第7章电阻应变式传感器

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1、第第 7 章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 7.1 基本原理 7.1 基本原理 在工程结构的强度分析中，了解和掌握力、力矩、位移、速度、加速度以及流体的压力 等物理量的大小及其变化规律是十分重要的，而这些数据的获取常常是通过工程测量。 工程测量的方法有很多， 应用较为普遍的是电测法。 其基本原理是通过特定的转换元件 和由它组成的转换装置， 把被测物理量转换为电信号， 然后再用专门的仪器对电信号进行测 量。根据工作原理，转换元件可以有不同的类型，但简单而又实用的一种就是电阻应变计， 而由它组成的转换装置称为电阻应变式传感器。 电阻应变式传感器，早在上世纪 30 年代末，由美国 E.Simm

2、ons 和 A.C.Ruge 制造出第 一批应变计以后不久，在 40 年代初（1944 年）就发明了粘贴式电阻应变传感器。至今已有 半个多世纪的发展历史。其间，几乎每间隔 10 年就出现一次质的飞跃。 40、50 年代，是传感器早期发展阶段。当时弹性材料、纸基丝式应变计以及粘结剂均 处于发展研究阶段，其性能还不完善。因此，电阻应变式传感器的准确度、稳定性都不能满 足测量技术的要求。 自 50 年代，箔式电阻应变计问世后，应变计的温度特性和粘结剂的力学性能都得到改 善，使传感器的温度影响及蠕变影响有了明显抑制，精度提高了约一个数量级。 在 60 年代中期，传感器进入了测量领域。从 60 年代末到

3、 80 年代初的 10 余年中，由于 与传感器性能密切相关的各项技术所取得的突破性进展， 使电阻应变式传感器获得了前所未 有的高速发展。 80 年代以后，随着加工工艺、粘贴工艺等的技术进步，使传感器的准确度、可靠性大 大提高，在测量技术领域里得到了广泛应用，成为应变电测技术中的重要组成部分。现在， 传感器已由单纯作为转换元件而发展成为多功能、 智能化的信息测量元件。 特别是微电子和 微机械技术发展，必将给的传感器发展带来更广阔的空间 7.1.1 传感器的构造与原理 7.1.1 传感器的构造与原理 以电阻应变计为转换元件的电阻应变式传感器， 主要由弹性元件和粘贴于其上的电阻应 变计构成。其工作原

4、理是，由于被测物理量（如载荷、位移、压力等）能够在弹性元件上产 生弹性变形（应变） ，而粘贴在弹性元件表面的电阻应变计可以将感受到弹性变形转变成电 阻的变化，这样电阻应变式传感器就将被测物理量的变化转换成电信号的变化。 传感器中感受被测物理量的弹性元件是其关键部分， 结构形式有多样， 旨在提高感受被 测物理量的灵敏性和稳定性。常用的弹性元件的结构形式有：受拉压的直杆、受弯曲的梁、 受扭转的圆轴、受均布压力的薄圆板、受内压的圆筒、受径向载荷的圆环以及受轴向载荷的 剪切轮辐式结构等。 在力、扭矩及流体压力的测量中，通常把被测物理量直接作为弹性元件所承受的载荷； 在静位移的测量中，利用刚性极小的弹性

5、元件直接感受位移的变化；在振动测量中，则是按 照惯性式测振原理，利用一个由弹性元件和惯性质量块构成的质量-弹簧系统，来反映被测 振动的位移、速度或加速度。 7.1.2 传感器的设计 7.1.2 传感器的设计 为了进行高精度的测量，对传感器的使用性能提出以下要求：输出灵敏度高、非线性误 差小、有良好的重复性（即工作稳定性） 、湿度对传感器的零点及输出灵敏度的影响小、在 动态测量时有足够的频率响应范围等。 与上述要求相适应，对弹性元件的结构和尺寸设计、弹性元件材料的选择及热处理、应99变计与粘合剂的选择、应变计的粘贴与防护工艺等方面必须有严格的要求。 1.弹性元件结构的设计原则 1.弹性元件结构的

