第2章-电阻应变式传感器

第2章电阻应变式传感器•电阻是各类电子元器件中应用最广、最基本的元件之一。根据电阻的基本物理特性,可以制成具有各类物理性质的探测器、检测元件。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上,可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。•虽然新型传感器不断出现,为未来的测试技术开拓了新的领域,但是,由于电阻应变测试技术具有独特优点,它已广泛应用于许多领域,如航空、机械、电力、化工、建筑、医学等,可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。第2章电阻应变式传感器2.1电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器，就是由于某些物理量的变化引起应变，应变引起电阻变化的一种传感器。粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。主要是由弹性敏感元件和电阻应变片组成。弹性敏感元件的材料是弹性物质，其作用是在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变；2.2电阻应变式的工作原理2.2.1金属的应变效应根据电阻定律，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，这种现象称为金属的电阻应变效应。电阻应变片的工作原理就是基于金属的应变效应设计而成的。2.2.2应变片的结构右图2-1电阻丝应变片的基本结构1—基底2—电阻丝3—覆盖面4—引线2.2.3应变片的特性根据电阻定律，一根金属丝的电阻为ALR(2-1)）；R为金属丝的电阻（为金属丝的电阻率L为金属丝的长度（m）；A为金属丝的截面积（㎡）。()mρ取一段金属丝如图2-2所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其截面积将相应减小dA，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变dρ，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。图2-2金属导线受力变形情况2.2.3应变片的特性2.2.3应变片的特性2LLdRdLdAdAAA（2-2）以R除式（2-2）的左边，得dAdALdLRdR（2-3）rdrAdA2（r为金属丝半径）（2-4）xy（2-5）LdLx/rdry/令为金属丝的轴向应变，的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，而沿径向缩短，二者之间的关系为为金属丝2.2.3应变片的特性为金属丝材料的泊松比。将式（2-4）、式（2-5）代入式（2-3）得dRdRx)21(xxdRdR/)21(/（2-6）（2-7）或令xxSdRdRK/)21(/（2-8）SK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。2.2.3应变片的特性RdR/xSK实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化与应变成正比，因而为一常数。式（2-8）以增量表示为xSKRR（2-9）2.2.4应变片的测试原理用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。2.3电阻应变片的种类、材料和参数2.3.1电阻应变片的种类1.丝式应变片（1）回线式应变片，见图2-3（2）短接式应变片，见图2-42.薄膜应变片3.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都呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出很小的应变。见图2-5a）见图2-5b）图2-3回线式应变片图2-4短接式应变片图2-5a)薄膜应变片b)半导体应变片2.3电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2电阻应变片的材料1.敏感栅材料2.应变片基底材料3.引线材料2.3电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2电阻应变片的参数1.应变片电阻值R02.绝缘电阻3.灵敏系数K指未安装的应变片在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值。已趋于标准化，120欧姆最为常用。敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于欧姆。1010是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。4.允许电流5.应变极限2.3电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2电阻应变片的参数是指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流在静态测量时，允许电流一般为25mA；在动态测量时，允许电流可达75~100mA。指在温度一定时，指示应变值和真实应变值的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10%，当指定应变值大于真实应变值的10%时，真实应变值称为应变片的极限应变。6.机械滞后、零漂和蠕变2.3电阻应变片的种类、材料和参数2.3.2电阻应变片的参数应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械应变过程中同一机械应变量下指示应变值的最大差值。零点漂移（简称零漂）是指已粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变值随时间的变化。蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应变值随时间的变化。2.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.1粘合剂电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。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。所以粘合剂和粘贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。对粘合剂有如下要求：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耐疲劳性能好，韧性好；⑥长期稳定性好；⑦具有足够的稳定性能；⑧对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；⑨有适当的储存期；⑩有较大的使用温度范围。