第二节 应变式传感器

3.2.1电阻应变片的结构和工作原理工作原理:基于金属的应变效应——金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。（1）应变片的结构图3-10为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2，绕成形如栅栏的敏感栅。3.2电阻应变片的工作原理敏感栅为应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层3，敏感栅电阻丝两端焊接引出线4，用以和外接导线相连。1-基底2-电阻丝3-覆盖层4-引线图3-10电阻丝应变片的基本结构bl3124图中l称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的距离。对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。其宽度b指最外两敏感栅外侧之间的距离。（2）电阻—应变特性由物理学可知，金属丝的电阻为SLR式中，R为金属丝的电阻（Ω）；为金属丝的电阻率（Ω·m2/m）；L为金属丝的长度（m）；S为金属丝的截面积（m2）。如图3.11所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面积将相应减小dS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变d，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。dddd2SLSSpLLSR可写成相对变化的形式：ddddSSLLRR其中：rrSSd2d（r为金属丝半径）εx=dL/L为金属丝的轴向应变；εy=dr/r为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为xy式中，μ为金属材料的泊松系数。d)21(dxRR或xxRR/d21/d令xxSRRK/d21/dKS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。金属丝的灵敏系数KS受两个因素影响：a、材料几何尺寸发生变化；b、材料发生变形自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故。（这项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度）。实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变εx是成正比的，因而KS为一常数。xxSRRK/d21/dxSKRR实验表明:应变片的ΔR/R与εx的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系xKRRxRRK/或式中，K为电阻应变片的灵敏系数。实验表明:应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数KS，原因是所谓横向效应的影响。（3）电阻应变片的横向效应横向效应:将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。在圆弧的其它各段上，其轴向感应的应变是由+εx变化到-εy的，因而圆弧段部分的电阻变化，小于同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。应变片感受应变时电阻变化应由两部分组成:一部分与纵向应变有关;另一部分与横向应变有关。电阻相对变化的理论计算式为ySxSKLrnKLrnnlRR2π)1(2π)1(2式中，L为金属电阻丝总长度；r为圆弧部分半径；l为应变片的标距；n为敏感栅直线段数目。设SxKLrnnlK2π)1(2SyKLrnK2π)1(xyKKCyyxxKKRR)(yxxCKRR0/yxxRRK0/xyyRRK式中：Kx为应变片对轴向应变的灵敏度；Ky为应变片对横向应变的灵敏度；C为应变片横向灵敏系数。（4）应变片测试原理弹怀敏感元件辅助电路应变片被测非电量应变电阻信号调节转换电路电量应变片E丝式应变片箔式应变片薄膜应变片半导体应变片a、丝式应变片①回线式应变片(a)回线式应变片(b)短接式应变片图3.13丝式应变片3.2.2电阻应变片的种类、材料和参数（1）电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可分为：将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而制成的，是一种常用的应变片。②短接式应变片敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5～10倍的镀银丝短接而构成。如图3.14所示。该应变片突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。金属丝式应变片的内部结构b、箔式应变片这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成。主要优点①制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；②敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大；③敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；④散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；⑤敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。c、薄膜应变片薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在0.1m以下。d、半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度上都具有压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。基片带状引线P-SiN-SiSi片金线图3.15半导体应变片的结构形式半导体应变片受纵向力作用时，电阻相对变化可用下式表示xRR)21(式中：为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半导体小条的纵向轴所受的应力之比为一常数，即或/xE式中：为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关。式中：1+2项随半导体几何形状而变化，E项为压阻效应的度量，随电阻率而变。实验表明：E比(1+2)大近百倍，故(1+2)可忽略，故半导体应变片的灵敏系数为ERRKxB/xERR21半导体应变片优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，可不需放大器连接，使得测量系统简化。缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大。（2）电阻应变片的材料a、敏感栅材料对敏感栅材料的要求：①灵敏系数KS和电阻率要尽可能高而稳定；②电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其它金属之间接触热电势小；④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。b、应变片基底材料应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基取代。基底材料性能有如下要求：①机械强度好，挠性好；②粘贴性能好；③绝缘性能好；④热稳定性和抗湿性好；⑤无滞后和蠕变。c、引线材料康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.05-0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其他类型敏感栅应变片,引线采用直径与上述相当的铬镍、卡玛及铁铬金属丝作为引线，与敏感栅点焊相接。3.3.1应变片的主要工作参数（1）应变片的尺寸标距l：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离。栅宽b：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以b表示。使用面积：lb称为应变片的使用面积。应变片的基底长LS和宽度W要比敏感栅大一些。3.3电阻应变片特性及粘贴（2）应变片的电阻值应变片的电阻值:指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。应变片的标准名义电阻值通常为60、120、350、500、1000五种。应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。（3）机械滞后机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环境中，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数。产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载3~5次。（4）热滞后热滞后：对已安装的应变片试件可自由膨胀并不受外力作用，在室温与极限工作温度之间增加或减少温度，同一温度下指示应变的差数。产生的原因：这主要由粘结层的残余引力、干燥程度、固化速度和屈服点变化等引起。采取的措施：应变片粘贴后进行“二次固化处理”可使热滞后值减小。（5）零点漂移零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移（简称零漂）。产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。（6）蠕变定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。产生的原因：这主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。（7）应变极限温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为10%）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。（8）绝缘电阻应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差。（9）疲劳寿命定义：对已安装的应变片在一定的交变机械应变幅值下，可连续工作而不致产生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性及大小有密切的关系。（10）最大工作电流定义：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。3.3.2应变片的粘贴1.应变片的工作情况贴在试件上的应变片，其敏感部分基本上可和试件一起变形。试件表面的变形（应变）是通过胶层、基底以剪力的形式传给电阻丝。分析：是因为电阻丝的直径很细，中间物质很薄，由于电阻丝全部埋在粘结剂里，其粘结表面积相当大，因此说基本上可和试件一起变形。2.粘合剂在测试被测量时,粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用,它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去.对粘贴剂有如下要求有一定的粘结强度蠕变小有适当的存储期等1.应变片粘贴工艺（1）应变片检查①外观检查②电阻值检查（2）修整应变片①对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线；②如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；③对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。（3）试件表面处理将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。（4）划粘贴应变片的定位线（5）贴应变片在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间。将应变片粘贴在试件上.（6）粘合剂的固化处理对粘贴好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。（7）应变片粘贴质量的检查①外观检查：用放大镜观察粘合层是否有气泡。②电阻值检查③绝缘电阻检查：绝缘电阻一般大于200M（8）引出线的固定保护（9）应变片的防潮处理应变片粘贴固化好后要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响测试精度。应变片的粘贴：a.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。b.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。c.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。d.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。e.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。