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第2章电阻式传感器电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。2.1电阻应变片电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。2.1.1电阻应变效应2.1.1.1概念导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。2.1.1.2电阻的应变灵敏系数根据电阻的定义式:R=；当有变化量∆ρ、∆l、∆A时，其相对变化率为：（2-1-1）对于直径为d的圆柱形截面电阻丝，因为A=лd2/4；故：AlAAllRR∆A=A‘-A=л[（d-∆d）2-d2]/4=2∆d/d(略去高阶无穷小）。再引进力学中的泊松比；故；最后得：；K0：应变灵敏系数。其中：（1+2µ）是由几何尺寸改变引起的，金属导体以此为主；表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体材料以此为主。20)//21()21(KllllllRRll//2.1.2电阻应变片的类型及常用材料根据应变片的质地，主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。2.1.2.1金属电阻应变片此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。1)丝式应变片如图2.1.1a所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。2)箔式应变片该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间，它的结构如图2.1.1b所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。3)金属薄膜应变片它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。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。a)丝式b)箔式图2.1.1金属电阻应变片结构112233图2.1.2体型半导体应变片2.1.2.2半导体应变片半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片有以下几种类型：1）体型半导体应变片这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图2.1.2所示。2）薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图2.1.3。3）扩散型半导体应变片将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。图2.1.4为扩散型半导体应变片示意图。这是一种应用很广的半导体应变片。1234图2.1.3薄膜型半导体应变片1–锗膜2--绝缘层3–金属箔基底4--引线21345图2.1.4扩散型半导体应变片1--N型硅2--P型硅扩散层3--二氧化硅绝缘层4–铝电极5--引线2.1.2.3应变片的常用材料及粘贴技术1)常用材料I.4YC3：4YC3是Fe-Cr-Al系550℃高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，热稳定性好，主要用于工作温度≦550℃的电阻应变计。II.4YC4：4YC4是Fe-Cr-Al系750℃高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数低，尤其是在600℃以上有较好的热输入和重现性低的零飘。合金主要用作工作温度≦750℃的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。III.4YC8：4YC8铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补偿性能及其它技术指标符合《电阻应变计》标准规定的A级产品质量要求。箔材平均热输出系数ct1με／℃，用它制成箔式应变计可以在钛合金、普通钢、不锈钢、铝合金、镁合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果，优于国外同类合金箔材，技术性能达到国外先进水平。4YC9：4YC9是Ni-Mo系500℃自补偿应变电阻合金，它的ρ值高，电阻温度系数小，热输出、热稳定性好，适用于制作在≦500℃工作的自补偿电阻应变计。2)应变片的粘贴工艺步骤I.应变片的检查与选择首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。II.试件的表面处理为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学请洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。III.底层处理为了保证应变片能牢固地贴在拭件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。Ⅳ.贴片将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在拭件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。Ⅴ.固化粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防潮层一般可采用稀释的粘合胶。Ⅵ.粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。