传感器原理与应用第二章 电阻应变传感器

第二章电阻应变传感器第一节电阻应变片一、金属电阻应变片二、半导体电阻应变片第二节电阻应变传感器测量电路一、单臂桥二、半桥三、全桥四、应变测量电桥性能的提高第三节电阻应变传感器的应用一、应变式力传感器二、应变式压力传感器三、应变式加速度传感器第二章电阻应变传感器电阻应变传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。任何非电量只要能转化为应变量就可以利用电阻应变传感器测量，因而在非电量电测技术中应用十分广泛。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。电阻应变式传感器应用历史悠久，目前仍然是一种主要的测试手段。其主要特点是：①结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；②灵敏度高，频率响应特性好，适合于静态、动态测量；③环境适应性好，应用领域广泛。第一节电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。弹性元件用来感受被测量的变化；电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化；然后通过测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅材料及制作方法可分类如表2－1所示。弹性敏感元件在外力作用下，物体将产生尺寸和形状的变化，当去掉外力后，物体随即恢复其原来的尺寸和形状，此种变形称为弹性变形。利用弹性变形进行测量和变换的元件即弹性敏感元件。弹性敏感元件在传感器技术中有着重要的作用，是设计、分析、应用传感器的基础性工作。弹性元件材料：铬钢、锰弹簧钢、合金结构钢、不锈钢等敏感元件材料：金属、非金属金属：铜-黄铜、康铜、钛青铜、铍青铜；铁-铁镍合金铂、铂合金镍铬合金非金属：石英、陶瓷、半导体硅等结构：常用的弹性元件结构有梁、柱、筒、膜片、膜盒、弹簧管和波纹管等。表2－1电阻应变片分类大类细分金属电阻应变片金属丝应变片金属箔应变片金属薄膜应变片半导体电阻应变片体型半导体应变片P型应变片N型应变片扩散型半导体应变片P型应变片N型应变片薄膜型半导体应变片由于，即有一、金属电阻应变片1．金属丝电阻应变效应金属导体在发生机械变形时（即金属导体的晶格发生变形），其阻值发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。由于SdSLdLdRdRSLR对式（2－1）先取对数、再取微分得（2－1）（2－2）2rSrdrrrdrSdS222（2－3）式中μ称之为导体的泊松比，它表示导体横向应变量与纵向应变量成比例，式中“-”号表示两者变形方向相反。令导体纵向（轴向）应变量为，横向（径向）应变量为，则有LdL/LdLrdr（2－4）rdrr/将式（2－3）和式（2－4）代入式（2－2）,则可得(2—5)dLdLRdR21LdLdKS/21/21d令金属丝应变灵敏系数为，其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。由式（2－5）得LdLRdRKS/(2—6)金属丝应变灵敏系数主要决定于金属导体的几何尺寸发生的变化，通常泊松比μ的大小约0.5～1,(铜镍、镍铬、铂钨等），因而金属丝应变灵敏系数一般在2～4之间。式中——决定于导体几何尺寸发生的变化；——决定于导体导电性能发生的变化。21/d图2－1丝式电阻应变片基本结构1—基片；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线2．金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2－1所示。当金属丝制作成敏感栅时，其应变灵敏系数不仅决定于金属导体材料本身的灵敏系数，而且还与敏感栅的横向效应，粘结剂及粘贴工艺等诸多因素有关。图2－1中，敏感栅2是由直径约为0.025mm、高电阻率的合金电阻丝绕制而成，回线半径r为0.1—0.3mm,栅长L依不同用途有0.2、0.5、1.0、100、200mm。敏感栅是电阻应变片的敏感元件，用以感受被测量的应变。图中基片1和覆盖层3是用来固定敏感栅、引线的几何形状和相对位置,基片多采用粘结剂和有机树脂薄膜制成，厚度约0.02～0.04mm，它也是敏感栅与弹性元件间的绝缘层。覆盖层起保护敏感栅作用，也是由粘结剂和树脂薄膜制成；覆盖层、敏感栅和基片由粘结剂粘结在一起。应变片的引线常用直径为0.1～0.15mm的镀锡铜线，或用扁带形金属导线，引线与敏感栅焊接可靠，电阻率低，电阻温度系数小，抗氧化，耐腐蚀，且对外联接方便。3．金属丝电阻应变片基本特性（1）横向效应将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长；但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。（2）机械滞后在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，此差值称之为机械滞后，也将引起应变片灵敏系数下降。（3）蠕变应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑动越严重，这种现象称之为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。用同型号的粘贴剂，粘贴层要薄、均匀。（4）温漂应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片电阻值变化的现象称之为温漂，这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。4．金属箔应变片（主导产品）这类应变片的敏感栅是用0.001～0.01mm厚的金属箔通过光刻技术制作成，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花，弯曲部分90℃。