第2章 应变式传感器一.金属应变式传感器二.半导体压阻应变式传感器第二章 应变式传感器 第2章 应变式传感器金属应变式传感器2.1工作原理电阻应变效应2.2应变计的基本结构与材料2.3应变计的分类2.4应变计的主要特性2.5电桥原理及电阻应变计桥路2.6温度误差与补偿2.7应变式传感器第2章 应变式传感器优点：精度高，测量范围广频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻可在高(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易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择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金属应变式传感器第2章 应变式传感器第2章 应变式传感器dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为rS=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知将微分dR、d改写成增量R、，则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KS称为金属丝的应变灵敏系数。
为泊松系数，负号表示应变方向相反第2章 应变式传感器物理意义：单位应变引起的电阻相对变化KS由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）对金属材料，以前者为主，则KS1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定半导体灵敏度要比金属大50100倍第2章 应变式传感器2341电阻应变片结构示意图bl2.2应变计的结构与材料由敏感栅1、基底2、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1）敏感栅由金属细丝绕成栅形电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120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栅长栅宽第2章 应变式传感器对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；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2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽第2章 应变式传感器（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、硼酸盐等第2章 应变式传感器2.3应变计的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0.2mm;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:第2章 应变式传感器应变计金属式半导体式体型薄膜型丝式箔式纸基胶基体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式第2章 应变式传感器金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角,如图2.2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金属应变计第2章 应变式传感器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0.0030.01mm）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0.1mm）的应变计第2章 应变式传感器(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,生产效率高第2章 应变式传感器图2.3几种箔式应变计第2章 应变式传感器金属箔式应变计第2章 应变式传感器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-197317C,也可用于核辐射等特殊情况下第2章 应变式传感器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第2章 应变式传感器图2.4体型半导体应变计示意图半导体应变计较普遍的有体型、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 半导体应变计第2章 应变式传感器薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的 扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上,形成一层极薄的敏感层制成的外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的 第2章 应变式传感器半导体应变计有如下优点: (1)灵敏度高比金属应变计的灵敏度约大50100倍。
工作时,可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果2)体积小,耗电省3)具有正、负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值;而N型硅应变计的灵敏度系数为负值4)机械滞后小,可测量静态应变、低频应变等第2章 应变式传感器应变计型号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（）:12017535050070010001500应变计栅长（mm）:3等第2章 应变式传感器敏感栅结构形状:AA单轴片HA45双联片GB半桥片FG全桥片KA圆片材料线膨胀系数:铜Cu11铝Al23不锈钢16 举例:BF350-3AA23T0（箔式,酚醛类基底材料,标称电阻350,应变计栅长3mm,单轴片,材料线膨胀系数铝Al23,可自补偿蠕变标号T0 第2章 应变式传感器案例：桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率应变计应用桥梁固有频率测量可用来判断桥梁结构安全状况，对重要桥梁通常每年进行一次测量当桥梁固有频率发生变化时，说明桥梁结构有变化，应进行仔细的结构安全检查。
桥梁固有频率测量可采用在桥梁中部的桥身上粘贴应变片第2章 应变式传感器案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出第2章 应变式传感器电阻应变式称重传感器原理：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（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（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程第2章 应变式传感器MagneticfieldinducedstrainStressinducedstrain案例：科研上测量微应变第2章 应变式传感器2.4电阻应变计的主要特性（1）灵敏度系数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KS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在很宽的范围内均为线性关系即K为金属应变片的灵敏系数注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。
测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素第2章 应变式传感器丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（2）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状沿轴向应变为，沿横向应变为r第2章 应变式传感器若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度dl =r d上的应变可由材料力学公式求得每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为L1=n l第2章 应变式传感器应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为令则可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果第2章 应变式传感器当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。
即 由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小第2章 应变式传感器（3）机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差第2章 应变式传感器（4）零点漂移和蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变一般蠕变的方向与原应变量的方向相反产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。
实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例第2章 应变式传感器（5）应变极限在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1主要因素：粘结剂和基。