第3章电阻应变片式传感器1

第3章应变式传感器教师：郑一力办公室：森工楼423E-mail：[e-mail]:13811762730or62337736-423例：取一根细电阻丝，两端接上一台3位半位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由在弹性元件(被测对象)上粘贴电阻应变片构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。主要内容3.1工作原理3.2电阻应变片种类、材料及粘贴3.3电阻应变片特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器的典型应用3.1工作原理•应变–物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象•弹性应变–当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变•弹性元件–具有弹性应变特性的物体应变传感器在承重梁上电阻应变片品种繁多,形式多样。常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。应变效应分析•电阻应变片的工作原理是基于应变效应•应变效应：即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：图3-1金属电阻丝应变效应FlrrlFAlR金属丝受拉力后几何尺寸伸长,这时电阻变化多少呢？当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为:dAdAldlRdR式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为ldl2RRRdRdldAdlAlldldAdAAA＝＋电阻相对变化量：dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则rdrAdA2材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短。轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdrμ为材料的泊松比，负号表示与应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为dRdRK210dRdR)21(灵敏系数K0受两个因素影响•一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ•二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。•对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε•对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ很难用解析式描述•大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。–对康铜材料，K≈1.9~2.1；–对镍铬合金材料，K≈2.1~2.3；–对铂材料，K≈3~5。/(12)dRKR实验证明，在金属电阻材料中，1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε，所以(dρ/ρ)/ε，因而金属电阻材料的灵敏系dRKR半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为dRdR)21(半导体应变片半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：Ed式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——因此：)21(ERdR实验证明，在半导体材料中，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为ERdRK半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？应变片测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，贴在对象上的应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，进而得到产生该应变的外力。由此可知,应变力σ正比于应变ε,而试件应变ε正比于电阻值的变化,所以应变力σ正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。σ=E·εdRKR根据应变力与应变的关系，得到应变力σ为3.2电阻应变片种类、材料及粘贴电阻应变片品种繁多,形式多样。常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图所示。金属电阻应变片引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb应变片的基本结构金属电阻应变片构成材料•敏感栅–作用：将应变量转换成电阻量–要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，易加工成细丝和箔材，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。–材料：铜镍合金、镍铬合金等金属电阻应变片构成材料•基底–作用：保持敏感栅、引线的几何形状及其相对位置，被测构件上的应变不失真地传递到敏感栅上。–要求：使敏感栅与弹性体之间具有足够高的电绝缘性能；–要求：具有良好的机械特性和电绝缘性能。–材料：纸或有机高分子材料，如环氧树脂等。金属电阻应变片构成材料•覆盖层–作用：保护敏感栅免受机械损伤和空气污染–要求：具有良好的机械特性。–材料：纸或有机高分子材料等金属电阻应变片构成材料•引线–作用：连接敏感栅和测量电路–要求：灵敏系数大且稳定，电阻率高，电阻温度系数小，具有良好的焊接性能和抗氧化性能。–材料：紫铜，表面镀锡或镀银，便于焊接。根据敏感栅的形状，金属电阻应变片分为丝式、箔式和薄膜式三种，其中前两种均需用粘结剂安装在被测试件上，属于粘贴式应变片。金属电阻应变片目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生不利影响，可采用薄膜式应变片。图3-2丝式金属电阻应变片的结构引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb金属丝式应变片敏感栅是应变片的核心部分,它是应变片中将应变量转换成电阻变化量的电阻体，由线径为0.012～0.05mm的金属电阻丝绕成，它粘贴在绝缘的基片上,通过引线与测量电路相连，表面有一层起保护作用的覆盖层。金属丝式应变片金属箔式应变片各式箔式应变花箔式应变片的基本结构箔式应变片的敏感栅采用光刻技术或蚀刻技术刻成的一种很薄的金属箔栅。根据不同的测量要求，制成不同形状尺寸的敏感栅。优点（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求，（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。金属电阻应变片主要特性参数•几何尺寸–栅长–栅宽–基底长–基底宽引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb金属电阻应变片主要特性参数•应变片电阻值–没有安装也不受外力情况下，于室温时测定的电阻值；–电阻值大，可承受的电压值大，但提高电阻值会使敏感栅尺寸变大；–常见值：60、120、200、350、500、1000（Ω），其中120和350Ω最常见。金属电阻应变片主要特性参数•绝缘电阻–敏感栅与基底之间的电阻值–一般大于1010Ω金属电阻应变片主要特性参数•灵敏系数－标称灵敏系数，•小于同种材料金属丝的灵敏系数。–原因是应变片的横向效应和粘贴胶带来的应变传递失真。––通常为2左右RdRK应变片的灵敏系数通过抽样法测定，将电阻应变片粘贴在一维应力作用下的试件上，试件材料规定为泊松比为0.285的钢金属电阻应变片主要特性参数•应变极限–指在一定的温度下，指示应变值与真实应变的相对差值不超过规定值（一般为10％）时的最大真实应变值εj真实应变εg指示应变εi100%190%金属电阻应变片主要特性参数•最大工作电流–应变片不因电流产生的热量而影响测量精度所允许通过的最大电流。–静态测量时，最大工作电流为25mA；在动态测量时，可达75～100mA。金属电阻应变片主要特性参数•极限工作温度–应变片在规定条件下，能保持其工作特性不变或在允许范围内变化的最高工作温度或最低工作温度。应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。ΔεΔε1机械应变εR卸载加载指示应变εi•机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。•零漂如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。•蠕变电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。应变片的粘贴2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。应变传感器在承重梁上3.3电阻应变片特性横向效应横向效应金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变εr也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。dldθθ应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。横向效应当将图3-3所示的应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,在电阻丝的弯段，电阻的变化率与直段明显不同。若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时,假设εx为正，则横向的应变εy为负。这样应变片的灵敏系数要比直线段材的电阻丝的灵敏系数小。这就是所谓的“横向效应”。若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变ε作用下，全部纵栅的变形视为ΔL1ΔL1=nlε半圆弧横栅同时受到ε和εr