電阻應(yīng)變傳感器在柔性自動(dòng)化中的應(yīng)用

張前毅

（四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川攀枝花617000）

1 電阻應(yīng)變片的工作原理

2 金屬導(dǎo)線(xiàn)電阻組成壓力傳感器工作原理

用四個(gè)相同電阻應(yīng)變片組成如圖1所示電路，圖中受應(yīng)力輸出電壓為：

對(duì)式（1）全微分得：

當(dāng)采用全橋等臂時(shí)有：R1＝R2＝R3＝R4，對(duì)（2）整理得

（在這里姑且認(rèn)為拉伸和壓縮的應(yīng)變量相等）

圖1 電阻應(yīng)變片傳感器原理圖

3 電阻應(yīng)變片傳感器

電阻應(yīng)變片傳感器作為自動(dòng)控制的前端檢測(cè)機(jī)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)構(gòu)件材質(zhì)、形狀、受力狀況、環(huán)境溫度、允許電流、零件外形尺寸等來(lái)選用。若貼片空間允許，應(yīng)選用標(biāo)距大的應(yīng)變片，受力應(yīng)變時(shí)，阻值變化量大，提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)控制。

3.1 電阻應(yīng)變片傳感器的制作

為使應(yīng)變片牢固地粘貼在試件表面上，必須對(duì)試件表面進(jìn)行機(jī)械、化學(xué)處理，處理面積約為應(yīng)變片的2～3 倍。用脫脂棉蘸丙酮或無(wú)水乙醇擦洗處理好的貼片表面及應(yīng)變片的背面，晾干后均勻的涂一層膠，待膠開(kāi)始濃縮時(shí)，將應(yīng)變片貼在規(guī)定的位置上。因環(huán)境溫度的變化對(duì)整個(gè)電阻應(yīng)變片傳感器的影響，應(yīng)將電阻應(yīng)變片貼成橋型結(jié)構(gòu)，如圖3所示的下表面也粘貼一對(duì)應(yīng)變片，粘貼好后如圖2所示在攀鋼西渣自動(dòng)運(yùn)輸線(xiàn)的改造中，將電阻應(yīng)變片測(cè)試裝置安裝在鐵路基軌道下面，要避免陽(yáng)光直曬。新安裝的應(yīng)變片，第一次承受應(yīng)變載荷時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械滯后，經(jīng)過(guò)若干次加載、卸載后，機(jī)械滯后會(huì)明顯減少。

圖2 電阻片等強(qiáng)度梁應(yīng)力測(cè)試側(cè)視圖

3.2 電阻應(yīng)變片的阻值選擇

許多電阻應(yīng)變片的阻值為120Ω，但為了提高電阻應(yīng)變片的供電電壓，或者在相同的供電電壓時(shí)，獲得較大的被測(cè)信號(hào)，也有益于降低電阻應(yīng)變片通過(guò)電流，從而降低電流的熱效應(yīng)對(duì)黏結(jié)劑軟化的影響。在攀鋼西渣礦運(yùn)輸線(xiàn)的柔性自動(dòng)化改造中，選用了350Ω 的金屬薄膜應(yīng)變片，粘貼在如圖2所示的被測(cè)構(gòu)件上后，特別注意，同為拉伸（壓縮）電阻應(yīng)變片應(yīng)貼成對(duì)稱(chēng)臂，來(lái)擴(kuò)大由壓力引起的輸出電壓。圖2中：P 為砝碼重量（kg）；L為應(yīng)變片中心位置至加載處的距離（mm）；h 為懸臂梁的高度（mm）；b 為貼片處梁的寬度（mm）在相同溫度時(shí)，應(yīng)變片的應(yīng)變與構(gòu)件表面的機(jī)械應(yīng)變之間應(yīng)當(dāng)是一個(gè)確定的關(guān)系。由材料力學(xué)知：在彈性變化范圍內(nèi)，受軸向拉伸時(shí)，其截面正應(yīng)力為：

圖3 電阻片等強(qiáng)度梁應(yīng)力測(cè)試俯視圖

其中：E 為材料彈性模量，ε 為對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變。在如圖3所示，應(yīng)變片粘貼位置及加載分布時(shí)，

將式（5）、（6）代入式（4）整理得：

4 電阻片等強(qiáng)度梁傳感器的標(biāo)定

由上面的式（7）理論分析可知，電阻片等強(qiáng)度梁傳感器輸出電壓與傳感器的電源電壓、等強(qiáng)度梁的材料（實(shí)際選用45 號(hào)鋼）、等強(qiáng)度梁的外觀(guān)尺寸以及所施外力大小有關(guān)，并且與外力成線(xiàn)性關(guān)系，但能否滿(mǎn)足實(shí)際需要，以及它的線(xiàn)性系數(shù)的確定。在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定方法如下：通過(guò)施加標(biāo)準(zhǔn)載荷，由測(cè)量?jī)x器輸出一系列對(duì)應(yīng)值，將對(duì)應(yīng)兩者描點(diǎn)，從而得到一條標(biāo)定曲線(xiàn)以及曲線(xiàn)方程，并測(cè)出最大加載應(yīng)力，為以后的壓力測(cè)定作鋪墊。

5 電阻應(yīng)變片傳感器輸出電壓的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片傳感器輸出電壓的幅值還比較小，往往不能直接應(yīng)用，需要通過(guò)放大器放大、阻抗匹配、電壓轉(zhuǎn)換等功能后才能用作自動(dòng)控制輸入。在攀鋼西渣礦運(yùn)輸線(xiàn)的柔性自動(dòng)化改造中，將電阻應(yīng)變片傳感器輸出電壓通過(guò)放大器放大、濾波等一系列處理后，用作PLC 控制的輸入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

電阻應(yīng)變片傳感器用作柔性自動(dòng)化控制時(shí)，它作為最前端的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，直接影響控制靈敏度和精度。傳感器的制作中電阻應(yīng)變片選擇、制作工藝、安裝調(diào)試最為關(guān)鍵。

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