Tenometers——張力測量傳感器

應變計傳感器 — 一種參數電阻式傳感器，可將由施加到其上的機械應力引起的剛體變形轉換為電信號。

電阻式壓力表是帶有敏感元件的底座。使用應變片測量應變的原理是應變片的電阻在應變過程中發生變化。 1856 年開爾文勳爵和 OD Hvolson 分別於 1856 年和 1881 年發現了金屬導體在全方位壓縮（靜水壓力）作用下的電阻變化效應。

在其現代形式中，應變片在結構上代表了一個應變電阻，其敏感元件由對張力敏感的材料（金屬絲、箔等）製成，並用粘合劑（膠水、水泥）固定在被測部件上（圖1）。為了將傳感元件連接到電路，應變計具有電線。一些應變片設計為更易於安裝，它們在敏感元件和被測部件之間有一個墊片，以及位於敏感元件上方的保護元件。

圖1 應變片原理圖：1-敏感元件； 2-粘合劑； 3-基材； 4-調查細節； 5-保護元件； 6- 焊接塊（焊接）； 7線接線

在使用應變片傳感器解決各種任務時，可以區分它們的兩個主要應用領域：

——研究材料的物理特性、零件和結構的變形和應力；

— 使用應變計測量機械值，這些值被轉換為彈性元件的變形。

第一種情況的特點是電壓測量點數量多、環境參數變化範圍大以及無法校準測量通道。在這種情況下，測量誤差為 2-10%。

第二種情況，傳感器根據測量值進行校準，測量誤差在0.5-0.05%範圍內。

使用應變片最顯著的例子是天平。大多數俄羅斯和外國製造商的秤都配備了應變片。稱重傳感器秤應用於各個行業：有色和黑色冶金、化工、建築、食品等行業。

電子秤的工作原理簡化為通過將變形等產生的變化轉換為成比例的輸出電信號來測量作用在稱重傳感器上的重力。

張量電阻器的廣泛使用由它們的許多優點解釋：

——體積小、重量輕；

— 低慣性，允許使用應變片進行靜態和動態測量；

——具有線性特性；

——允許在許多點進行遠程測量；

— 將它們安裝在被檢零件上的方法不需要復雜的設備，也不會扭曲被檢零件的變形場。

而它們的缺點，即溫度敏感性，在大多數情況下可以得到補償。

轉換器的類型及其設計特點

應變片的操作基於變形效應現象，變形效應現象包括金屬絲在機械變形過程中的有效電阻的變化。材料變形效應的特徵是相對變形敏感係數K，定義為電阻變化與導體長度變化之比：

k = 呃 / 埃爾

其中er = dr / r——導體電阻的相對變化； el = dl / l — 導線長度的相對變化。

在固體變形過程中，其長度的變化與體積的變化有關，並且它們的特性，特別是電阻值，也會發生變化。因此，一般情況下靈敏度係數的取值應表示為

K = (1 + 2μ) + m

此處，量 (1 + 2μ) 表徵與導體的幾何尺寸（長度和橫截面）變化相關的電阻變化，以及 - 與其物理變化相關的材料電阻變化特性。

如果在張量的產生中使用半導體材料，則靈敏度主要取決於晶格材料在其變形過程中的性質變化和 K »m，並且對於不同的材料可以從 40 到 200 不等。

所有現有的轉換器可以分為三種主要類型：

- 金屬絲;

——貼膜；

- 電影。

有線遙測計用於在兩個方向上測量非電量的技術。

第一個方向是利用導體在體積壓縮狀態下的變形效應，此時換能器的自然輸入值為周圍氣體或液體的壓力。在這種情況下，換能器是放置在測量壓力（液體或氣體）區域中的線圈（通常是錳銅）。轉換器的輸出值是其有源電阻的變化。

第二個方向是利用張力敏感材料製成的張力線的張力作用。在這種情況下，電壓傳感器以“自由”轉換器的形式和粘合的形式使用。

“自由”應變片以一根或一排導線的形式製成，固定在可移動和不可移動部件之間的末端，通常同時發揮彈性元件的作用。這種換能器的自然輸入值是運動部件的運動非常小。

最常見類型的鍵合線應變計的裝置如圖 2 所示。將一根直徑為 0.02-0.05 毫米的細線呈鋸齒形放置，粘在一條薄紙或漆箔上。含鉛銅線連接到電線的末端。轉換器的頂部覆蓋有一層清漆，有時用紙或毛氈密封。

