电阻应变式称重传感器制造基础

电阻应变式称重传感器制造基础POLCJinRongran1目录1．0电阻应变式称重传感器的工作原理2．0电阻应变式称重传感器的构成2.1电阻应变片2.2弹性体（弹性元件，敏感梁）2.2.1立柱式弹性体2.2.2梁式弹性体2.2.3剪应力梁类弹性体2.3检测电路2.4电阻应变式称传感器的构成3．0电阻应变式称重传感器的主要技术指标4．0电阻应变式称重传感器的补偿原理5．0电阻应变式称重传感器制造过程概要21．0电阻应变式称重传感器的工作原理根据GB/T7551-1997和OIMLR60的定义，说称重传感器是考虑到使用地点重力加速度和空气浮力的影响后，通过把被测量（物体的质量）转换成为另一种被测量（输出）来测量质量的力传感器。从这儿我们可以知道的是：称重传感器实质上是一个力传感器，这个输入的力就是物体的重力。由重力定律，我们知道，这儿为重力加速度，m即为物体的质量。也就是说，称重传感器把物体的质量m，转换成相应的输出信号了。凡是具有这种能力的力传感器，我们通称之为称重传感器。这儿，没有涉及到传感器的转换原理。如果，这种转换是基于电阻应变片的话，那么我们称此称重传感器为电阻应变式称重传感器。1．0电阻应变式称重传感器的工作原理G31．0电阻应变式称重传感器的工作原理我们把电阻应变式称重传感器的工作原理叙述如下：弹性体（或称弹性元件，敏感梁）在外力（这儿即为物体重力）作用下，产生弹性变形，使得粘贴在它表面的电阻应变片（敏感元件，转换元件），也随同产生变形；电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（可能增大，也可能减小），再经适当的检测电路把这一电阻变化转换为相应的电信号（电压或电流）输出，从而完成了将外力变换成为电信号的过程。42．0电阻应变片称重传感器的构成2．0电阻应变片称重传感器的构成根据前节的电阻应变式称重传感器的工作原理，我们可以知道，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器（若非特别说明，以下均简称传感器，或缩写为SGLC）中不可缺少的三个主要构成部分。下面就此三方面给出简要论述。2．1电阻应变片：把一根电阻丝机械地布置，固定在一片有机材料制成的基底上，即成为一片电阻应变片。对电阻应变片来说，我们最关心的一个技术参数是灵敏系数K值，它的物理意义在于，它感受到了应变后，它的阻值会有多大变化。52．1电阻应变片在这儿我们要给出两个物理概念：电阻的相对变化率和电阻丝的相对伸长率。先说电阻的相对变化率：设有两个电阻，R1=100Ω，R2=1000Ω，它们的阻值假如均变化了1Ω，那么我们能否说，R1和R2的阻值变化情况是一样的呢？显然，说是一样的是很不全面的，因为它们的原始阻值不一样；所以，我们引进了一个电阻变化率的概念，即单位电阻的阻值变化。用数字式表达为：对R1来说，ΔR=1Ω，R1=100Ω，ΔR/R1=1%对R2来说，ΔR=1Ω，R2=1000Ω,ΔR/R2=0.1%可见用ΔR的多少，及ΔR/R两个数值来描述阻值的变化就全面得多了。62．1电阻应变片再来说一说相对伸长（压缩）率：设有两根电阻丝，它的长度l1=100mm和l2=1000mm，若在外力作用下，它们均伸长了1mm，那么我们能否说它们的伸长是相同的呢？显然，说它们相同是很不全面的，因为它们的原始长度不同；所以，若我们引进一个相对伸长率的概念，其含义为电阻丝单位长度的伸长，用它和绝对伸长一起来说明电阻丝的伸长，就全面得多了。用数字式来表达为Δl/l对l1来说Δl=1mm,l1=100mm,Δl/l1=1%,对l2来说Δl=1mm,l2=1000mm,Δl/l2=0.1%,72．1电阻应变片现在我们来讨论一下，灵敏系数K的含义。设有一根金属电阻丝，如图一所示。其长度为l，横截面是半径为r的园形，横截面面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松比是μ。这根电阻丝未受外力作用时，它的阻值为：82．