第五章 电阻应变式传感器,5.1 概述 5.2 金属电阻应变片的结构和类型 5.3 金属电阻应变片工作原理 5.4 误差分析 5.5 分类 5.6 应变片命名规则 5.7 应变片的主要特性及参数 5.8 电阻应变片的选用和粘贴 5.9 应变片测量电路 5.10 半导体应变片 5.11 电阻应变片式传感器的应用,5.1 概述,电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各种力学量（压力、荷重、扭力等）转换为电信号的结构型传感器 分类：电阻丝应变片、半导体应变片 组成:电阻应变片和测量电路电阻应变片(计)是电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力学量传感器5.2 金属电阻应变片的结构和类型,,图5－1 应变计的结构及构成(a)丝式；(b)箔式 1－敏感栅；2－基底；3－引线； 4－盖层；5－粘结剂,常用金属应变片有:金属丝式应变片、箔式应变片以及金属薄膜应变片等 金属电阻应变片的基本结构如图5-1所示，它由盖层、敏感栅、基底及引线四部分组成敏感栅可由金属丝、金属箔制成，它是转换元件，它被粘贴在基底上。
用粘合剂粘贴在传感器弹性元件或试件上的应变片通过基底把应变传递到敏感栅上，同时基底起绝缘作用盖层起绝缘保护作用焊接于敏感栅两端的引线作连接测量导线之用1、金属丝式应变片 金属丝式应变片的敏感栅由金属丝绕制而成金属丝材料为电阻率ρ大而电阻温度系数小的材料丝式应变片的规格一般以使用面积(L*b)和敏感栅的电阻值来表示阻值一般在50～10OOΩ范围内，常用的为12OΩ2、金属箔式应变片 箔式应变片的敏感栅通过光刻、腐蚀等工艺制成，可根据需要制成任意形状，具有表面积大、散热性好、允许电流大、便于成批生产等优点3、金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂这样应变片的性能更好，灵敏度高所谓薄膜指厚度在0.1µm以下的金属膜厚度在25µm左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜5.3 金属电阻应变片工作原理,,1、电阻应变效应 金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应导体的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效应 电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝（0.1~0.2mm）4作为引线, 以便与测量电路连接。
图中, l称为应变计的标距, 也称（基）栅长, b称为（基）栅宽, l×b称为应变计的使用面积2、工作原理:应变效应 设有一根圆截面的金属电阻丝如图5-2所示其原始电阻为：,受力后各部分的变化引起电阻的变化,或,对于直径为d的圆形截面电阻丝：,泊松系数太小，可忽略 μ=0.3～0.5 K =1.6 ～ 2 ε =10-6 ～ 10-3,,,灵敏度系数K的意义：单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起 3、结论 金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比 4、特点 优点: 稳定性和温度特性好. 缺点: 灵敏度系数小.,1、横向效应 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小弯曲半径越大，横向效应也越大 通过改变电阻丝排列的形状可减小之 2、温度影响 由于环境温度改变引起电阻值变化，由电阻丝温度系数α引起；由电阻丝与被测件材料的线膨胀系数α1、α2的不同引起的5.4 误差分析,当温度变化Δt, 应变片电阻的增量ΔRt可用下式表示： ΔRt=RοαΔt+RοK(α1- α2)Δt= Rο[α+K(α1- α2]Δt 令 αt= α+K(α1- α2) 则： ΔRt= RοαtΔt 3、蠕变 与粘贴相关，基片、粘合剂、被测件材料需相适应。
否则不能将被测件表面变形准确地传递给应变片 另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，最大电流5.5 分类,应变计有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几百mm, 短的仅0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案; 就使用环境上说, 有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁场等; 而安装形式, 有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等 主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将应变计分为金属式和半导体式两大类从敏感元件的形态又可进一步分类如下:,半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式等 丝式应变计是最早应用的品种 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如图所示 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式, 制作简单但横向效应较大 直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所代替箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.003～0.01mm）与丝式应变计相比有如下优点: (1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。
