第2章应变式传感器1.

第2章应变式传感器2.1电阻应变效应2.2应变计的主要特性2.3应变计的粘贴2.4电桥原理及电阻应变计桥路2.5温度误差及其补偿2.6电阻应变仪2.7应变式传感器2.8几种新型的微应变式传感器第2章应变式传感器1第2章应变式传感器2.1电阻应变效应应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器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换为电阻变化的传感元件。2第2章应变式传感器排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1,用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。34312al图2.1电阻应变计构造简图(基)栅长(基)栅宽第2章应变式传感器2.1.1电阻应变效应若导电丝在轴向受到应力的作用,其长度变化Δl,截面积变化ΔA,电阻率变化Δρ,而引起电阻变化ΔR,则设电阻丝为圆形截面,直径为d,因lRARlARlA24dA4金属或半导体丝的电阻：电阻率长度截面积ddAA2第2章应变式传感器//ddll0(12)RllkRll5泊松系数泊松系数，又称泊松比。材料的横向应变与纵向应变之比就是泊松比。RlARlAddAA2几何尺寸电阻率ρ发生第2章应变式传感器60(12)RllkRll01////2RRlllkl定义灵敏度几何尺寸电阻率ρ发生第2章应变式传感器引用TllEET70/12RRkE压阻系数应力杨氏模量应变：ε=Δl/l第2章应变式传感器对金属来说,πE很小,可忽略不计。其灵敏度1.5~2对半导体而言,πE比1+2μ大得多,(1+2μ)可以忽略不计。其灵敏度50~100半导体灵敏度要比金属大50~100倍。8第2章应变式传感器应变计有很多品种系列:从尺寸：长的有几百mm,短的仅0.2mm;由结构形式：有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案;使用环境：有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等;安装形式：有粘贴、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,将应变计分为金属式和半导体式两大类。2.1.2应变计的分类9第2章应变式传感器应变计金属属性半导体式体形薄膜型丝式箔式纸基胶基体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式10最早应用的品种第2章应变式传感器金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图2.2所示。弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式,制作简单但横向效应较大。直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接,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。11(a)(b)(c)图2.2第2章应变式传感器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薄栅(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,因此具有较好的可挠性,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。12第2章应变式传感器图2.3几种箔式应变计(a)(b)(c)(d)(e)(f)13第2章应变式传感器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°C,也可用于核辐射等特殊情况下。14第2章应变式传感器制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求:a)k0大,并在尽可能大的范围内保持常数。b)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。c)电阻温度系数小。高温使用时,还要求耐高温氧化性能好。d)具有良好的加工焊接性能。15常用的敏感元件材料是康铜(铜镍合金)、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下使用的应变计多由康铜制成。第2章应变式传感器半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、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。薄膜型半导体应变计是利用真空沉积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层制成的。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。16第2章应变式传感器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用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。(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。(4)机械滞后小,可测量静态应变、低频应变等。17基片晶片带状引线P-SiN-Si图2.4体型半导体应变计示意图第2章应变式传感器2.1.3应变计型号命名规则18应变计类别:B——T——特殊用途基底材料类别:F——H——A——B——玻璃纤维浸胶标称电阻（Ω）:12017535050070010001500应变计栅长（mm）:3敏感栅结构形状:AA——单轴片HA——45o双联片GB——半桥片FG——全桥片KA——材料线膨胀系数:铜Cu——11铝Al——23不锈钢——16可自补偿蠕变标号:T5T3T1T8T6T4T2T0N2N4N6N8N0N1N3N5N7N9蠕变由负到正。