Tenometers——张力测量传感器

应变计传感器 — 一种参数电阻式传感器，可将由施加到其上的机械应力引起的刚体变形转换为电信号。

电阻式压力表是带有敏感元件的底座。使用应变片测量应变的原理是应变片的电阻在应变过程中发生变化。 1856 年开尔文勋爵和 OD Hvolson 分别于 1856 年和 1881 年发现了金属导体在全方位压缩（静水压力）作用下的电阻变化效应。

在其现代形式中，应变片在结构上代表了一个应变电阻，其敏感元件由对张力敏感的材料（金属丝、箔等）制成，并用粘合剂（胶水、水泥）固定在被测部件上（图1）。为了将传感元件连接到电路，应变计具有电线。一些应变片设计为更易于安装，它们在敏感元件和被测部件之间有一个垫片，以及位于敏感元件上方的保护元件。

图1 应变片原理图：1-敏感元件； 2-粘合剂； 3-基材； 4-调查细节； 5-保护元件； 6- 焊接块（焊接）； 7线接线

在使用应变片传感器解决各种任务时，可以区分它们的两个主要应用领域：

——研究材料的物理特性、零件和结构的变形和应力；

— 使用应变计测量转换为弹性元件变形的机械值。

第一种情况的特点是电压测量点数量多、环境参数变化范围大以及无法校准测量通道。在这种情况下，测量误差为 2-10%。

第二种情况，传感器根据测量值进行校准，测量误差在0.5-0.05%范围内。

使用应变片最显着的例子是天平。大多数俄罗斯和外国制造商的秤都配备了应变片。称重传感器秤应用于各个行业：有色和黑色冶金、化工、建筑、食品等行业。

电子秤的工作原理简化为通过将变形等产生的变化转换为成比例的输出电信号来测量作用在称重传感器上的重力。

张量电阻器的广泛使用由它们的许多优点解释：

——体积小、重量轻；

— 低惯性，允许使用应变片进行静态和动态测量；

——具有线性特性；

——允许在许多点进行远程测量；

— 将它们安装在被检零件上的方法不需要复杂的设备，也不会扭曲被检零件的变形场。

而它们的缺点，即温度敏感性，在大多数情况下可以得到补偿。

转换器的类型及其设计特点

应变片的操作基于变形效应现象，变形效应现象包括金属丝在机械变形过程中的有效电阻的变化。材料变形效应的特征是相对变形敏感系数K，定义为电阻变化与导体长度变化之比：

k = 呃 / 埃尔

其中er = dr / r——导体电阻的相对变化； el = dl / l — 导线长度的相对变化。

在固体变形过程中，其长度的变化与体积的变化有关，并且它们的特性，特别是电阻值，也会发生变化。因此，一般情况下灵敏度系数的取值应表示为

K = (1 + 2μ) + m

此处，量 (1 + 2μ) 表征与导体的几何尺寸（长度和横截面）变化相关的电阻变化，以及 - 与其物理变化相关的材料电阻变化特性。

如果在张量的产生中使用半导体材料，则灵敏度主要取决于晶格材料在其变形过程中的性质变化和 K »m，并且对于不同的材料可以从 40 到 200 不等。

所有现有的转换器可以分为三种主要类型：

- 金属丝;

——贴膜；

- 电影。

有线遥测计用于在两个方向上测量非电量的技术。

第一个方向是利用导体在体积压缩状态下的变形效应，此时换能器的自然输入值为周围气体或液体的压力。在这种情况下，换能器是放置在测量压力（液体或气体）区域中的线圈（通常是锰铜）。转换器的输出值是其有源电阻的变化。

第二个方向是利用张力敏感材料制成的张力线的张力作用。在这种情况下，电压传感器以“自由”转换器的形式和粘合的形式使用。

“自由”应变片以一根或一排导线的形式制成，固定在可移动和不可移动部件之间的末端，通常同时发挥弹性元件的作用。这种换能器的自然输入值是运动部件的运动非常小。

最常见类型的键合线应变计的装置如图 2 所示。将一根直径为 0.02-0.05 毫米的细线呈锯齿状放置，粘在一条薄纸或漆箔上。含铅铜线连接到电线的末端。转换器的顶部覆盖有一层清漆，有时用纸或毛毡密封。