2)可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长（如基长为0.1 mm）的应变计(3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流(4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递(5) 蠕变小, 疲劳寿命高(6) 横向效应小(7) 便于批量生产, 生产效率高 ,几种箔式应变计,薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）, 再加上保护层制成 其优点是灵敏度高, 允许通过的电流密度大, 工作温度范围广, 可工作于-197～317°C, 也可用于核辐射等特殊情况下制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求: (1)k0大, 并在尽可能大的范围内保持常数(2)电阻率ρ大 这样, 在一定电阻值要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短(3)电阻温度系数小高温使用时, 还要求耐高温氧化性能好 (4)具有良好的加工焊接性能 常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、 铁镍铬合金等 常温下使用的应变计多由康铜制成 半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。
体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条, 粘贴于基片上制作而成5.6 应变片命名规则,应变计类别: B—— 箔式T—— 特殊用途 基底材料类别:F—— 酚醛类H——环氧类A——聚酰亚胺B——玻璃纤维浸胶 标称电阻（Ω）: 120 175 350 500 700 1000 1500 应变计栅长（mm）: 3等,敏感栅结构形状:AA——单轴片 HA——45°双联片GB——半桥片FG——全桥片KA——圆片 材料线膨胀系数:铜Cu——11铝Al——23不锈钢——16,可自补偿蠕变标号: T5 T3 T1 T8 T6 T4 T2 T0N2 N4 N6 N8 N0 N1 N3 N5 N7 N9蠕变由负到正 举例: B F 350-3 AA 23 T0 （箔式, 酚醛类基底材料, 标称电阻350 Ω, 应变计栅长 3 mm, 单轴片, 材料线膨胀系数铝Al——23, 可自补偿蠕变标号T0 ）,5.7 应变片的主要特性及参数,电阻应变片的工作特性指用数据或曲线表达的应变片的性能和特点。
应变片的主要参数是指能反映应变片性能优劣的指标实际上通过应变片的主要参数就能得知其工作特性 1、应变片初始电阻值R0 R0指应变片末贴前在室温下测定的静态电阻值常见的有60、120、200、250、600和1000Ω等类型 2、灵敏系数k 应变片的灵敏系数k值及其误差一般以平均灵敏系数值及相应均方根差表示:,3、允许工作电流Imax 又称最大工作电流，指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值Imax确定Imax值是由多种因素综合考虑的结果，一般由厂家提供丝式应变片通常规定为25mA，但对动态测量或使用箔式应变片时可取得大一些另外，选取Imax值时还应考虑被测构件材料导热性的好坏 4、应变极限εlim 应变片所能测量的最大应变值称为应变极限一般认为，在室温条件下，指示应变降低到试件的真实应变的90%时，应变片就已开始失去工作能力，此时应变片能测试应变的最大值即应变极限应变片粘贴到试件上，由于环境温度变化的影响，将使电阻产生相对变化，这种现象称为应变片的温度效应由温度变化引起的应变输出称为热输出5、温度效应及热输出εt,热输出εt定义为：当应变片安装在某一线膨胀系数的试件上，试件可自由膨胀，并不受外力作用，在缓慢升(或降）温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变。
其表达式为：,欲使εt减小，则应使αt的值小，k值大，βs和βf接近或相等 实际中，温度变化所引起的热输出较大，有时会超过被测量值而造成较大误差 例如粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏系数k=2.0，αt=2O×l0-6/℃，βf =15×l0-6/℃，钢件线膨胀系数βs=11×l0-6/℃ ，当环境温度变化Δt=10℃时，应变片热输出为： εt＝[2O×l0-6/2.0+(11-15)×l0-6]×10 =60×l0-6=60(με),对于钢件其弹性模量E=2O×l09Pa，则σ=Eεt=1.2×1O5(Pa) 即上述输出相当于在试件上加31.2×1O5Pa的应力，所以必须采取措施减少或消除温度变化的影响，即必须进行温度补偿 应变片的误差产生原因：一是由电阻丝温度系数引起的；二是由电阻丝与被测材料的线膨胀系数的不同引起的 实际中常用的补偿方法有两种 1)桥路补偿法.用于常温下的测量 2)使用温度有补偿应变片，用于高温下的测量5.8 电阻应变片的选用和粘贴,应变计的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作用应变计通常是用粘合剂贴到试件上的, 在做应变测量时, 是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变准确无误地传递到应变计的敏感栅上去的。
因此, 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所以, 应变计粘合剂不但要求粘接力强, 而且要求粘合层的剪切弹性模量大, 能真实地传递试件的应变另外, 粘合层应有高的绝缘电阻、良好的防潮性防油性能以及使用简便等特点 ,对粘合剂有如下要求: (1) 有一定的粘结强度 (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1、电桥的特点 当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，通过检流计来测量，可测微小的电阻变化平衡时：,测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关,5.9 电阻应变传感器的测量电路,2、工作原理： 条件： 电桥负载电阻无穷大，ΔRi << Ri 有：,1）对称情况： R1为应变片并且 R1 = R2 ，R3 = R4 则：,2）非对称情况： R1 = R4，R2 = R3 如令 ： R2 / R1 = R3 / R4 =α 则：,但若采用： R1 = R2 = R3 = R4 R1为拉应变片 R2 为压应变片 则：,灵敏度为单臂电桥的2倍,3）全对称情况： R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片 ΔRi / Ri =Kεi 则：,。