举例:BF350-3AA23T0第2章应变式传感器2.2应变计的主要特性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,广泛地应用于工程测量和科学实验中。19第2章应变式传感器应变计之所以成为重要的敏感元件,主要优点:(1)测量应变的灵敏度和精确度高。能测1～2微应变(1×10-6mm/mm)的应变。误差小于1%。精度达0.015%FS。(2)测量范围大。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%～20%。(3)尺寸小,重量轻,对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量,又可用于动态测量,且具有良好的动态响应。(4)能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。(5)价格低廉、品种多样,便于选择和大量使用。20第2章应变式传感器应变计有如下缺点:在大应变下具有较大的非线性,半导体应变计的非线性更为明显;输出信号较微弱,故抗干扰能力较差。21第2章应变式传感器2.2.1应变计的灵敏度系数金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系。金属丝做成应变计后,由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应,电阻应变特性与单根金属丝将有所不同,必须重新用实验来测定。实验是按规定的统一标准进行的。电阻应变计贴在一维力作用下的试件上,例如受轴向拉压的直杆、纯弯梁等。220/12RRkE第2章应变式传感器试件材料用泊松系数μ=0.285的钢，用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化,再用其他测应变的仪器测定试件的应变,得出电阻应变计的电阻—应变特性。实验证明,电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的,即RkR/RRk23因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用,只能在每批产品中提取一定百分比(如5%)的产品进行测定,取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数,或称“标称灵敏度系数”。灵敏度系数第2章应变式传感器2.2.2横向效应实验表明,应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外,主要是由于存在横向效应。敏感栅由许多直线及圆角组成，拉伸被测试件时,粘贴在试件上的应变计,被沿应变计长度方向拉伸,产生纵向拉伸应变εx,应变计直线段电阻将增加。但是在圆弧段上,沿各微段(圆弧的切向)的应变并不是εx,与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。24lxy图2.5第2章应变式传感器最明显的是在θ=π/2垂直方向的微段,按泊松比关系产生压应变-εy。该微段电阻不仅不增加,反而减少。在圆弧的其他各微段上,感受的应变是由+εx变化到-εy的。这样,圆弧段的电阻变化,显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。25dxyyrdl＝rdxO图2.6斜向小线段的方向余弦第2章应变式传感器因此,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,灵敏度有所降低。这种现象称为应变计的横向效应。横向效应引起的误差：由弹性力学知,对平面问题,如果已知任一点P处三个应变分量εx,εy,εxy,则任何斜向微小线段的正应变式中,l、m为斜向小线段的方向余弦。如图2.6所示,22Nxyxylmlm26第2章应变式传感器则采用半角公式22cos,cos()sin2cossinsincosNxyxylm221cos21cos2cos,sin,2sincossin222则1cos2sin2222xyxyNxy27第2章应变式传感器当电阻丝受到εx,εy,εxy作用时,半圆部分的伸长为0001[cos222sin2]222rsNNxyxyxyyxyxsldlrddrlr式中,ls为半圆弧长,r为圆半径。设应变计一个直线段的伸长为Δl1=εxl1(l1为直线段长度)若有n个直线段,而半圆弧共有(n-1)个,那么全长为L=nl1+(n-1)ls28第2章应变式传感器整个应变计电阻丝受εx,εy,εxy作用后的总伸长为因电阻的变化与电阻丝之伸长有如下关系11(1)(1)2xysxsLnlnlnlnlLLkRR0则得2)1(010yxsxLlnkLlnkRR1002(1)2(1)[][]22ssXynlnlnlkkLL29第2章应变式传感器设1002(1)(1),22ssxynlnlnlkkkkLL可写成对其他型式应变计也适用的一般形式xxyyRkkR()xxyRkHR式中,kx为对轴向应变的灵敏度系数,它代表εy=0时,敏感栅电阻相对变化与εx之比,ky为对横向应变的灵敏度系数,它代表εx=0时,敏感栅电阻相对变化与εy之比。因为yx30第2章应变式传感器xxxkHukRR)1(称为横向效应系数。可见ls(r)愈小,l1愈大,H愈小。即敏感栅愈窄,基长愈长的应变计,其横向效应引起的误差越小。00(1)(1)()xxkkHkHkk因为31第2章应变式传感器2.2.3应变计的动态特性动态情况下,应变以波动形式在材料中传播,传播速度为声速。应力波从试件通过胶层、基片传到敏感栅需要一定时间。沿应变计长度方向经过敏感栅需要更长一些的时间。敏感栅电阻的变化是对某一瞬时作用于其上应力的平均值的反应。钢材声速为5000m/s,胶层声速为1000m/s。胶层和基片的总厚度约为0.05mm,由试件经过胶层和基片传到敏感栅的时间约为5×10-8s,可以忽略不计。然而,当应变波沿敏感栅长度方向传播的影响,应加以考虑。32第2章应变式传感器阶跃波沿敏感栅轴向传播时：由于应变波通过敏感栅需要一定时间,当阶跃波的跃起部分通过敏感栅全部长度后,电阻变化才达到最大值。应变计的理