6、设计原则 弹性元件结构设计的要求，往往与传感器使用的状态、环境条件、准确度等要求密切相 关。因此，要获得满意的设计，首先应进行全面的考察和了解。 下面所阐述的是一般设计原则，使用时应结合具体情况，合理取舍、灵活运用。 （1） 结构简单。简单的结构形式可以简化加工工艺、降低成本。 （2） 有很好的刚性。为了使传感器工作状态保持稳定，减弱外界振动干扰的影响，特 别是低频影响，应尽量使弹性元件在载荷作用下的弹性位移减小，使之有较高的固有频率。 （3） 结构的整体性。弹性元件应尽量是一个整体，避免组合结构形式。因为诸如紧固 松动、 焊接变形、 滑动位移等因素的存在， 都可能对传感器的重复性、 可靠性带

7、来潜在影响。 （4） 对作用力位置的变化和干扰力的影响不敏感。弹性元件应变敏感区的应力分布， 应只随作用力的大小而变化。但是，一般的结构形式很难避免受干扰力，以及受作用力方向 和位置变化的影响。为此，设计不受上述因素影响的弹性元件，优点是显而易见的。 （5） 弹性元件有效工作区应有良好的线性。有效工作区即是应变计工作的敏感区，该 处应有良好的应力应变线性关系。因此，对该区域的几何尺寸、加工精度都应有更为严格的 要求。 （6） 弹性元件有效工作区应具有最大应变值。 这样， 弹性元件其他部位的变形都较小。 因此，在载荷作用下的弹性元件具有较高的灵敏度和较好的疲劳寿命。 （7） 工作区的最佳额定应变

8、值。 选择工作区的最佳额定应变值是弹性元件设计的基础。 由于传感器处在长期频繁的使用状态下，且要求有较高的分辨率和线性度。所以，在保证输 出信号足够大的情况下，选择较低的应力水平为佳。通常的额定应变值选择在600 2000之间。 （8） 弹性元件工作区的工艺性能好。结构形式的工艺性包括机械加工、粘贴和密封等 安装工艺。应变计工作区要求加工精度高、几何尺寸的一致性好，因此要尽可能考虑便于实 现加工要求的结构设计。同时，工作区的结构还应便于应变计的粘贴操作，适于半自动、大 批量生产，在要求密封时能方便地进行局部密封或全密封。 （9） 弹性元件自身具有过载保护能力或便于设置过载保护装置。对于大量程传

9、感器， 安全过载保护是十分必要的。 弹性体结构本身具有过载保护能力固然很好， 但往往结构较复 杂使加工变得更加困难。因此，多数情况下可以借助简单的附加装置。 （10） 安装方便，互换性好。 2.弹性元件材料的选择 2.弹性元件材料的选择 传感器弹性元件的材料应具有高强度、高弹性极限、低弹性模量、稳定的物理性质以及 良好的机械加工和热处理性能。 常用的材料有： 合金钢 40Cr、 35CrMnSiA、 50 50、 40CrNiMoA、 65Si2MnWA、 铍青铜QBe2、 硬铝及超硬铝等。对性能要求不太高的传感器，也可以用优质碳素钢 45。 CrMnACrVALY12LC4弹性元件在加工过程

10、中与加工以后， 必须按一定规范进行热处理及载荷处理， 以提高弹 性极限、消除残余应力、减小材料本身的滞后和蠕变，达到较高的长期工作的稳定性。 3.应变计的选择与粘贴 3.应变计的选择与粘贴 对一次性使用或短期使用的传感器，其应变计的选择及粘贴可以和通常的应变测量相 同。对反复使用或长期连续使用的传感器，一般应选择高质量、高稳定性的箔式应变计，采 用热固化的粘合剂进行粘贴，同时，对粘贴工艺的质量应严格控制，并且应覆盖良好的防护 层。 100 7.1.3 传感器的标定 7.1.3 传感器的标定 同一类型的传感器， 常因弹性元件的加工和应变计工作特性指标的差异， 以及其它各种 原因，输出往往不同。因

11、此传感器制成以后，必须经过严格的标定，即以标准量(如拉力、 单位压力、位移或加速度等)作用在传感器的弹性元件上，随同相应的测试仪器测其输出值 (读数应变)，从而由输出值(读数应变)反映被测量的大小，这一过程称为标定。标定要在下 列条件下进行： (1) 标定时传感器的加载情况与实测条件应一致，使用工作环境也应注明。 (2) 标准量的精度必须比所需标定的传感器的精度高一级。例如被标定的测力传感器为 三等测力计，则其标定必须在二等测力计上进行，方能满足精度要求。 (3) 测试仪器同样应高于传感器所要求的精度的 35 倍。 (4) 标定过程中， 为了减少滞后误差， 一般要在满量程(最大载荷)下反复加载

