第三章应变式传感器

物理与材料科学学院传感器原理与技术1应变式传感器：是利用电阻应变效应制成的传感器，是常用的传感器之一。核心元件是电阻应变片。电阻应变片：也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。电阻应变效应：金属导体的电阻值随其机械变形而发生变化的现象。3.1概述3.1.1定义物理与材料科学学院传感器原理与技术23.1.2电阻应变片的结构1为排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅；2为绝缘的基片；3为盖片（保护片）；4为引线。1.构造简图l称为应变计的标距（栅长）；a称为栅宽；l×a称为应变计的使用面积。物理与材料科学学院传感器原理与技术33.2.1工作原理ll+dl2r2(r-dr)AlRρ:电阻系数l:金属导线长度A:金属导线截面积FF物理与材料科学学院传感器原理与技术4xxxxddRdR1)21(2dRdRkxx121/灵敏系数：0泊松比、泊松系数）(//:泊松关系ldlrdrxyldlrdrdRdR2物理与材料科学学院传感器原理与技术53.2.2横向效应应变片既受轴向应变影响又受横向应变影响，而引起电阻变化的现象称为横向效应。物理与材料科学学院传感器原理与技术6可见kk0，而Hμ即为横向效应引起的误差，H为横向效应系数。xyxxxkHkRR)1()1()1(0HkHkkxssxylnnllnkkH)1(2)1(1ls越小，l1越大，H越小。即敏感栅越窄，基长越长，横向效应误差越小。yxxHkRR物理与材料科学学院传感器原理与技术7按尺寸：长应变计（几百mm），短应变计（0.2mm）按结构形式：单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案。按使用环境：高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等。按安装形式：粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。3.2.3应变计的分类物理与材料科学学院传感器原理与技术8主要的分类方法是根据敏感元件材料不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。物理与材料科学学院传感器原理与技术9一、金属式电阻应变计1.丝式应变计：最早，常用的形式，制作简单，横向效应较大。横向效应较小，但是制作工艺复杂。物理与材料科学学院传感器原理与技术102.箔式应变计是通过光刻、腐蚀等工艺制成的很薄的金属薄栅。物理与材料科学学院传感器原理与技术111.尺寸小、线条均匀、图形准确，阻值离散程度小。2.可根据需要制备任意形状，扩大了使用范围。3.散热好，可通过较大电流，提高测量灵敏度。4.厚度薄，利于传递形变。5.蠕变小，疲劳寿命高。6.横向效应小。7.生产效率高，便于批量生产。箔式应变计优点：缺点：生产工艺较为复杂，不适合高温环境。物理与材料科学学院传感器原理与技术123.金属薄式应变片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。特点：具有较高的灵敏度，允许的电流密度大，工作温度范围较广。物理与材料科学学院传感器原理与技术13二、半导体应变计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。分类：体型薄膜型扩散型外延型物理与材料科学学院传感器原理与技术141.灵敏度高；2.体积小，耗电省；3.具有正负两种符号的应力效应，可以制成同一应力方向的电桥两臂，提高灵敏度；4.机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。半导体应变计的优点：缺点：温度系数大，非线性较严重。物理与材料科学学院传感器原理与技术153.2.4应变计型号命名规则应变计类别:B——T——基底材料类别:F——H——A——B——玻璃纤维浸胶标称电阻（Ω）:12017535050070010001500应变计栅长（mm）:3物理与材料科学学院传感器原理与技术16敏感栅结构形状:AA——HA——45°GB——FG——KA——材料线膨胀系数:铜Cu——11铝Al——23不锈钢——16物理与材料科学学院传感器原理与技术17可自补偿蠕变标号:T5T3T1T8T6T4T2T0N2N4N6N8N0N1N3N5N7N9蠕变由负到正。举例:BF350-3AA23T0（箔式B,酚醛类基底材料F,标称电阻350Ω,应变计栅长3mm,单轴片AA,材料线膨胀系数铝Al—23,可自补偿蠕变标号T0。）物理与材料科学学院传感器原理与技术18当试件或弹性体元件的应变大小和方向随时间改变时，应变处于动态工作状态。这时：应变从试件或者弹性元件传到敏感栅要多久？在进行高频的动态应变测量时，哪些因素影响应变片对动态应变的响应？等等。。。。3.3应变计的特性——动态特性物理与材料科学学院传感器原理与技术19当输入为阶越波时：vLtk8.0如以输出从10％上升到90％的这段时间作为上升时间，则：0044080350350lvlvtfk....可测频率：物理与材料科学学院传感器原理与技术20当输入波为正弦波时：242421LxLx,LLsinLsinLxcosxcosLxxxdxsinxxP00120120222221应变波长为λ，应变片的基长为L，则当两端点的坐标为:时，应变计在基长L内测得平均应变εP最大。物理与材料科学学院传感器原理与技术21当输入波为正弦波时：242421LxLx,LLPsin020061LePeLvf6应变波幅测量的相对误差物理与材料科学学院传感器原理与技术22应变计的特性——静态特性1)试件的应变ε和电阻的相对变化ΔR/R,在理论上呈线性关系。但实际上,在大应变时,会出现非线性关系。应变计的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。2)粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。在一定的温度(室温或极限使用温度)下,对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷,当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时,就认为应变计已达到破坏状态,此时的真实应变值就作为该批应变计的应变极限。物理与材料科学学院传感器原理与技术233)机械滞后和热滞后—迟滞贴有应变计的试件进行加载和卸载时,其ΔR/R-ε特性曲线不重合。