通常安装传感器时，其最长边朝向被测力的方向。这种粘在试样上的换能器感知其表面层的变形。因此，粘合换能器的自然输入值是它所粘合的部分表层的变形，输出是换能器的电阻变化与该变形成正比。通常，胶合传感器比非胶合传感器使用得更频繁。

图2——键合线应变片：1——应变片线； 2- 胶水或水泥； 3- 玻璃纸或纸衬； 4线电线

换能器的测量基数是导线所占部分的长度。最常用的传感器是 5-20 毫米基座，电阻为 30-500 欧姆。

除了最常见的轮廓应变计设计外，还有其他设计。如果需要减小传感器的测量底座（至 3 - 1 毫米），则可以通过缠绕方法完成，该方法包括将负载敏感线的螺旋缠绕在管上的圆形横截面心轴上薄纸。然后将该管粘合，从心轴上取下，压平，并将电线连接到电线的末端。

当需要从带有热转换器的电路中获得大电流时，他们通常使用带有盘绕线的“强大”应变片......它们由大量（最多 30 - 50 条）并联的电线组成，不同大尺寸（底座长度 150 — 200 毫米）并显着增加通过转换器的电流（图 3）。

图 3- 低电阻张力计（“强力”）：1——应变计线； 2- 胶水或水泥； 3- 玻璃纸或纸衬； 4针线

线探头与样品（基板）的接触面积小，可降低高温下的漏电流，并导致敏感元件与样品之间的隔离电压更高。

箔式称重传感器是最流行的粘附式称重传感器。箔换能器是一条 4-12 微米厚的箔条，通过蚀刻选择金属的一部分，其余部分形成铅栅，如图 4 所示。

在制作这种网格时，可以预见网格的任何图案，这是箔式应变片的一个显着优势。在图 4 中，a 显示了设计用于测量线性应力状态的箔换能器的外观，如图 1 所示。 4，c — 粘在轴上用于测量扭矩的箔式换能器，在图 1 中。 4、b——粘在膜上。

图 4- 箔转换器： 1- 调节回路； 2- 对膜张力敏感的弯曲； 3- 旋转对隔膜的压缩力敏感

箔转换器的一个重要优势是可以增加转换器端部的横截面；在这种情况下，可以比使用电线转换器更可靠地完成电线的焊接（或焊接）。

与线变形器相比，箔变形器具有更高的敏感元件表面与横截面积（灵敏度）的比率，并且在临界温度和持续负载下更稳定。大表面积和小横截面也保证了传感器和样品之间良好的温度接触，从而减少了传感器的自热。

生产箔式应变片，使用与测距仪相同的金属（康铜、镍铬合金、镍铁合金等），也使用其他材料，例如钛铝合金 48T-2，它测量应变高达 12%，以及一些半导体材料。

薄膜张量

近年来，出现了另一种大规模生产键合电阻应变的方法，该方法包括应变敏感材料的真空升华及其随后在直接喷涂到工件上的基板上的冷凝。这种换能器称为薄膜换能器。这种应变片的小厚度（15-30 微米）在高温下以动态模式测量应变时具有显着优势，其中应变测量是一个专门的研究领域。

许多基于铋、钛、硅或锗的薄膜应变片已制成单个导电条的形式（图 5）。与制成换能器的材料的灵敏度相比，这样的换能器不具有降低换能器的相对灵敏度的缺点。

图5-薄膜应变片：1-应变片薄膜； 2-漆箔； 3芯线

金属膜基换能器的应变片系数为2-4，其电阻在100到1000欧姆之间变化。基于半导体薄膜制成的换能器具有 50-200 数量级的系数，因此对施加的电压更敏感。在这种情况下，无需使用放大器电路，因为半导体应变电阻桥的输出电压约为 1 V。

不幸的是，半导体转换器的电阻随施加的电压而变化，并且在整个电压范围内基本上是非线性的，并且还高度依赖于温度。因此，虽然在使用金属膜变形器时需要放大器，但线性度非常高，并且可以轻松补偿温度影响。