差动传感器

原理

    工作原理

    图1差动电阻式仪器原理

    在仪器内部采用两根特殊固定方式的钢丝，钢丝经过预拉，张紧支杆上，如图1所示。当仪器受到外界的拉压变形时，一根钢丝受拉，其电阻增加。另一根钢丝受压，其电阻减少。测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器的变形量。这样的结构设计，使两根钢丝的电阻在受变形时差动变化，目的是提高仪器对变形的灵敏度，并且使变形引起的电阻变化不影响温度的测量。

    温度引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，当温度升高时两根钢丝的电阻都增大，而温度降低时，两根钢丝的电阻则都减少。测定两根钢丝的串联电阻，就可以求得仪器感受的外界温度。

    测量原理

    图2差动电阻式仪器电阻效果图

    差动电阻式传感器的读数装置是电阻比电桥（惠斯通型），差动电阻式仪器可以用两个串联的电阻来表示，如图2所示。图中R1为外圈钢丝的电阻值，R2为内圈钢丝的电阻值，人工测量一般采用水工比例电桥，它利用电桥测量原理测量差动电阻式仪器的总电阻R1+R2和电阻比R1/R2来计算温度的变形。

    为了能准确地测量差动式电阻仪器的电阻和电阻比，在实际应用过程中，用四芯或五芯电缆将仪器电缆接长，并采用四芯或五芯测法进行测量，尽可能清除长电缆对测量结果的影响，下面以五芯测法为例，介绍用恒流源对差动电阻式仪器的测量方法。

    用恒流源测量差动电阻式仪器原理如图3所示，图中R1、R2为差电阻式仪器两个分线电阻，r1、r2．．．．．．r5分别为蓝、黑、红、绿、白五芯的芯线电阻，R5为标准电阻，I0为恒流电流。如图可得出：

    图3差动电阻式仪器测量原理图

    Us=I0*Rs (1)

    U1=I0*R1 (2)

    U2=I0*R2 (3)

    U3=I0*(R1+r5) (4)

    由式(1)、(2)、(3)、(4) 可得出总电阻和电阻比为

    通过测量U1，U2，U3和Us，即可利用式(5)、 (6)、(7)进行计算

发展过程

    差阻式仪器因其防潮、长期测量稳定可靠、测试方法简单、绝缘要求低、防雷能力强、经济、可兼测温度而在国内得到了较广泛的运用。针对该类仪器内阻低、仪器电阻变差会影响测值等难题，国内工程技术人员创造了5芯仪器测量原理，使得仪器测量与电阻变差及电缆芯线电阻大小无关，实现了差阻式仪器的自动化监测。几十年来，在国内大坝和岩土工程中已埋设了产品30万支以上。我国科技人员通过这些仪器的使用，取得了大量有用成果，也积累了丰富的经验。在此基础上，1982年即编制了有关国家标准，1989年编入大坝安全监测技术规范，有关仪器的规程规范对仪器的质量控制和工程应用发挥了促进和指导作用。

    近20年来技术有了很大进步，差阻式仪器从4芯连接发展到5芯连接，测量仪表从传统的水工比例电桥发展到5芯测量仪表和自动化系统。在这样的技术背景下，有关技术标准和规范也应有所更新，才能有利于仪器的进一步发展和应用。