在现代工业中,传感器非常重要。在各种不同的应用领域,例如,测试,数据采集,自动化和质量控制等,他们被用来测量各种不同的物理量。 随着市场的不断扩大 (1) 新的测试方法也在不断涌现。

这种趋势提供了多种技术选择。但是,传统的技术具有多方面的优势,例如,具有多年的经验和技术。

例如, 箔式应变计 采用 虎克定律 (2)(3) 并且在持续的改进中。其安装简单并且价格低廉。

采用箔式应变计进行测量

金属箔式应变计 广泛地应用与 扭矩压力测量中。绝大多数的力传感器,称重传感器,扭矩传感器和极高压力的传感器都基于这个原理,并有多种测量结构。

所有的箔式应变计都基于同样的原理;都是将正,负应变信号转换为电信号。弹性体在负载作用下将产生应变,四个应变片 – 两个正向,两个负向,组成 惠斯通电桥。惠斯通电桥产生的输出电压能够等比例地反映弹性体的变形。

图 1. 应变片连接组成一个惠斯登电桥电路,得到的输出电压可以很容易地测定任何弹性体变形。

输出信号为供给电压和输出电压的比率。计算公式如下: 

在机械量的测量中,箔式应变片传感器是最为精确的。并且其具有非常小的不确定性。

不像其他的原理,箔式应变片传感器只需要扩展弹性体,就可以测量几乎无限制的负载。例如 达到 MN 范围内的 力传感器,MNm 量程的 扭矩传感器 和 GPa 量程的 压力传感器 (7)

如果动态性能非常重要,应变区域可以被设计得足够小并具有极高的刚度。 (4)(5)(6).

在其他的应用中,例如 测量静态水压的压力传感器, 这对于其他机械量来说,其有多种选择。 低压应用,这也是最大的应用市场,通常采用 压阻 MEMS 解决方案, 尤其是只有几帕的低压测量中。

图 2 提供了在压力测量中,不同类型的应变技术和他们的适应性.

图2: 不同压力测量技术的对比 (8)

通过此表,可以看出在超高压传感器中应变片是最佳的选择,其具有极高的精度和长期稳定性。当和各个国家的计量院进行比对时,结果尤其明显。 (9)

同样,对于其他测量量进行不同的原理对比分析是非常必要的,尤其当设计完整的测量链时。

结论

应变传感器 提供难以置信的精度和极高的长期稳定性,并且具有足够宽的带宽适合快速测量。 在传感器生产过程中,对于测量误差,电阻网可以非常容易进行调整。在大多数工业场合下,应变传感器都是最佳选择,尤其是进行高精度测量。高精度测量对于测量跟踪是非常重要的,并且可以达到国家计量院级别 (10)(11)(12)

低成本的应变传感器对于各种主流应用来说,其不仅价格低廉,而且容易使用,是很多称重传感器,力传感器的最佳选择。

参考书

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, U.S.A.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nurnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 22-25, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

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