与质量足够的小，即尽量提高传感器在市场上的性价比。弹性元件是应变式传感器的主要的关键部件，它的结构形状，材料，加工精度，热处理工艺等关系到传感器的性能。在结构方面，要求弹性元件只受到被测物理量的作用而减小其他物理量的影响。电阻应变计主要由敏感栅、基底、引线、粘结剂、表面覆盖物五部分组成。敏感栅作为把结构应变转化为编组变化的敏感元件，是构成电阻应变计的主要组成部分。由基底材料支撑，使其与被粘物件保持绝缘。通常通过粘结剂与表
5、面覆盖物粘合。电阻应变计作为一种把应变信号直接转化为电信号的敏感元件，因而适用于各种传感器。下面将其在称重传感器中的应用结合电阻式应变传感器的工作原理，具体分析电阻应变式传感器在现实生活生产中的应用。图二：1敏感栅 2基底 3引线 4粘结剂 5表面物盖物如图所示，将四个应变计分别安装在桥的四个臂上，电阻应变计 R1 和 R3受拉伸应力，R2 与 R4 受压缩应力，那么这种安装的结果是当称重传感器承载后，增加了电桥从 C 到 A 的最终输出电压，相反，当称重传感器由于受温度湿度等其它条件影响而改变它的电阻时，由于增加或减少相同的量，电桥的最终输出不会发生变化，这种电桥的构造由于其他条件产生单一的
6、输出最小值，而使称重传感器产生输出最大值。3.电阻应变式传感器的实际应用电阻应变式传感器在自动浇花技术上的应用。由于蒸发的作用花盆的整体的重量减少就近似等于水分的减少。利用电阻应变式传感器可以检测出某时的总重量，设为 M1，利用单片机可以将 M1 与设定值 Mmin 比较，当 M1设定值时停止工作。该系统由以下几部分组成：主控制器，电阻应变传感器，AD 转换模块，电机及电机控制模块，键盘显示部分。下图为系统结构框图。图三：受拉前后的原理图图四：浇花系统结构图系统初始化后显示的数值为当前的总质量，用户根据具体需要利用按键进行总质量的上下参数设定，然后启动工作按钮，自动浇花开始工作。当单臂电桥不平
7、衡的时候，输出一个电压，经过放大电路的放大，经过 AD 转换电路的转换成八位数字量，送给单片机，单片机将收到的数值与设定值进行比较，当其小于下限 Mmin 时电机开始工作，当质量大于 Mmax 时，电机则停止工作。上图为安装在不同试件的应变传感器，测量时，用附加夹具可将传感器安卡在被测的表面上，当试件加力 P 时，两支撑间的距离由 L 增加到(L+L )使连接在活动支撑上的弹性元件发生弯曲变形，于是粘贴在弹性元件上的应变片的电阻阻值发生变化，从而输出与被测量程比例关系的电量最后二次仪表输出应变数值。其测量公式为：L=ue/K 式中：ue 为输出应变量；L 为标距的绝对变形；K 为灵敏系数。K
8、值得物理意义是：传感器标距变化 1 微米的时的二次仪表输出应变数，K 值越大，灵敏度越高。4.电阻应变式传感器的发展随着信息技术的快速发展和广泛应用，在传感器的功能上将会更加注重温度参数、适度参数的检测与控制，此外电阻应变式传感器由于其特有的有点还将更多的用于工业、农业、医药等领域。据资料显示，目前市场上所选用的检测与控制类仪表都选用美国、日本、台湾等地区，国内自主研发拥有自主产权的产品较少我国的电阻应变技术，自八十年代中期引进国外生产技术以来，应变计的种类和数量都有较大提高，虽然生产量较大，但是能够满足特殊要求的却不足 1%，因此，传感器的研究与制造将会成为近年来有一个十分重要与热门图五：浇
9、花单臂电桥工作原理图六：安装在于圆柱试件上电阻式应变传感器 图七： 安装在于板状试件上电阻式应变传感器 的行业。电阻应变式称重传感器的发展将会趋于小型化，集成化，多功能化，智能化。尤其是智能化将越来越受到用户的青睐。同时，在今后的开发与研究过程中，将会更多的考虑其稳定性、可靠性，并且制造技术将成为传感器市场的核心竞争力，但是在发展过程中将会以以下几点作为一个电阻应变式称重传感器的优劣。经济性：传感器技术的发展日新月异，但是能够更进一步提高传感器的自身的性价比将会为其发展史上的一场革命。灵敏性：市场上的传感器灵敏性虽然较好， ，但是以目前的技术而言，仅能够满足一小部分行业的需求。稳定性：要提高传
10、感器的稳定性，应该在生产和应用两个层面上进行预防和改进。应变片与弹性体间的粘帖强度、应变片的粘帖等都是非常关键的要素，这一工作的好坏，直接影响胶的粘接质量，乃至测量精度，如果帖片不严格，技术不熟练，即使使用最好的应变片也无济于事。5.电阻应变传感器的改善电阻应变式传感器也有其缺点，如直接粘贴式应变计粘贴工艺复杂，防潮密封技术措施难度大，长期监测稳定性较差，不可重复使用等。为此可以对弹性体加工成形，虽然所用材料要增加，但是对传感器的整体性能更加。为消除加工应力的干扰，对加工后的弹性体需作严格的热处理及表面美化的工艺。同时要对电阻应变传感器的加压，固化，多道防潮密封，组桥接线，引出长导线等。其他主
11、要零部件的技术要求应满足和保证传感器的精度和灵敏度，且具有一定的抗外界干扰能力（如温度变化等） 。传感器的正确的安装，应保证加载力的作用线和传感器的受力轴线重合。在安装前应检查安装面是否平整，清洁，无油膜，胶膜，油漆等的存在。参考文献1 任志斌 宜兴申大电子称量有限公司 电阻式应变称重传感器选用与使用原则浅谈 2005 年 3 月2 沈承良 同济大学学报 电阻式应变传感器的设计与研制 1996 年 2 月第 24 期3 王力 鲁南 吴辉 电阻式湿度传感器的系列化设计及应用测控技术2000 年 19 卷第 11 期4 牛海清 林莘 朱松 电阻式传感器的结构设计及误差特性 东北电力技术 2002
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