电阻应变传感器在柔性自动化中的应用

张前毅

（四川机电职业技术学院，四川攀枝花617000）

1 电阻应变片的工作原理

2 金属导线电阻组成压力传感器工作原理

用四个相同电阻应变片组成如图1所示电路，图中受应力输出电压为：

对式（1）全微分得：

当采用全桥等臂时有：R1＝R2＝R3＝R4，对（2）整理得

（在这里姑且认为拉伸和压缩的应变量相等）

图1 电阻应变片传感器原理图

3 电阻应变片传感器

电阻应变片传感器作为自动控制的前端检测机构，应根据被测构件材质、形状、受力状况、环境温度、允许电流、零件外形尺寸等来选用。若贴片空间允许，应选用标距大的应变片，受力应变时，阻值变化量大，提高信号检测灵敏度，从而实现高精度自动控制。

3.1 电阻应变片传感器的制作

为使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须对试件表面进行机械、化学处理，处理面积约为应变片的2～3 倍。用脱脂棉蘸丙酮或无水乙醇擦洗处理好的贴片表面及应变片的背面，晾干后均匀的涂一层胶，待胶开始浓缩时，将应变片贴在规定的位置上。因环境温度的变化对整个电阻应变片传感器的影响，应将电阻应变片贴成桥型结构，如图3所示的下表面也粘贴一对应变片，粘贴好后如图2所示在攀钢西渣自动运输线的改造中，将电阻应变片测试装置安装在铁路基轨道下面，要避免阳光直晒。新安装的应变片，第一次承受应变载荷时，常常会产生较大的机械滞后，经过若干次加载、卸载后，机械滞后会明显减少。

图2 电阻片等强度梁应力测试侧视图

3.2 电阻应变片的阻值选择

许多电阻应变片的阻值为120Ω，但为了提高电阻应变片的供电电压，或者在相同的供电电压时，获得较大的被测信号，也有益于降低电阻应变片通过电流，从而降低电流的热效应对黏结剂软化的影响。在攀钢西渣矿运输线的柔性自动化改造中，选用了350Ω 的金属薄膜应变片，粘贴在如图2所示的被测构件上后，特别注意，同为拉伸（压缩）电阻应变片应贴成对称臂，来扩大由压力引起的输出电压。图2中：P 为砝码重量（kg）；L为应变片中心位置至加载处的距离（mm）；h 为悬臂梁的高度（mm）；b 为贴片处梁的宽度（mm）在相同温度时，应变片的应变与构件表面的机械应变之间应当是一个确定的关系。由材料力学知：在弹性变化范围内，受轴向拉伸时，其截面正应力为：

图3 电阻片等强度梁应力测试俯视图

其中：E 为材料弹性模量，ε 为对应轴向应变。在如图3所示，应变片粘贴位置及加载分布时，

将式（5）、（6）代入式（4）整理得：

4 电阻片等强度梁传感器的标定

由上面的式（7）理论分析可知，电阻片等强度梁传感器输出电压与传感器的电源电压、等强度梁的材料（实际选用45 号钢）、等强度梁的外观尺寸以及所施外力大小有关，并且与外力成线性关系，但能否满足实际需要，以及它的线性系数的确定。在实际应用中需要对传感器进行标定，标定方法如下：通过施加标准载荷，由测量仪器输出一系列对应值，将对应两者描点，从而得到一条标定曲线以及曲线方程，并测出最大加载应力，为以后的压力测定作铺垫。

5 电阻应变片传感器输出电压的应用

电阻应变片传感器输出电压的幅值还比较小，往往不能直接应用，需要通过放大器放大、阻抗匹配、电压转换等功能后才能用作自动控制输入。在攀钢西渣矿运输线的柔性自动化改造中，将电阻应变片传感器输出电压通过放大器放大、滤波等一系列处理后，用作PLC 控制的输入点来实现自动控制。

6 结束语

电阻应变片传感器用作柔性自动化控制时，它作为最前端的检测机构，直接影响控制灵敏度和精度。传感器的制作中电阻应变片选择、制作工艺、安装调试最为关键。

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