第4章电阻应变式传感器

电阻应变式传感器第四章概述定义:电阻式传感器是将非电量的变化量转换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达对非电量测量的目的。分类:应变式：金属和半导体应变片，适用于非电量变化相对较小的场合，灵敏度高电位器式：线性式和非线性式，适用于非电量变化较大场合金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。优点：①精度高，测量范围广②频率响应特性较好③结构简单，尺寸小，重量轻④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作⑤易于实现小型化、固态化⑥价格低廉，品种多样，便于选择缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。概述4.1电阻应变片的工作原理应变效应导体或半导体材料在受到外界力作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。ρ：电阻率A：截面积Ｌ：长度ALR应变片测量工作原理dAALdALdLAdR2ALR＝F、、AlR4.1电阻应变片的工作原理电阻的相对变化：AdAdLdLRdR对于半径为的圆导体，，又由材料力学可知，在弹性范围内：xyxEdrdrLdL/,/,/2rArdrdA2金属丝的轴向应变，为金属丝径向应变。电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.3～0.5；压阻系数，与材质有关；应力值；材料的弹性模量xyxyEr4.1电阻应变片的工作原理xERdR)21(令ERdRx21ERdRKx210为金属丝的灵敏度系数0K4.1电阻应变片的工作原理金属材料：K0以前者为主，则k0≈1+2μ=1.7～3.6半导体：K0值主要是由电阻率相对变化所决定xKRdR021xd0K材料电阻率ρ随应变引起（压阻效应）材料的几何尺寸变化引起的xRdRK04.1电阻应变片的工作原理金属丝式电阻应变片与半导体式应变片的主要区别在于：前者是利用金属导体形变引起电阻的变化，后者则是利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。4.1电阻应变片的工作原理E：试件的应力；：试件的应变；：试件材料的弹性模量．E根据应力和应变的关系:应力σ=εE，即σ∝ε，而ε∝dR，所以σ∝dR。4.1电阻应变片的工作原理4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2.1.电阻应变片的基本结构由电阻丝（敏感栅）1、基片2、覆盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。2341bl栅长栅宽•电阻丝（敏感栅）由金属细丝（直径为0.015～0.05）绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。4.2电阻应变片的结构、类型及参数对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。4.2电阻应变片的结构、类型及参数•基片和覆盖层基片用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，覆盖层既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基片的厚度一般为0.02～0.04mm.引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。4.2电阻应变片的结构、类型及参数•粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2.2电阻应变片的种类及特点•金属丝式•金属箔式•金属薄膜式回线式短接式•金属•半导体材料位移、力、力矩加速度、压力弹性敏感元件应变4.2电阻应变片的结构、类型及参数敏感栅电阻丝金属应变式基片绝缘覆盖层保护丝式敏感栅箔式薄膜式4.2电阻应变片的结构、类型及参数金属丝式应变片应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，对同一电阻材料，Ks=1+2μ是常数。灵敏度系数多在1.7～3.6之间。4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2电阻应变片的结构、类型及参数金属丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，它可以制成U型、V型和H型等多种形状U型-弯头呈半圆型，制造简单，但易产生“横向效应”误差。V，H型-可以减小“横向效应”误差。4.2电阻应变片的结构、类型及参数电阻丝式应变片因使用的基片材质又可以分为纸基、纸浸胶基和胶基等种类。基片厚度0.05mm左右。金属箔式应变片在绝缘基片上，将厚度为0.003～0.010mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。4.2电阻应变片的结构、类型及参数a.制造工艺能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批生产时电阻值离散度小，能制成任意形状以适应不同的测量要求。电阻线栅的基长可做得很小（最小的目前已达0.2mm）；b.横向效应很小；c.表面积大，散热好，电流通过力大。d.柔性好、蠕变小、疲劳寿命长。可贴在形状复杂的试件上,与试件的接触面积大，粘接牢固，能很好地随同试件变形，在受交变载荷时疲劳寿命长，蠕变也小。e.生产效率高。便于实现生产工艺自动化，从而提高生产率，减轻工人的劳动,价格便宜。优点：4.2电阻应变片的结构、类型及参数金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在1以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。