1电阻应变片当它的两端受F力作用时，它将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长了Δl；其横截面的面积将会缩小，即它的横截面园半径减少Δr；此外还可以证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。对（1）式求全微分，即可求出电阻丝，在各参数变化后，它的阻值改变了多少，我们可有：（2）式除以（1）式，得到：92．1电阻应变片另外，我们知道导线的横截面面积S=πr2则ΔS=2πr.Δr，所以由材料力学，我们知道其中负号表示l伸长时，半径方向是缩小的，其比例关系是μ倍，μ是材料的泊松系数，用来表示横向效应的。102．1电阻应变片把（5）式，（4）式代入（3）式，有其中（6）式说明了电阻应变片的阻值相对变化（ΔR/R）和电阻丝长度相对变化（Δl/l）之间的关系。K值，我们称之为电阻应变片的灵敏系数。112．1电阻应变片在这儿，需要说明的是：灵敏系数K值的大小是由制作金属电阻丝的材料的性质决定的一个常数；从上面的推导中，可以看出它和应变片的形状，尺寸大小无关。不同的材料，K值一般在1.7~3.6之间，我们常用的应变片是由鏮铜制作的，它的K值约在2.0~2.1之间。灵敏系数K值是一个无因次量，即它没有量纲（或称物理单位）它仅仅表示电阻应变片中电阻丝的长度相对变化引起的电阻相对变化的大小，多少而已。对未掌握微分知识的人而言，上述推导，也可以电阻丝伸长后，横截面面积缩小后，电阻率变化后的电阻丝阻值为R’=(ρ+Δρ).(l+Δl)/π.(r-Δr)2来求出ΔR/R和Δl/l的关系这儿就不再多说了。122．1电阻应变片在材料力学中，单位长度的伸长Δl/l称作应变，记作ε，但用它来表示弹性变形（外力消失后要恢复到原尺寸的变形）是显得太大了，很不方便，常常用它的百万分之一（10-6）作为单位，记作με，这样，式（6）可写作（8）式是一个很重要的公式，在传感器设计阶段，常常用它来估算它的输出信号的大小。132．1电阻应变片电阻应变片有很多品种：如丝式片，箔式片，半导体应变片和薄膜式应变片，它们各有各的特点，有兴趣的同仁可以找些相关资料看看。而我们公司所采用的是箔式片和半导体应变片，箔式应变片在我们公司中采用的有单轴片和双轴片两种，半导体应变片则是用于非线性补偿中作为补偿片使用的；双轴片又分羽毛片（用于剪梁式传感器）和泊松片（用于柱式传感器）。电阻应变片的基底材料也有多种，多见的是用有机材料制作的如纸基片，环氧基底片，酚醛基底片，酚醛—环氧—增强基底片，聚酰亚胺基底片等。电阻应变片的丝栅材料，也有很多种，最常见的有鏮铜和卡玛合金；也有镍铬锰硅合金及镍铬合金的。142．1电阻应变片近年来，电阻应变片的工艺水平取得了很大的进展。温度自补偿型应变计已经全面推广使用；应变片的形状，阻值大小，丝栅长度均有了长足进步，并且仍在不断进步。一个明显的例子就是HBM-SCHENCK公司的RT型传感器所采用应变片，它每片有两个电阻组成，每个电阻阻值可达4000Ω，因此，做成传感器后，最高可施加200伏桥路电压，从而使输出信号达到570mv。若没有高超的应变片制造技术，这是很难达到的。152．2弹性体（弹性元件，敏感梁）2．2弹性体（弹性元件，敏感梁）弹性体通常是一个有特殊形状的结构件。它的主要功能，或者说，它的必需具备的基本功能有两个：首先，它要承受传感器所受的外力，并对此外力产生反作用力，从而达到相对静平衡；其次，要求它在承受外力，产生变形时，能在某部位形成一个符合预计要求的高品质的应变场区，从而使粘贴在此部位的电阻应变片能比较理想地完成应变—电信号的转换任务。弹性体的结构是多种多样的，但从电阻应变片所测量的对象来区分，常见的有二类：正应力类，如立柱式（GD系列传感器）和梁式（MT系列传感器），以及剪应力类传感器（SB系列传感器）。下面以我公司的产品为例大致解释一下。162．2．1立柱式弹性体2．2．1立柱式弹性体它是最早使用的应变弹性元件，一般它由一个柱状元件组成，也常见采用棱柱和中空园筒的，也有做成方柱的。