12、、 卸载 3 5 次，然后将额定量程(或额定载荷)分成五至十级加、卸载，并读取相应的数值， 至少连续三次取值，再取平均值，制成图或表供实际使用。同时可按不确定度理论 计算出传感器的不确定度。 传感器精度的性能指标，一般用如下三个典型技术指标来表示： 非线性 在传感器的标定曲线图（即输入(载荷)-输出(电压或应变)特性曲线图）中， 标定曲线与理论直线(连接零点与额定载荷对应对所作的直线)的最大输出偏差与额定载荷 下输出值之比，即表非线性度。 滞后 载荷从零增至额定值，然后回到零，在输出的特性曲线上，上升时输出和下降时 输出之间的最大偏差与额定值之比称之为滞后。 重复性 在同一工作条件下，按同一方

13、式，作数次(三次以上)加载至额定值时，特性曲 线的一致性。它的数值为特性曲线上的点与理论直线上相应点间最大差值对满量程的百分 比。 传感器的性能指标，尚有温度效应、偏载效应、常温蠕变、动态特性等等，可参照有关 标准，或按提出的特殊要求来标定。 7.1.4 供桥电压的选择 7.1.4 供桥电压的选择 供桥电压低时，读数应变小，测量的灵敏度低。供桥电压过高时，虽然读数应变增大， 但会使应变计工作性能变坏，滞后和蠕变增大，并产生很大的零点漂移。为了使得测试工作 能够得到满意的效果， 应选择最佳的供桥电压。 影响最佳供桥电压数值的因素有应变计的型 式、敏感栅的面积和电阻值、试件和弹性元件的散热能力、环

14、境温度等等。 可用下列经验公式确定最佳供桥电压： gFPRug02= (伏) (7-1) 式中，R为应变计的电阻(欧姆)；为敏感栅的面积(毫米gF2)； gP为敏感栅上的功率密度(瓦/毫米2)，在静态测量、精度要求中等、散热条件良好时，可取()3101 . 36 . 1=gP(瓦/毫米2)。 7.1.5 传感器的电路补偿 7.1.5 传感器的电路补偿 对于一个传感器除了要考虑弹性元件的结构形式、 材料和加工工艺， 还要选用性能良好 的应变计、 粘结剂及掌握熟练的粘贴技术外。 由于弹性元件实际所用的材料和应变计的实际 性能参数都不可能十分理想的，会产生桥路的初始不平衡、零点的漂移、输出灵敏度的漂

15、移 和输出非线性等缺陷，还应采用电路的补偿技术，以提高它的精度。 补偿电路见图 7-1，图中、为应变计，、为1R2R3R4RzRtRERLRsR101调整电阻。通过调整电阻的阻值可以对相应的缺陷进行一定程度的补偿。 图 7-1 传感器的补偿电路 下面将补偿技术分述如下： 1.1. 初始不平衡补偿 初始不平衡补偿 在应变计测量电桥中，只有当3241RRRR=时，电桥才会平衡。但各桥臂中的应变计的阻值总会存在一定的偏差，使得电桥不平衡，这时可以在桥臂中串联电阻进行补偿，使电桥平衡（见图 7-1） 。 zR串联电阻的材料应与应变计敏感栅的材料相同， 且粘贴在弹性元件非变形的部位上。串联电阻的位置，根

16、据实际工作情况选择合适的桥臂。 zRzR2.2. 零点漂移补偿 零点漂移补偿 一般传感器中都有初步的温度补偿措施， 如利用桥臂特性进行补偿， 采用温度自补偿应 变计等。但由于电阻应变计的特性不完全相同，弹性元件各处的材料性能存在差别，当温度 变化时，电桥仍会有输出，造成测量误差。这种当温度变化，电桥产生输出的现象，称为零 点漂移(简称零漂)。 影响零点漂移的因素很多，主要是当温度发生变化时，应变计的电阻温度系数变化、应 变计和弹性元件材料的线膨胀系数不同、 应变计的性能不均匀等原因造成的。 为了消除零点漂移，在桥臂中串接一个补偿电阻（见图 7-1） 。补偿电阻应阻值小、电阻温度系数高，粘贴在弹性元件不变形的部位上，并且与工作应变计处于相同的温度环境。串接在哪个桥臂以及它的大小，应根据实际工况通过试验确定。 tRtRtR3.3. 灵敏度漂移补偿 灵敏度漂移补偿 在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度的