第二章 应变式传感器

传感器及其应用1第二章应变式传感器应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器，是常用的传感器之一。它的核心元件是电阻应变计。电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。图2.1为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝，山庄金属波或半导体片构成的敏感栅1，用粘合剂粘在绝缘的基片2上。敏感栅上粘有盖片(即保护片)3。电阻丝较细，一般在0.015~0.06mm，其两端焊有局的低阻镀锡铜丝(0.1~0.2mm)4作为引线，以便与测量电路连接。图2.1中，l成为应变计的标距，也成(基)栅长，a称为(基)栅宽，l*a称为应变计的使用面积。1234la图2.1电阻应变计构造简图使用时，用粘合剂将应变计贴在被测事件表面上。试件形变时，应变计的敏感栅与试件一同变形，使其电阻发生变化，由测量电路将电阻变化转化为电压或电流的变化，再由显示器纪录仪将其显示纪录。应变计的电阻变化是与型变成比例的，因此，由显示纪录的电压或电流的变化，可得知被测试件应变的大小。电阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应的，下面加以介绍。第一节电阻应变效应1、电阻应变效应长为l，截面积为A，电阻率为ρ的金属或半导体丝，电阻若导电丝在轴向受到应力的作用，其长度变化为△l，截面积变化为△A，电阻率变化△ρ，而引起电阻变化△R，。则传感器及其应用2设电阻丝为图形截面，直径为d，因则因为泊松系数有式中为单根导电丝的敏感系数，表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。的大小由两个因素引起，一向是由于导电丝的几何尺寸的改变所引起，由(1+2µ)项表示，另一项时导电丝受力后，材料的电阻率ρ发生变化而引起，由(△ρ/ρ)/△l/l项表示。引用式中，应力其中，π表示压阻系数，ε=△l/l为应变。则有对金属来说，πE很小，可忽略不计，µ=0。25~0。5，故=1+2µ≈1。5-2。对半导体而言，πE比1+2µ大得多，压阻系数π=，杨式模量E=1。67，则πE≈50~100，故(1+2µ)可以忽略不计。可见，半导体灵敏度要比金属大50-100倍。2、应变计的分类从尺寸上讲，长的有几百mm，短的仅0。2mm;有结构形式上看，由单片，双片，应变花和各种特殊形状的图案;就使用环境上说，有高温，低温，水，核辐射，高压，磁场等;而安装形式，由粘贴，非粘贴，焊接，火焰喷涂等。主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变积分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下:传感器及其应用3金属电阻应变计常见的形式有丝式，箔式，薄模式等。丝式应变及时最早应用的品种。金属丝弯曲部分可做成圆弧，瑞角或直角，如图2.2所示。弯曲部分做成圆弧(U)形势最早常用的一种形式，制作简单但横向效应相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小，其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。（a）U型（b）V型（c）H型图2.2金属丝式应变计常见形式箔式应变计的线栅是通过光刻，腐蚀等工艺制成很薄的金属博栅(厚度一般在0。003~0。01mm)。与丝式应变计相比有如下优点:(1)工艺上能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小。(2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长(如基长为0。1mm)的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形，表面积大，散热好，在相同截面情况下能通过较大电流。(4)厚度薄，因袭具有较好的可挠性，它的扁平状箔栅有利于形变的传递。(5)蠕变小，疲劳寿命高。(6)横向效应小。(7)便于批量生产，生产效率高。图2.3画出了几种箔式应变计。传感器及其应用4（a）（b）（c）（d）（e）（f）图2.3几种箔式应变计传感器及其应用5薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜(厚度在零点几纳米到几百纳米)再加上保护层制成。其优点是灵敏度高，允许通过的电流密度大，工作温度范围广，可工作于-197~317℃，也可用于核辐射等特殊情况下。制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:(1)大，并在尽可能大的范围内保持常数。(2)电阻率ρ大。这样，在一定电阻值要求下，同样线径，所需电阻丝长度短。(3电阻温度系数小。高温使用时，还要求耐高温氧化性能好。(4)具有良好的加工焊接性能。常用的敏感元件材料是康铜(铜杲合金)，杲铬合金，铁铬合金，铁杲合金等。常温下使用的应应变计多由康铜制成。半导体应变计应用较普通的有体型，薄膜型，扩散型，外延型等。体型半导体应变及是将晶体按一定取向切片，研磨，再切割成细条，粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如图2.4所示。基片晶片带状引线（a）带状引线基片晶片（b）带状引线基片N-SiP-Si（c）传感器及其应用6图2.4体型半导体应变计示意图薄膜型半导体应变即使利用真空沉淀技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上，形成一层极薄的敏感曾制成的。外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。半导体应变计有如下优点:(1)_灵敏度高。比金属应变计的灵敏度约大50~100倍。工作时，可不必用放大器就可以哦年亚表或示波器等简单仪器纪录测量结果。(2)体积小，耗电省。(3)由于具有正，负两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值;而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。压缩使其结果恰恰相反)，则可以用有正，负两种符号应力效应的半导体应变计组成同一应力方向的电桥两臂，提高灵敏度。(4)机械滞后小，可测量静态应变，低频应变等。