差動電阻式感測器

差動電阻式感測器是美國加州加利福尼亞大學的卡爾遜教授在1932年研製成功的。因此，又習慣被稱為卡爾遜式儀器。這種儀器利用張緊在儀器內部的彈性鋼絲作為感測器元件將儀器受到的物理量轉變為模擬量，所以國外也稱這種感測器為彈性鋼絲式（Elastic Wire）儀器。

基本介紹

• 中文名：差動電阻式感測器
• 外文名：差動電阻式感測器
• 性質：感測器
• 屬性：電阻
• 國家：美國

原理

工作原理

在儀器內部採用兩根特殊固定方式的鋼絲，鋼絲經過預拉，張緊支桿上，如圖1所示。當儀器受到外界的拉壓變形時，一根鋼絲受拉，其電阻增加。另一根鋼絲受壓，其電阻減少。測量兩根鋼絲電阻的比值，就可以求得儀器的變形量。這樣的結構設計，使兩根鋼絲的電阻在受變形時差動變化，目的是提高儀器對變形的靈敏度，並且使變形引起的電阻變化不影響溫度的測量。

圖1差動電阻式儀器原理

溫度引起兩根鋼絲的電阻變化是同方向的，當溫度升高時兩根鋼絲的電阻都增大，而溫度降低時，兩根鋼絲的電阻則都減少。測定兩根鋼絲的串聯電阻，就可以求得儀器感受的外界溫度。

測量原理

差動電阻式感測器的讀數裝置是電阻比電橋（惠斯通型），差動電阻式儀器可以用兩個串聯的電阻來表示，如圖2所示。圖中R1為外圈鋼絲的電阻值，R2為內圈鋼絲的電阻值，人工測量一般採用水工比例電橋，它利用電橋測量原理測量差動電阻式儀器的總電阻R1+R2和電阻比R1/R2來計算溫度的變形。

圖2差動電阻式儀器電阻效果圖

為了能準確地測量差動式電阻儀器的電阻和電阻比，在實際套用過程中，用四芯或五芯電纜將儀器電纜接長，並採用四芯或五芯測法進行測量，儘可能清除長電纜對測量結果的影響，下面以五芯測法為例，介紹用恆流源對差動電阻式儀器的測量方法。

用恆流源測量差動電阻式儀器原理如圖3所示，圖中R1、R2為差電阻式儀器兩個分線電阻，r1、r2．．．．．．r5分別為藍、黑、紅、綠、白五芯的芯線電阻，RS為標準電阻，I0為恆流電流。如圖可得出：Us=I0*Rs (1)

圖3差動電阻式儀器測量原理圖

U1=I0*R1 (2)

U2=I0*R2 (3)

U3=I0*(R1+r5) (4)

由式(1)、(2)、(3)、(4) 可得出總電阻和電阻比為

通過測量U1，U2，U3和Us，即可利用式(5)、 (6)、(7)進行計算。

發展過程

差阻式儀器因其防潮、長期測量穩定可靠、測試方法簡單、絕緣要求低、防雷能力強、經濟、可兼測溫度而在國內得到了較廣泛的運用。針對該類儀器內阻低、儀器電阻變差會影響測值等難題，國內工程技術人員創造了5芯儀器測量原理，使得儀器測量與電阻變差及電纜芯線電阻大小無關，實現了差阻式儀器的自動化監測。幾十年來，在國內大壩和岩土工程中已埋設了產品30萬支以上。我國科技人員通過這些儀器的使用，取得了大量有用成果，也積累了豐富的經驗。在此基礎上，1982年即編制了有關國家標準，1989年編入大壩安全監測技術規範，有關儀器的規程規範對儀器的質量控制和工程套用發揮了促進和指導作用。

近20年來技術有了很大進步，差阻式儀器從4芯連線發展到5芯連線，測量儀表從傳統的水工比例電橋發展到5芯測量儀表和自動化系統。在這樣的技術背景下，有關技術標準和規範也應有所更新，才能有利於儀器的進一步發展和套用。