電阻應(yīng)變傳感器在柔性自動化中的應(yīng)用

張前毅

（四川機電職業(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)線電阻組成壓力傳感器工作原理

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

對式（1）全微分得：

當采用全橋等臂時有：R1＝R2＝R3＝R4，對（2）整理得

（在這里姑且認為拉伸和壓縮的應(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控制的前端檢測機構(gòu)，應(yīng)根據(jù)被測構(gòu)件材質(zhì)、形狀、受力狀況、環(huán)境溫度、允許電流、零件外形尺寸等來選用。若貼片空間允許，應(yīng)選用標距大的應(yīng)變片，受力應(yīng)變時，阻值變化量大，提高信號檢測靈敏度，從而實現(xiàn)高精度自動控制。

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，必須對試件表面進行機械、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，待膠開始濃縮時，將應(yīng)變片貼在規(guī)定的位置上。因環(huán)境溫度的變化對整個電阻應(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應(yīng)變片，粘貼好后如圖2所示在攀鋼西渣自動運輸線的改造中，將電阻應(yīng)變片測試裝置安裝在鐵路基軌道下面，要避免陽光直曬。新安裝的應(yīng)變片，第一次承受應(yīng)變載荷時，常常會產(chǎn)生較大的機械滯后，經(jīng)過若干次加載、卸載后，機械滯后會明顯減少。

圖2 電阻片等強度梁應(yīng)力測試側(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，獲得較大的被測信號，也有益于降低電阻應(yīng)變片通過電流，從而降低電流的熱效應(yīng)對黏結(jié)劑軟化的影響。在攀鋼西渣礦運輸線的柔性自動化改造中，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)貼成對稱臂，來擴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，應(yīng)變片的應(yīng)變與構(gòu)件表面的機械應(yīng)變之間應(yīng)當是一個確定的關(guān)系。由材料力學(xué)知：在彈性變化范圍內(nèi)，受軸向拉伸時，其截面正應(yīng)力為：

圖3 電阻片等強度梁應(yīng)力測試俯視圖

其中：E 為材料彈性模量，ε 為對應(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，

將式（5）、（6）代入式（4）整理得：

4 電阻片等強度梁傳感器的標定

由上面的式（7）理論分析可知，電阻片等強度梁傳感器輸出電壓與傳感器的電源電壓、等強度梁的材料（實際選用45 號鋼）、等強度梁的外觀尺寸以及所施外力大小有關(guān)，并且與外力成線性關(guān)系，但能否滿足實際需要，以及它的線性系數(shù)的確定。在實際應(yīng)用中需要對傳感器進行標定，標定方法如下：通過施加標準載荷，由測量儀器輸出一系列對應(yīng)值，將對應(yīng)兩者描點，從而得到一條標定曲線以及曲線方程，并測出最大加載應(yīng)力，為以后的壓力測定作鋪墊。

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，需要通過放大器放大、阻抗匹配、電壓轉(zhuǎn)換等功能后才能用作自動控制輸入。在攀鋼西渣礦運輸線的柔性自動化改造中，將電阻應(yīng)變片傳感器輸出電壓通過放大器放大、濾波等一系列處理后，用作PLC 控制的輸入點來實現(xiàn)自動控制。

6 結(jié)束語

電阻應(yīng)變片傳感器用作柔性自動化控制時，它作為最前端的檢測機構(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。

［1］李登超.參數(shù)檢測與自動控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］唐謀風.現(xiàn)代帶鋼冷軋機的自動化［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

［3］張迎新.非電量測量技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［4］林葉春，黃 輝.基于PLC 技術(shù)的船舶艏側(cè)推控制系統(tǒng)［J］.電氣自動化，2009，（5）.

［5］吳益峰，王孟效，湯 偉.基于西門子PLC 的紙機QCS控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電氣自動化，2009，（5）.

［6］梅 強.壓力傳感器試驗臺零點漂移分析及測量不確定度評定，鐵道技術(shù)監(jiān)督［J］.2009，（5）.

［7］陳 玉，李 剛.壓力傳感器動態(tài)特性研究［J］.煤礦機電，2008，（5）.