3、应变计型号命名规则应变计类别：B---箔式T---特殊用途基底材料类别：F---酚醛类H---环氧类A---聚酰亚按胺B---玻璃纤维浸胶标称电阻：12017535050070010001500应变计栅长：3等敏感栅结构形状：AA---单轴片HA---45度双联片GB----半桥片FG-----全桥片KA----圆片材料线膨胀系数：铜--------11铝-------23不锈钢-16可自补偿儒变标号：T5。T3。T1。T8。T6。T4。T2。T0N2。N4。N6。N8。N0。N1。N3。N5。N7。N9儒变由负到正举例:BF350-3AA23T0(箔式，酚醛类基底材料，标称电阻350Ω，应变计栅长3mm，单轴片，材料线膨胀系数铝---23，可自补偿蠕传感器及其应用7变标号T0。)第二节应变计的主要特点应变计是一种重要的敏感元件。首先，它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件;其次，某些其他类型的传感器，如膜片式压力传感器，加速度计，线位移传感器等，也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件，应变计的优点：（1）测量应变的灵敏度和精确度高。（2）测量范围大。（3）尺寸小，重量轻，对试件工作状态和应力分布影响很小。（4）能适应各种环境。（5）价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。应变计的缺点：在大应变下具有较大的非线形，半导体应变计的非线形更为明显；输出信号较微弱，故抗干扰能力较差。1、应变计的灵敏度系数电阻应变计的电阻相对变化RR/与应变ll/之间在很大范围内是线形的，即kRRRRk/k为电阻应变计的灵敏度系数。2、横向效应将同样长的金属线材做成敏感栅后，对同样应变，应变计敏感栅的电阻变化较小，灵敏度有所下降。这种现象称为应变计的横向效应。为了减小横向效应，可采用直角线栅式应变计或箔式应变计。lθxεyε图2.5敏感栅的组成传感器及其应用8θxεyεθθddl=rθdx0y图2.6斜向小线段的方向余弦3、应变计的动态特性st（a）L/v（b）90%10%100%tktk=0.8L/v（c）图2.7阶跃应变波通过敏感栅及其波形图传感器及其应用9x1x2Lε0εxλ0ε=εsin(2xπ/λ)0图2.8应变计处于应变波达到最大值时的瞬时情况5101520510152025e%λ/L0图2.9测量误差对应变波长与基长对比值的关系曲线传感器及其应用104、其他特性参数（1）线性度（2）应变极限（3）机械滞后和热滞后ΔR/R0δ图2.10应变计的机械滞后（4）零漂和蠕变（5）疲劳寿命（6）最大工作电流（7）绝缘电阻（8）应变计电阻值（9）几何尺寸第三节应变计的粘贴应变计通常使用粘合剂贴到试件上的，因此，粘合剂的选择和粘帖质量的好坏关系到应变计的工作情况，影响测量结果的正确性。所以粘合剂有以下要求：（1）有一定的粘结强度。（2）能准确传递应变。（3）蠕变小。（4）机械滞后小。（5）耐疲劳性好。（6）具有足够的稳定性。（7）对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用。（8）有适当的储存期。（9）应有较大的温度使用范围。第四节电桥原理及电阻应变计桥路1、直流电桥的特性方程及平衡条件传感器及其应用11URfIfcbdaR1R3R4R2图2.11直流电桥图为由桥臂R1，R2，R3，R4组成的电流电桥。直流电桥的特征方程是指点桥对角端负载电流If与各桥臂参数和电源电压的关系式。利用等效电源定理，ab两端的开路电压和内阻分别为：上式为直流电桥平衡条件，它说明欲使电桥达到平衡，其相邻两臂的比值应相等。特性方程：))((21433214RRRRRRRRUe（2。1）))(()()(432121434321RRRRRRRRRRRRR（2。2）)()())((2143432143213241RRRRRRRRRRRRRRRRRUIff(2。3)直流电桥平衡条件：03241RRRR或4321RRRR(2。4)2、直流电桥的电压灵敏度UUsccbdaR1+ΔR1R3R4R2放大器图2.12R1为工作臂时的直流电桥传感器及其应用12电桥的输出电压：设12RRn，考虑到起始平衡条件3412RRRR并略去分母中的11RR，得211)1(nnURRUKscu电桥电压U一定时，当dK/dn=0，即0)1()1(42nn电桥灵敏度最高输出电压的特性方程：))((43213241ZZZZZZZZUUsc平衡条件：03241ZZZZ或4321ZZZZ交流电桥的平衡条件：必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系，而且相对桥臂的幅角和必须相等。3、交流电桥的平衡条件和电压输出C1UscR1R3R4R2C2U..（a）)1)(1(*1212111134RRRRRRRRRRUsc112*)1(RRnnUUsc传感器及其应用13UscZ1Z3Z4Z2U..（b）图2.13复阻抗时一般形式的交流电桥输出电压的特性方程：))((43213241ZZZZZZZZUUsc平衡条件：03241ZZZZ或4321ZZZZ交流电桥的平衡条件：必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系，而且相对桥臂的幅角和必须相等。交流电桥的平衡条件与直流电桥的不同，需要满足两个方程式，即必须不仅各桥臂负阻抗的模满足一定的比例关系，而且相对桥臂的幅角和必须相等。如果采用第一种对称形式，平衡条件为：R1=R2，R3=R4，C1=C2。第五节温度误差及其补偿1、温度误差产生的原因环境温度发生变化，应变计的电阻也将发生变化。这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差，即为应变计的环境误差，又称热输出。产生的原因有二：（1）敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。（2）试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一，使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。2、温度补偿方法1、电桥补偿法传感器及其应用14UscR1RRRBUFFR1RB图2.14电桥补偿法MR1RBM图2.15测量构件弯曲应变时补偿片贴在被测件上2、辅助测温元件微型计算机补偿法传感器被测元件多路开关A/DI/OCPU图2.16辅助测温元件微型计算机补偿法3、应变计自补偿法（1）选择式自补偿应变计（2）双金属敏感栅自补偿应变计（1）焊点R1R2图2.17电阻温度系数符号不同的双金属敏感栅自补偿应变计传感器及其应用15（3）双金属敏感栅自补偿应变计(2)4，热敏电阻补偿法第六节电阻应变仪电阻应变一是最早应用