它的数学计算模型最简单，就是虎克定律：σ=εE在这儿，σ即为正应力，ε即为应变量，E是所用材料的杨氏模量，也称弹性模量，在温度稳定时，它是一个常数。所谓正应力，意指变形发生的方向和施加的外力的方向一致。要注意的是，这里的σ是应力是指单位截面上受的力，所以其单位是KN/mm2；ε是应变，它的含义和前节所述相同，即单位长度的伸长（或缩短），以με(10-6)为计算单位。若把立柱设计成带有支承结构或力引入装置，它可以制成拉式，压式或拉压两用的传感器。制作柱式弹性体时，为了使应变区产生接近理想状态的正应力，通常柱的长度，要是其最大横截面线径的四至五倍。当负荷较大时，弹性元件的横截面积较大，致使中心部分热处理时不易淬透，所以往往立柱做成园筒式；反之，若负荷较小时，若采用园柱式，则直径很小，致使贴片困难它本身的抗侧向载荷能力也变差，所以也要求立柱做成园筒式。172．2．1立柱式弹性体立柱式弹性体为了贴片方便，也为了贴片质量，往往把立柱做成棱柱的形状。当然为了避免上述缺点，一般立柱式弹性体不使用于小容量的传感器中。立柱式弹性体，本身的结构会带来几个缺点：第一是在外力作用下，横向应变仅为纵向应变的0.3倍左右，因此，横向应变片的电阻相对变化较小，导致桥路输出信号也较小；其二是线性稍差，除上述原因外，还因为弹性体变形过程中截面积的变化引起负荷—应变特性非线性；第三是立柱式弹性体对偏心，侧向负荷比较敏感；第四是外形较高。为了克服这些缺点，需要采用线性补偿技术来改进传感器的线性，并同时采用双层膜片结构来提高传感器的抗偏心，侧载的能力。可喜的是，目前这些措施均已取得了很好的效果。182．2．2梁式弹性体2．2．2梁式弹性体：梁式弹性体是变种最多的弹性体之一，我们公司的产品MT系列、IL系列、AMI系列、BMI系列、MTB系列，均属于这一类。为了说明它们的工作原理，我们先了解一下单悬臂梁。参看图二192．2．2梁式弹性体在图二（a）中，当力P施加到该方板上时，该板将会发生弯曲。弯曲时，很明显，它的上表层将会处处受到拉伸；相反，它的下表面将会处处受到压缩；从而表现为整块板的弯曲。很明显，P力愈大，板的弯曲会越厉害；若P力不变，板的厚度越厚，宽度愈宽，板的弯曲愈小；反之，则愈大。可见，板的弯曲程度的大小，是由板的结构决定的。从而为了描述板的这种性质，我们为它引进一个抗弯强度的概念。也可称之为抗弯截面的模量W，它只和板的尺寸有关。对横截面为矩形的板来说：（参看图二(b)）202．2．2梁式弹性体从图中可以看到，板上两点，a,b，由于它们到P的力点距离不同，所以力矩也不同，从图二（b）中可见到为Ma,Mb，但它们的抗弯截面模量W是一样的，所以a,b两处的弯曲程度是不同的，即a,b两处表面的拉伸程度是不同的，由于MaMb，所a处变形比b处大。可以求得我们把图二（b）中的M图称之为弯矩图，Q称之为剪力图。我们只要求出某一截面的抗弯模量和该截面上的弯矩，就可求出该处表面的变形量。212．2．2梁式弹性体我们公司采用的梁式结构的弹性体，最后均可简化到上述悬臂梁的形式，它们最终的区别在于二点。首先是由于它相当于多个梁共同承受一个力，所以简化后，起作用的力只是P的一部分；其次是由于机械加工的原因，它的横截面不是处处相同的矩形，而是一个变截面梁，其抗弯模量是不相同的。但是，式（10）表达的关系还是一样的。也就是说，我们能找出一个截面上的弯矩M和抗弯模量W后，仍可求出该截面所处位置表面的ε值。下面举一个例子，来予以说明。设有一梁如图三所示222．2．2梁式弹性体从图中可见，梁的表面a,b，所处位置的梁厚度是不同的，（宽度设计得相同）所以它的抗弯模量不同，分别应为和；同时，a、b两处截面的弯矩也分别为Ma和Mb，所以在这儿需要说明的是梁的右段的弯矩和左段的弯矩方向相反，即，在a、b处若为拉伸，在c、d处即表现为压缩。即和将取负值。（ε的负值即表示缩短）232.2.3剪应力梁类弹性体2.2.3剪应力梁类弹性体剪应力梁弹性体是我公司传感器类产品中采用的主流弹性体，