把加载和卸载特性曲线的最大差值δ,称为应变计的机械滞后值。物理与材料科学学院传感器原理与技术244)恒定温度下,粘贴在试件上的应变计,在不承受载荷的条件下,电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的主要原因是,敏感栅通过工作电流后的温度效应,应变计的内应力逐渐变化,粘接剂固化不充分等。5)已安装的应变计,在恒定幅值的交变应力作用下,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。所谓疲劳损坏是指应变计指示应变的变化超过规定误差,或者应变计的输出波形上出现毛刺,或者应变计完全损坏而无法工作。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达106次。物理与材料科学学院传感器原理与技术256)最大工作电流是指允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值。工作电流大,应变计输出信号就大,因而灵敏度高。但过大的工作电流会使应变计本身过热,使灵敏系数变化,零漂、蠕变增加,甚至烧坏应变计。工作电流的选取,要根据散热条件而定,主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。通常允许电流值在静态测量时约取25mA左右,动态测量时可高一些,箔式应变计可取更大些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时,工作电流要取小些。物理与材料科学学院传感器原理与技术26物理与材料科学学院传感器原理与技术273.4应变计的粘贴粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变计的工作情况，影响测量结果的正确性。要求：1.有一定的粘度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6.具有足够的稳定性能7.对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用8.有适当的储存期9.应有较大的温度使用范围物理与材料科学学院传感器原理与技术283.4.1应变计的粘贴分类：有机粘合剂：通常用于低温、常温和中温。无机粘合剂：常用于高温。选用粘合剂时，要根据应变片的工作条件、工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定要求、加温加压、固化的可能性、粘贴时间长短要求等因素考虑。并注意粘合剂的种类是否与应变片基底材料相适应。如何选用粘合剂物理与材料科学学院传感器原理与技术29物理与材料科学学院传感器原理与技术30优良的电阻应变片和粘合剂，只有在正确的粘贴工艺基础上才能得到良好的测试结果。因此，正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。3.4.2应变计粘贴工艺物理与材料科学学院传感器原理与技术31一、应变片检查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.电阻值检查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0.05Ω，配对桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。物理与材料科学学院传感器原理与技术32二、修整应变片1.对没有标注中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线；2.如果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，可用细砂布将基底轻轻少许打磨，并用溶剂洗净。物理与材料科学学院传感器原理与技术33三、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。四、划粘贴应变片的定位线为了保证应变片粘贴位置的准确，可用划笔在试件表面画出定为线。粘贴时，应使应变片的中心线与定为线对准。物理与材料科学学院传感器原理与技术34五、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（视粘合剂的种类而定），然后将应变片粘贴到预定的位置上。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。六、粘合剂的固化处理对粘合好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。物理与材料科学学院传感器原理与技术35七、应变片粘贴质量的检查1.外观检查观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无造成断路、短路等危险部位，还要观察应变片的位置是否正确；2.电阻值检查应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化；3.绝缘电阻检查应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻一般应大于200MΩ。用于检查绝缘电阻的兆欧表，其电压不应高于250V，而且检查通电时间不宜过长，以防应变片击穿。物理与材料科学学院传感器原理与技术36八、引出线的固定保护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形的余量和引线与试件之间的良好绝缘。九、应变片的防潮处理应变片粘贴好固化之后，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，有效期为数日。最好用石蜡或蜂蜡熔化后涂在应变片表面（厚约2mm），可常时间防潮。物理与材料科学学院传感器原理与技术373.5电桥原理-电阻应变片的测量电路电桥测量电路是将非电量输入转换为电量输出的最常用的办法。分类：直流供桥放大和交流供桥载波放大3.5.1直流供桥放大物理与材料科学学院传感器原理与技术382143324143321121RRRRRRRRURRRRRRUUUUSC12两点的开路电压：341232410RRRRRRRR或电桥平衡时If=0，或USC=0，有：电桥平衡条件：邻臂之比相等或对臂乘积相等。物理与材料科学学院传感器原理与技术392143324