第3章应变式传感器(教学)

3.1工作原理3.2电阻应变片特性3.3电阻应变片的测量电路3.4应变式传感器应用第3章应变式传感器力/压力传感器应用广泛、影响面宽，不仅可以测量力和压力，也可以用于测量负荷、加速度、扭矩、位移等其他物理量，他们都与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。传统的测量力的方法是利用弹性元件的形变和位移来表示的，其特点是成本低，不需要电源，但体积大、笨重、输出为非电量。后来随着微电子技术发展，利用半导体材料的压阻效应和弹性与集成电路工艺，研制出了半导体力和压力传感器，使这类传感器有了长足的进步，而且半导体压力传感器正向集成化和智能化方向发展。第3章应变式传感器电阻应变计，也称应变片，是进行应力和应变测量的关键元件，电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。3.1工作原理电阻应变计按照敏感栅所使用的材料可以分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两种。一、金属应变计的结构金属电阻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。由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组成。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。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽由敏感栅1、基底2、覆盖层3、引线4和粘合剂等组成。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。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽应用时将应变片用粘结剂牢固地粘贴在被测试件表面上。当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，引起应变片电阻值变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。应变计金属应变片（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽（2）基底和覆盖层基底：（1）保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置；（2）它是将应变传递到敏感栅的中间介质；（3）起到敏感栅（金属丝）与试件之间的绝缘作用。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽（2）基底和覆盖层覆盖层：既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。（3）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）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。2341电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽二、金属应变计的材料对电阻丝材料应有如下要求：二、金属应变计的材料对电阻丝材料应有如下要求：1.灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数。2.ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值。3.电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其电阻值。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。康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，国内外多以康铜作为应变丝材料。三、金属应变计的基本原理当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为ρ的金属丝，其电阻R为SlR图金属的电阻应变效应金属丝的电阻变化与受力后横截面积的变化、长度的变化和电阻率的变化有关。图金属的电阻应变效应两边取偏微分，得SlRdRdSSRdllRdR其中SlRSlSRSlR,,2则dSldSSldlSdR2dSldSSldlSdR2dSlrdrSldlSdSlSdSSldlSdSldSSldlSdR22S=πr2rdrrrdrrrdSdS22222则则dldlrdrldldrdrldlSldSlrdrSldlSRdR/2122RdR——电阻的相对变化d——电阻率的相对变化ldl——金属丝长度的相对变化或轴向应变，用ξ表示SdS——截面积的相对变化dldlrdrldlRdR/21ldlrdrr/dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。εr=–με由材料力学知式中：μ——金属材料的泊松系数即则dldlRdR21则)21()21(dldldRdR0)//21()/21(KllldldlldRdR金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数K0称为金属丝的灵敏系数。K0的物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。一般金属丝的K0取值区间为：2～6ldlrdrr/其中泊松系数是横向线度的相对缩小和纵向线度相对伸长之间的固定比例，一般材料的μ为常数。则金属应变计的灵敏系数K0仅由形变变化引起；一般金属的压阻系数很小，可以忽略。则K0≈1+2μ；ldlrdrr/由于21)/21(0KlldRdR一般材料形变时，晶格畸变引起电阻率变化→(dρ/ρ)/ε有一定值，该定值称为压阻系数（表示电阻率随轴向应变ε的变化）0)/21(KlldRdR由于一般材料的压阻系数μ是常数；则可以看出，当金属丝受拉力变形时，其电阻的相对变化率dR/R与金属丝纵向应变ε成正比。210KRdR四、半导体应变片的压阻效应随着半导体技术的发展，压力传感器已经向半导体化和集成化方向发展，人们发现固体受到作用力后电阻率（或电阻）就要发生变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体材料最为显著。半导体材料：应力→晶格间距变化→电阻率发生显著变化。这种现象称为半导体压阻效应半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同。)/21()/21(dlldRdRSlR对于金属而言，压阻系数很小，可以忽略，电阻变化率主要由ξ（1+2μ）引起。/d对于半导体而言，一项较大，即电阻率的变化较大。dSlRdSSldlSdSldSSRdllRdRdR2SdSldldlSdSldldlSldSSldlSdSlRdR2则：①对于金属而言，上式中的后两项和是主要的，电阻变化率主要由这两项引起。ldl②对于半导体而言，一项较大，即电阻率的变化较大，而后两项较小，可以忽略。dSdS由于半导体材料的电阻率的相对变化与应力σ成正比，即：①d式中π为材料的压阻系数。材料受到的应力σ和应变ξ之间的关系为：σ=Eξ②式中E为弹性模量。将②式带入①式得：③Ed上式说明了半导体材料的电阻率变化率dρ/ρ正比于其所受的纵向应变ξ。则GEdRdR)21()/21(上式中G=1+2μ+πE，是半导体应变计的灵敏度系数。GEdRdR)21()/21(对于半导体材料，它的压阻系数π很大，G主要由πE决定，即G≈πE，一般G在50～100之间，比金属的灵敏度高很多。则：dEGERdR)21(即半导体材料电阻的相对变化率等于电阻率的相对变化率。半导体应变片突出优点是灵敏度高,比金属丝式高50～80倍,尺寸小,横向效应小,动态响应好。但它有温度系数大,应变时非线性比较严重等缺点。3.2电阻应变片的特性1.应变片的电阻值（R0）:指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值（单位为Ω）。应变片的阻值有一定的系列，通常为：60Ω、120Ω、350Ω、500Ω、1000Ω等5种。用得最多的为120Ω和350Ω两种。应变片电阻值有的大小应与测量电路相配合。一、应变片的参数2.灵敏系数K0:是指将应变片装于试件表面，在其轴线方向上的单位应变作用下阻值的相对变化率。21)/21(0KlldRdR2.灵敏系数K0:是指将应变片装于试件表面，在其轴线方向上的单位应变作用下阻值的相对变化率。0KRR/210dK21)/21(0KlldRdR压阻系数泊松系数：-ξr/ξ一般金属的压阻系数很小，可以忽略。实践证明，电阻变化率与轴向应变之间在很大范围内是成线性关系。严格意义上来讲，应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，KK0，这是因为，在单向应力产生应变时，K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘合剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。3.绝缘电阻Rm敏感栅与安装应变片的试件之间的电阻值Rm。一般要求Rm在50～100MΩ以上，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志之一。绝缘电阻的下降会带来零点漂移和测量误差；太小的话，基片会使金属丝短路，而不稳定的绝缘电阻会导致测试失败。4.最大工作电流Imax最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右，动态测量时可取75～100mA。二、应变片的温度误差及补偿1.由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面:(1)电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：tRRRRt000tRRt001Rt——温度为t时的电阻值；R0——温度为t0时的电阻值；α0——温度为t0时电阻丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t-t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0。它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：tllgg10tllss10当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为：tRKRKRtlltllllsgsgsgsg000000综合考虑到电阻温度系数和线膨胀系数的影响，可得到由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：tKRtRKtRRRRRRsgsgt000000000综合考虑到电阻温度系数和线膨胀系数的影响，可得到由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为：tKRtRKtRRRRRRsgsgt000000000则附加应变量εt等于：tKKtKKRRsgsgtt0000000/由上式可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应