第二章、应变式传感器1

电阻式传感器常用的电阻式传感器：应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。非电量电阻变化敏感元件电位器式传感器应变式传感器压阻式传感器光电阻式传感器热电阻式传感器应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01-0.1%。第3章应变式传感器材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：力、转矩、位移、加速度主要优点：体积小、精度高、使用简单、范围大应变式传感器特征：第3章应变式传感器3.1工作原理3.2应变片的种类、材料及粘贴3.3电阻应变片的特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器的应用3.1工作原理应变式传感器的工作原理是基于电阻应变效应，即导体在外界作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化的现象。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为受外力作用后，通过对上式全微分可得dR为单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。K的影响因素材料几何尺寸的变化1+2μ材料的电阻率的变化（dρ/ρ）/εμ为电阻丝材料的泊松比常用做应变片的材料有两种：金属和半导体金属材料半导体材料π—压阻系数σ—应变力E—弹性模量ε—应变金属材料半导体材料半导体可以直接测力，金属可以直接测位移间接测力应变效应压阻效应体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单，可以直接测量力。半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高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，使应用范围受到一定的限制。半导体应变片的优点：3.2应变片的种类、材料及粘贴按材料分类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片高温、低温、高压、磁场、水下按结构分类：单片、双片、特殊形状按使用环境分类：3.2.1、应变片的种类：金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构一、金属电阻应变片结构3.2.2、应变片的结构：1、金属丝式应变片丝式、箔式、薄膜2、金属箔式应变片利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。金属箔式应变片3、金属薄膜应变片金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积方法，将应变材料直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。特点：这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。常用金属薄膜应变片金属应变片的基本结构F敏感元件转换元件二、半导体应变片结构半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。体型半导体应变片的结构体型、薄膜型和扩散型1、体型半导体应变片通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积半导体材料薄膜而制成。引线绝缘层金属箔基底半导体薄膜薄膜型半导体应变片的结构2、薄膜型半导体应变片P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。扩散型半导体应变片的结构引线SiO2绝缘层N型硅吕电极P型硅扩散层3、扩散型半导体应变片①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大；③电阻温度系数小，以免环境温度变化改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。3.2.3金属电阻应变片的材料对电阻丝材料应有如下要求：表3-1常用金属电阻丝材料的性能康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。必须保证准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。3.2.4金属电阻应变片的粘贴F敏感元件转换元件3.2.5应变片的命名应变片的命名标准号为GB／T13992-92，共7项(1)第Ⅰ项字母表示应变片类别。(3)第Ⅱ项字母表示应变片基底材料。(4)第Ⅲ项数字表示标称电阻值。(5)第Ⅳ项数字表示应变片栅长。(6)第V项两个字母组合表示应变片结构形状。(7)第Ⅵ项表示极限工作温度，常温可省略。(8)第Ⅶ项括号内数字表示温度自补偿应变片所适用试件材料的线膨胀系数。BH350－3AA150(16)为单轴箔式环氧基底用于线膨胀系数16×10－6/℃的材料，最高工作温度150℃，栅长3mm的温度自补偿应变片。3.3电阻应变片的特性一、弹性敏感元件的基本特性二、应变片的灵敏系数三、应变片的横向效应四、应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、应变片的温度误差F敏感元件转换元件一、弹性敏感元件及其基本特性物体在外力作用下发生变形，当外力去掉后又能完全恢复其原来的尺寸和形状的物体称为弹性敏感元件。弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。弹性元件的输入量是力，输出量是应变或位移在力的变换中，弹性敏感元件通常有实心或空心圆柱体、等截面或等强度悬臂梁等。二、应变片的灵敏系数当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化△R/R。K即为应变片的灵敏系数由于敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能，特别是横向效应。应变片的灵敏系数一般小于敏感材料的灵敏度系数。F敏感元件转换元件三、应变片的横向效应将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，但由于应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0小，这种现象称为横向效应。四、应变片的机械滞后、零漂及蠕变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。（1）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；（2）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。（3）还与应变片所承受的应变量有关，加载时的应变愈大，卸载时的滞后也愈大。通常在实验之前预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后误差。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。原因：敏感栅通电后的温度效应、粘结剂固化不充分等。在一定温度下应变片承受恒定的机械应变时，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。原因：胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。五、应变片的温度误差用作测量的应变片，希望阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度影响很大。环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。（1）应变片的敏感栅具有一定温度系数；（2）应变片材料与测试材料的线膨胀系数不同。原因3.4电阻应变片的测量电路应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：交流电桥:半等臂电桥全等臂电桥桥臂关系电源工作臂电源端对称输出端对称3.4.1直流电桥R1R4=R2R3平衡条件n=R2/R1=R4/R31、单臂应变电桥2、双臂差动电桥3、全桥差动电路采用差动的电桥方式不仅可以消除非线性误差，同时还可以达到温度补偿的目的。缺点①大应变下的非线性②不能测应力梯度的变化0.1%~0.01%3.5应变式力传感器①应用和测量范围广②精度和灵敏度高③频率响应特性好对复杂环境的适应性强④优点几十~上百kHz⑤简单小巧便宜商品化3.5应变式力传感器一、组成和形式：1、作用：金属应变片可以组成各种应变片传感器来测定位移、力、扭矩、加速度、压力等物理量。2、组成：a)弹性敏感元件b)应变片元件3、形式：包括柱式力传感器、悬臂梁式力传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等。1、柱式力（荷重）传感器二、应用举例：FF2、悬梁式力传感器等强度悬臂梁等截面悬臂梁电子天平的精度可达十万分之一电子天平吊钩秤3、应变式压力传感器高压腔压阻式压力传感器P硅膜片低压腔引线压阻式传感器处理电路应变式压力传感器主要用来测量流动介质的压力,如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。4、应变式容器内液体重量传感器投入式液位传感器5汽车运行加速度传感器应变式数显扭矩扳手6振动式地音入侵探测器金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。Aα阿尔法Alpha角度；系数Bβ贝塔Beta磁通系数；角度；系数Γγ伽马Gamma电导系数（小写）Δδ德尔塔Delta变动；密度；屈光度Εε伊普西隆Epsilon对数之基数Ζζ泽塔Zeta系数；方位角；阻抗；相对粘度；Ηη伊塔Eta磁滞系数；效率（小写）Θθ西塔Theta温度；相位角Ιι约塔Iota微小，一点儿Κκ卡帕Kappa介质常数Λλ兰姆达Lambda波长（小写）；体积Μμ缪Mu磁导系数；微;放大因数（小写）Νν纽Nu磁阻系数Ξξ克西XiΟο奥米克戎OmicronΠπ派Pi圆周率=圆周÷直径=3.1416Ρρ柔Rho电阻系数（小写）Σσ西格玛总和（大写），表面密度；跨导（小写）Ττ陶Tau时间常数Υυ宇普西隆Upsilon位移Φφ斐(佛爱)Phi磁通；角Χx西ChiΨψ普西Psi角速；介质电通量（静电力线）；角Ωω欧米伽Omega欧姆（大写）；角速（小写）；