如图2－2所示，箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小；由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流；同时因栅薄，也便于粘贴到弯曲的弹性元件表面上；且蠕变和机械滞后较小，应力传递性能好。图2－2箔式应变片5．金属薄膜应变片这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将金属材料淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成各种形状的栅，其厚度比箔栅还要薄，一般在0.1µm以下，其灵敏系数比箔式还要高，是一种很有前途的新型金属应变片。二、半导体电阻应变片金属电阻应变片工作性能稳定、精度高、应用广泛，至今还在不断改进和开发新型应变片，以适应工程应用的需要，但其主要缺点是灵敏系数小，一般为2～4；为了改善这一不足，60年代后相继开发出多种类型的半导体电阻应变片，其灵敏度可达金属应变片的50～80倍，且尺寸小、横向效应小、蠕变及机械滞后小，更适用于动态测量。1．半导体应变片的压阻效应沿着半导体某晶向施加一定的压力而使其产生应变时，其电阻率将随应力改变而变化，这种现象称之为半导体的压阻效应。不同类型的半导体，其压阻效应不同；同一类型的半导体，受力方向不同，压阻效应也不同。所有材料在某种程度上都有压阻效应，但半导体材料的这种效应最显著，能直接反映微小的应变。半导体应变片的纵向压阻效应仍可用金属丝电阻应变片在外力作用下电阻变化相同的方程来描述，由式（2－5）改写为式中π——半导体晶体纵向压阻系数E——半导体晶体弹性模量式中1+2μ是由纵向应力而引起应变片几何形状的变化，金属电阻应变灵敏系数主要由此项决定；式中πE是因纵向应力所引起的压阻效应，半导体电阻应变灵敏系数主要πE由决定，一般比（1+2μ）大近百倍，故可得:LLRR21E21（2－8）ERR（2－9）其应变灵敏系数为:（2－10）ELLRRKB//用于制作半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓等，但目前一般用硅和锗的杂质半导体,由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻效应乃至应变灵敏度不仅与参杂浓度、温度和材料类型有关，还与其晶向有关。硅和锗在不同晶向下具有不同的压阻效应，图2－3为半导体晶向示意图，硅和锗半导体不同晶向的压阻系数、弹性模量和应变灵敏系数如表2－2所示。图2－3半导体晶向示意图表2－2硅和锗半导体晶向参数材料参数硅（ρ=10Ω·cm）锗（ρ=6Ω·cm）NPNP纵向压阻系数π（10－7cm2/N）[100]－102+65－3+6[110]－63+71－72+47.5[111]－8+93－93+65弹性模量E（10－7N/cm2）[100]1.301.01[110]1.671.38[111]1.871.55应变灵敏系数KB[100]－132+10－2+5[110]－104+123－97+65[111]－13+177－147+103对于半导体硅，P型[111]晶向和N型[100]晶向，其电阻应变灵敏系数最大；对于半导体锗，无论是P型还是N型，在[111]晶向可得到最大灵敏系数。从表2－2中还可看出，半导体不同晶向灵敏系数的符号有正、有负，一般由掺杂决定，P型半导体为正，N型半导体为负，而金属应变灵敏系数均为正值。图2－4半导体应变片结构半导体应变片根据其敏感栅形成的方法不同，可分为体型、扩散型和薄膜型三种。体型半导体应变片的敏感栅是根据图2－3所示的晶向对硅或锗晶体切片而成；扩散型和薄膜型的敏感栅分别是利用扩散技术、真空蒸渡或溅射技术制成的极薄的导电膜片。半导体电阻应变片的主要缺点是温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重，在应用时要采取相应的温度补偿和非线性校正措施。2．半导体应变片基本结构半导体应变片亦由基片、敏感栅和电极引线等部分组成，如图2－4所示。敏感栅由硅或锗条构成，内引线是连接敏感栅和电极的金线，基片是绝缘胶膜，带状电极引线一般由康铜箔制成。第二节电阻应变传感器测量电路在非电检测中，由机械应变所引起的电阻值变化量很小，难以直接用测阻表作精确测量，故通常采用电桥将电阻变化转换成电压或电流后放大测量。测量电桥根据供桥电源不同可分为直流电桥和交流电桥，应变电桥各桥臂是电阻，故采用直流电桥，如图2－5所示。图2－5直流电桥输出接高输入阻抗放大器在实际应变测量时，测量电桥输出都应接高输入电阻放大器，故可把电桥看成开路工作状态，此时按电路理论分析，可得到电桥的输出表达式如下：iioURRRRRRRRURRRRRRU43213142433212（2－11）电桥投入测量之前，应将电桥调平衡，以消除电桥因不平衡而产生的零漂。调零方法是在电桥输出端A和C之间接一检流计，调桥臂电阻使检流计指示为0，即电桥输出电流IO=0，输出电压UO=0，电桥达到平衡状态。由式（2－11）可知，电桥的平衡条件为R1R3=R2R4。应变测量电桥有三种接法，即单臂桥、半桥和全桥，下面分别叙述三种测量电桥的工作特性。一、单臂桥应变片单臂测量电桥如图2－6所示，桥臂AD为工作臂，接应变片；R1为应变片静态电阻，ΔR为工作时应变片电阻的变化量。ΔR可以是正值，称之为正应变，此时应变片承受拉应变，图中符号箭头向上标示为正应变；当ΔR为负值时，称之为负应变，此时应变片承受压应变。单臂桥只有一个桥臂接应变片，其它桥臂均接性能参数稳定的标准电阻，为了便于分析，一般都取R1=R2=R3=R4=R，称之为等臂桥。图2－6单臂桥由式（2－11）可得单臂桥电压输出表达式为ioURRRRRRRRU434211iiUKKURRRR2424/（2－12）当ΔR＜＜R时，由（2－12）和（2－13）式可得RRURRUSiou24/ioUKU41单臂电桥的灵敏度为（电阻的相对变化量引起的输出电压）（2－13）iuUS41由上分析可知，单臂桥不但输出电压小，灵敏度低，且具有一定的非线性。二、半桥应变片半桥即为双臂桥，如图2－7所示，此时有两个相邻桥臂接应变片，且一个正应变、一个负应变，此时ΔR1=ΔR，ΔR2=-ΔR,即接R1的桥臂为拉应变，接R2的桥臂为压应变。图2－7半桥RR1RR1可见半桥的输出电压和灵敏度都比单臂桥大一倍，且非线性得到改善。iouURRUS21/半桥的灵敏度