Ⅶ.引线焊接与组桥连线检查合格后既可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。2.1.3电阻应变计的型号及选用2.1.3.1型号的编排规则电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接线方式。如BF350--3AA80（23）N6–X的含义是：I.B:表示应变计类别(B:箔式;T:特殊用途;Z:专用(特指卡玛箔))；II.F:表示基底材料种类(B:玻璃纤维增强合成树脂;F:改性酚醛;A:聚酰亚胺;E:酚醛-缩醛;Q:纸浸胶;J:聚氨酯)；III.350:表示应变计标准电阻；IV.3表示敏感栅长度（mm）；V.AA表示敏感栅结构形式；VI.80表示极限工作温度（℃）；VII.23表示温度自补偿或弹性模量自补偿代号(9:用于钛合金;M23:用于铝合金;11:用于合金钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢;16:用于奥氏体不锈钢和铜基材料;23:用于铝合金;27:用于镁合金;)；VIII.N6表示蠕变自补偿标号(蠕变标号:T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；Ⅸ.X表示接线方式(X:标准引线焊接方式;D:点焊点;C:焊端敞开式;U:完全敞开式，焊引线;F:完全敞开式，不焊引线；X**:特殊要求焊圆引线，**表示引线长度；BX**：特殊要求焊扁引线，**表示引线长度；Q**:焊接漆包线，**表示引线长度；G**:焊接高温引线，**表示引线长度)。2.1.3.2应变计的自动补偿及其选用1)温度补偿及选用应变计安装在具有某一线膨胀系数的试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，在缓慢升（或降）温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变称为热输出。热输出是由应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料与被测试件材料之间线膨胀系数的差异共同作用、迭加的结果，可由以下公式表示：ξt=[(αt/k)+βe-βg]]△t(2-1-2)式中αt、βg分别为应变计敏感栅材料的电阻温度系数(1/C)和线膨胀系数(1/C),K为应变计的灵敏系数,βe为试件的线膨胀系数(1/C),△t为偏离参考温度的温度变化量(C)。热输出是静态应变测量中最大的误差源,而且应变计的热输出分散随着热输出值的增大而增大.当测试环境存在温度梯度或瞬变时,这种差异就更大。因此，理想的情况是应变计的热输出值超于零，满足这一要求的应变计称为温度自补偿应变计。通过调整合金成配比，改变冷轧成型压缩率以及适当的热处理，可以使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合，改变其电阻温度系数,从而使应变计的热输出超过零，实现对弹性元件的温度自补偿。一般应从以下四个方面进行选择：Ⅰ.目前应变计常用的温度自补偿系数有:9、11、16、23、27。其中“9”用于钛合金；“11”用于合金铜、马氏不锈钢和沉淀硬化型不锈钢；“16”用于奥氏不锈钢和铜基材料；“23”用于铝合金；“27”用于镁合金。Ⅱ.当温度自补偿应变计与测试件材料匹配时，在补偿温度范围内，热输出误差较小。Ⅲ.当温度自补偿应变计所要求使用材料的线膨胀系数与测试件材料有微小差异时，应选用两片或四片应变计组成半桥或全桥，以消除热输出带来的影响。Ⅳ.采用1/4桥路进行应力测量时，除安装在试件表面的工作应变计外，还应在与测试材料相同的补偿块上安装相同批次的应变计作为补偿片，并与工作片处于相同的环境条件下，这两片应变计分别接在惠斯通电桥的相临桥臂，以消除热输出的影响。2)蠕变自补偿及选用传感器弹性元件因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性，表现为传感器的输出随时间增加而增加（正蠕变）。电阻应变计的基底和贴片用粘结剂具有一定的粘弹性，使应变计的输出随时间的增加而减少；而敏感栅材料存在滞弹性效应使应变计输出随时间的增加而增加，迭加后的结果是应变计在承受固定载荷时呈现或正或负的蠕变特性，其方向和数值可以通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数加以调节。在弹性体确定后选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计，就能对弹性体本身的不完善性进行补偿。同理，对传感器制造过程中其他因素引入的蠕变误差也可以用此方法进行调整，并把传感器的综合蠕变数值控制在最小范围内，这就是应变计蠕变补偿的基本原理。我厂批量提供数十种形成蠕变梯度的应变计系列（相临标号之间蠕变相差0.01-0.015%F。S/30min）供传感器制造厂家选用。一般应从以下四个方面进行选择：Ⅰ.首次使用时，可选用一种或两种蠕变相差较大（不同蠕变标号）的应变计粘贴在弹性体上，根据实测的综合蠕变大小和方向最终确定与传感器相匹配的蠕变标号。Ⅱ.对弹性体材料、结构相同的传感器来说，量程越小，蠕变越正，应选择蠕变越负的应变计。Ⅲ.不同弹性体材料具有不同的蠕变特性，应选用不同蠕变标号的应变计。Ⅳ.传感器的系统蠕变除与弹性体、应变计、粘结剂等主要因素有关外。还受密封结构形式、防护胶、生产工艺参数等影响。但这种误差的量值和方向是可预知的，选择蠕变标号时应一同考虑。3)弹性模量自补偿及选用材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降。根据虎克定律ε=δ/E，在载荷不变的情况下，随着温度的升高构件的变形量将增大，因而应变计所测量的应变ε也随之增加，这时，如果应变计的灵敏系数K能随温度升高而适当降低，根据R/R=Kε，将会是应变计的输出不随温度改变，从而实现弹性模量补偿，这类应变计就称为