问题：难控制电阻与温度、时间的变化关系。m4.2电阻应变片的结构、类型及参数胶膜衬底P-Si内引线外引线焊接板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压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。4.2电阻应变片的结构、类型及参数当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为:(1))21xRR（4.2电阻应变片的结构、类型及参数)21xERR（代入（１）式，得：上式中1+2μ项随几何形状而变化，λE项为压阻效应，随电阻率而变化。xE式中为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。即4.2电阻应变片的结构、类型及参数实验证明λE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：ERRKxB半导体应变片的突出优点是体积小，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。但其温度系数大，应变时非线性较严重。4.2电阻应变片的结构、类型及参数电阻应变片材料1、敏感栅材料常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金及贵金属等；半导体材料有硅、锗和锑化铟等。4.2电阻应变片的结构、类型及参数对制造敏感栅的材料有下列要求：◆灵敏度系数和电阻率尽可能高而稳定，且在很大范围内为常数，即电阻变化率与机械应变之间在较大范围内具有良好的线性关系。◆电阻温度系数小，电阻－温度间的线性关系和重复性好，与其他金属之间的接触热电势小。◆机械强度高，压延及焊接性能好，抗氧化、抗腐蚀能力强，机械滞后微小，价格便宜。0K0KRR/4.2电阻应变片的结构、类型及参数2、应变片基底材料基底：保持敏感栅几何形状、电绝缘、防蚀、防损等作用；※基底常从纸、有机聚合物胶膜、玻璃纤维布中选材。厚度0.05mm左右。粘合剂：粘贴强度高，良好稳定性和绝缘性能等；有机与无机（用于高温）4.2电阻应变片的结构、类型及参数对粘合剂材料的性能有以下一些要求：§机械强度好，挠度好，即弹性模量要大；§粘合力强，固化内应力小；§电绝缘性能好；§耐老化性好，对温度、湿度、化学药品或特殊介质的稳定性要好，用于长期动态应变测量时，还应有良好的耐疲劳性能；§蠕变小，滞后现象少；§对被粘结的材料不起腐蚀作用；§对使用者没有毒害或毒害小；§有较大的使用温度范围。4.2电阻应变片的结构、类型及参数３、引线材料■康铜丝敏感栅应变片的引线常采用直径为0.15～0.18mm的银铜丝，■其他类型敏感栅多采用铬镍、铁铬铝金属丝引线。4.2电阻应变片的结构、类型及参数4.2.3金属应变片的参数1、几何尺寸应变片的工作宽度（基宽）b是在应变片轴线相垂直的方向上，敏感栅最外侧之间的距离；应变片的工作基长（标距）L是应变片敏感栅在其轴线方向的长度，对于带有圆弧端的敏感栅，就是指两端圆弧之间的距离;应变片敏感栅的有效工作面积b×L。目前应变片最小基长为0.2mm，最长达300mm。一般生产厂家都有一个应变片基长系列供选用。4.2电阻应变片的结构、类型及参数2、电阻值R应变片没有粘贴也不受力时，在室温下测定的电阻值。应变片阻值有一个系列，如60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω，其中以120Ω最为常用。3、绝缘电阻应变片引线与被测试件之间的电阻值，它取决于粘合剂及基底材料的种类。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电，产生测量误差。4、最大工作电流允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。4.2电阻应变片的结构、类型及参数5、相对灵敏度k金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数K0表示。当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。4.2电阻应变片的结构、类型及参数KRRRRK或即:“标称灵敏系数”：在泊松系数μ=0.285的钢试件受轴向单向力（拉或压）时，在一批产品中抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k电阻丝的灵敏系数k0粘结层传递变形失真存在横向效应灵敏系数为应变计变换性能的重要参数原因4.2电阻应变片的结构、类型及参数6、横向效应4.2电阻应变片的结构、类型及参数横向效应及横向效应系数：（1）横向效应：轴向伸长和横向缩短。xyyx的关系：与横向应变轴向应变4.2电阻应变片的结构、类型及参数轴向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小电阻增量减小。RRR和应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减小，并减低灵敏度的现象称为应变片的“横向效应”。yyxxKKRR4.2电阻应变片的结构、类型及参数（2）横向效应系数引入“横向灵敏度”概念：yKyyxxKKRR轴向灵敏系数横向灵敏系数横向应变横向效应系数H：xyKKHyxxHKRRxxxRRKyyyRRK已经考虑了横向效应的影响。所以只要应用一致，不需要修正；4.2电阻应变片的结构、类型及参数,x讨论1、标定条件：单一轴向应变且泊松比2、只有当测量平面应力，或的条件下，要考虑横向效应带来的误差。285.0285.07、应变极限应变片的线性特性（灵敏系数为常数）是在一定的应变限度范围内才保持。当试件输入的真实应变超过某一极限时，应变片的输出特