2.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2应变片粘贴工艺1.应变片检测根据测试要求而选用的应变片，要做外观的检查和电阻值的检测，对精度要求较高的测试还应检测应变片的灵敏系数和横向灵敏度。（1）外观检查线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。（2）电阻值检测对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.052.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2应变片粘贴工艺2.修整应变片1）对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线。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）对基底较光滑的胶底应变片，可用细砂布将基底轻轻地稍许打磨，并用溶剂洗净。3.试件表面处理为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须使将要贴应变片的试件表面部分平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。2.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2应变片粘贴工艺4.划粘贴应变片的定位线为了保证应变片粘贴位置的准确，可用画笔在试件表面划出定位线。粘贴时应使应变片的中心线与定位线对准。5.粘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（视粘合剂种类而定），然后将应变片粘贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的粘合剂，使粘合剂层的厚度尽量减薄。6.粘合剂的固化处理对粘贴好的应变片，依粘合剂固化处理。2.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2应变片粘贴工艺7.应变片粘贴质量的检查（1）外观检查最好用放大镜观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成短路、断路等危险的部位，还要观察应变片的位置是否正确。（2）电阻值检测应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化。（3）绝缘电阻值检测应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻值一般应大于200M2.4粘合剂和应变片的粘贴技术2.4.2应变片粘贴工艺8.引出线的固有保护粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲性的余量和引出线与试件之间的良好绝缘。9.应变片的防潮处理应变片粘贴好固化以后，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。简单的方法是在应变片上涂一层中性凡士林，有效期为数月。最好是石蜡或蜂蜡熔化后涂在应变片表面上（厚度约为2mm），这样可长时间防潮。2.5.1温度误差及其产生原因1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变ttaRRRRt000)1(tRRRRtt00（2-12）(2-13)Rt为温度为t时的电阻值;为温度为t0时的电阻值R0t为温度的变化值;Rta为温度变化t时的电阻变化为敏感栅材料的电阻温度系数。将温度变化折合为应变ta，则1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变KtaKRRtta0/(2-14)K为应变片的灵敏系数2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变如果粘贴在试件上一段长度为l0的应变丝，当温度变化t时，应变丝受热膨胀至lt1而应变丝下的试件伸长至lt2，则2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变ttggtllll0001)1(tgttllll0011ttmmtllll0002)1(tmttllll0022（2-15）(2-16)（2-17）（2-18）为温度为t0时的应变丝长度；为温度为t时的应变丝长度；为温度为t时应变丝下的试件长度；βg为应变丝的线膨胀系数；βm为试件的线膨胀系数；、分别为温度变化时应变丝和试件的膨胀量。l0lt1lt2lt1lt2lt1lt2lt1lt2lt由式（2-16）和式（2-18）可知，如果不相等，则也不等。但是应变丝和试件是粘贴在一起的，拉长至，就使应变丝产生附加变形，即2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变若应变丝被迫从tgmtttllll)(012（2-19）折算为应变，则2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变tgmttll)(0（2-20）引起的电阻变化为tKgmtRR)(0因此，由于温度变化t而引起的总阻值变化为（2-21）ttKtgmtttRRRRR)(00（2-22）总附加虚假应变量为2.试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变tKtaKgmttRR)(/0（2-23）2.5.2温度补偿方法温度补偿方法，分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。1.桥路补偿法桥路补偿法也称补偿片法。应变片通常是作为平衡电桥的一个臂测量应变的，图2-6中R1为工作片，R2为补偿片。2.5电阻应变式传感器的温度误差及其补偿2.5.2温度补偿方法工作片粘贴在试件上需要测量应变的地方，补偿片粘贴在一块不受力的与试件相同材料上，这块材料自由地放在试件上或其附近，如图2-6b所示。当温度发生变化时，工作片和补偿片的电阻都发生变化，而它们的温度变化相同，和为同类应变片，又粘贴在相同的材料上，因此和分别接入电桥的相邻两桥臂，则因温度变化引起的电阻变化和的作用相互抵消，这样就起到了温度补偿的作用。R1R2R1R2R1R2R1R2R1R2图2-6桥路补偿法值的应变片只能用在一种材料上，因2.应变片自补偿法2.5电阻应变式传感器的温度误差及其补偿粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为应变片自补偿法。下面介绍两种自补偿应变片。（1）选择式自补偿应变片由式(2-23)可知，实现温度补偿的条件为0)(tKtagmt则)(gmK(2-24)被测试件材料确定后，就可以选择适合的应变片敏感栅材料满足式（2-24），达到温度补偿。这种方法的缺点是一种此局限性很大。R1R2Rt1Rt2R1R2双金属敏感栅自补偿应变片也称组合式自补偿应变片。它是利用两种电阻丝