通常安裝傳感器時，其最長邊朝向被測力的方向。這種粘在試樣上的換能器感知其表面層的變形。因此，粘合換能器的自然輸入值是它所粘合的部分錶層的變形，輸出是換能器的電阻變化與該變形成正比。通常，膠合傳感器比非膠合傳感器使用得更頻繁。

圖2——鍵合線應變片：1——應變片線； 2- 膠水或水泥； 3- 玻璃紙或紙襯； 4線電線

換能器的測量基數是導線所佔部分的長度。最常用的傳感器是 5-20 毫米基座，電阻為 30-500 歐姆。

除了最常見的輪廓應變計設計外，還有其他設計。如果需要減小傳感器的測量底座（至 3-1 毫米），則可以通過纏繞法來完成，該方法包括將一圈負載敏感線纏繞在一根管子上的圓形橫截面心軸上。薄紙。然後將該管粘合，從心軸上取下，壓平，並將電線連接到電線的末端。

當需要從帶有熱轉換器的電路中獲得大電流時，他們通常使用帶有盤繞線的“強大”應變片......它們由大量（最多 30 - 50 條）並聯的電線組成，不同大尺寸（底座長度 150 — 200 毫米）並顯著增加通過轉換器的電流（圖 3）。

圖 3- 低電阻張力計（“強力”）：1——應變計線； 2- 膠水或水泥； 3- 玻璃紙或紙襯； 4針線

線探頭與樣品（基板）的接觸面積小，可降低高溫下的漏電流，並導致敏感元件與樣品之間的隔離電壓更高。

箔式稱重傳感器是最流行的粘附式稱重傳感器。箔換能器是一條 4-12 微米厚的箔條，通過蝕刻選擇金屬的一部分，其餘部分形成鉛柵，如圖 4 所示。

在製作這種網格時，可以預見網格的任何圖案，這是箔式應變片的一個顯著優勢。在圖 4 中，a 顯示了設計用於測量線性應力狀態的箔換能器的外觀，如圖 1 所示。 4，c — 粘在軸上用於測量扭矩的箔式換能器，在圖 1 中。 4、b——粘在膜上。

圖 4- 箔轉換器： 1- 調節迴路； 2- 對膜張力敏感的彎曲； 3- 旋轉對隔膜的壓縮力敏感

箔轉換器的一個重要優勢是可以增加轉換器端部的橫截面；在這種情況下，可以比使用電線轉換器更可靠地完成電線的焊接（或焊接）。

與線變形器相比，箔變形器具有更高的敏感元件表面與橫截面積（靈敏度）的比率，並且在臨界溫度和持續負載下更穩定。大表面積和小橫截面也保證了傳感器和样品之間良好的溫度接觸，從而減少了傳感器的自熱。

生產箔式應變片，使用與測距儀相同的金屬（康銅、鎳鉻合金、鎳鐵合金等），也使用其他材料，例如鈦鋁合金 48T-2，它測量應變高達 12%，以及一些半導體材料。

薄膜張量

近年來，出現了另一種大規模生產鍵合電阻應變的方法，該方法包括應變敏感材料的真空昇華及其隨後在直接噴塗到工件上的基板上的冷凝。這種換能器稱為薄膜換能器。這種應變片的小厚度（15-30 微米）在高溫下以動態模式測量應變時具有顯著優勢，其中應變測量是一個專門的研究領域。

許多基於鉍、鈦、矽或鍺的薄膜應變片已製成單個導電條的形式（圖 5）。與製成換能器的材料的靈敏度相比，這樣的換能器不具有降低換能器的相對靈敏度的缺點。

圖5-薄膜應變片：1-應變片薄膜； 2-漆箔； 3芯線

金屬膜基換能器的應變片係數為2-4，其電阻在100到1000歐姆之間變化。基於半導體薄膜製成的換能器具有 50-200 數量級的係數，因此對施加的電壓更敏感。在這種情況下，無需使用放大器電路，因為半導體應變電阻橋的輸出電壓約為 1 V。

不幸的是，半導體轉換器的電阻隨施加的電壓而變化，並且在整個電壓範圍內基本上是非線性的，並且還高度依賴於溫度。因此，雖然在使用金屬膜變形器時需要放大器，但線性度非常高，並且可以輕鬆補償溫度影響。