2.1电阻应变效应PPT012

《2.1电阻应变效应PPT012》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2.1电阻应变效应PPT012（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.1 电阻应变效应电阻应变效应 应应变变式式传传感感器器是是利利用用电电阻阻应应变变效效应应做做成成的的传传感感器器, 是是常常用用的的传传感感器器之之一一。传传感感器器由由在在弹弹性性元元件件上上粘粘贴贴电电阻阻应应变变敏敏感感元元件件构构成成。 当当被被测测物物理理量量作作用用在在弹弹性性元元件件上上时时, 弹弹性性元元件件的的变变形形引引起起应应变变敏敏感感元元件件的的阻阻值值变变化化, 通通过过转转换换电电路路将将其其转转变变成成电电量量输输出出, 电电量量变变化化的的大大小小反反映映了了被被测测物物理理量量的的大大小小。应应变变式式电电阻阻传传感感器器是是目目前前测测量量力力、力矩

2、、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。 应应变变式式传传感感器器的的核核心心元元件件是是电电阻阻应应变变计计, 电电阻阻应应变变计计, 也也称称应应变变计计或或应应变变片片, 是是一一种种能能将将机机械械构构件件上上的的应应变变的的变变化化转转换换为为电电阻阻变变化化的的传传感感元元件件。 图图2.1为为其其构构造造简简图图。 排排列列成成网网状状的的高高阻阻金金属属丝丝、栅栅状状金金属属箔箔或或半半导导体体片片构构成成的的敏敏感感栅栅1, 用用粘粘合合剂剂贴贴在在绝绝缘缘的的基基片片2上上。敏敏感栅上贴有盖片（即保护片）感栅上贴有盖

3、片（即保护片）3。 电电阻阻丝丝较较细细, 一一般般在在0.0150.06 mm, 其其两两端端焊焊有有较较粗粗的的低低阻阻镀镀锡锡铜铜丝丝（0.10.2mm）4作作为为引引线线, 以以便便与与测测量量电电路路连连接接。 图图2.1中中, L称称为为应应变变计计的的标标距距, 也也称称（基基）栅栅长长, a称称为为（基基）栅栅宽宽,La称为应变计的使用面积。称为应变计的使用面积。 第五章平面向量第五章平面向量 图 2.1 电阻应变计构造简图2.1.2 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0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、双片、应变花和各种特殊形状

4、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。金属应变片由敏感栅、 基片、 覆盖层和引线等部分组成, 如图 3 - 2 所示。 敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝缘的基片上, 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 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: 应变计金属属性半导体式体形薄膜型丝式箔式体型薄模型扩散型外延型Pn结及其它形式 半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他

5、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。 图 2.2 箔箔式式应应变变计计的的线线栅栅是是通通过过光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制 成成 很很 薄薄 的的 金金 属属 薄薄 栅栅 （ 厚厚 度度 一一 般般 在在 0.0030.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点）。与丝式应

6、变计相比有如下优点: (1) 工工艺艺上上能能保保证证线线栅栅的的尺尺寸寸正正确确、 线线条条均匀均匀, 大批量生产时大批量生产时, 阻值离散程度小。阻值离散程度小。 (2) 可可根根据据需需要要制制成成任任意意形形状状的的箔箔式式应应变变计计和和微微型型小小基基长长（如如基基长长为为0.1 mm）的的应应变变计计。 (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。 图2.3画出了几种箔式应变

7、计。 图2.3 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-197317C, 也可用于核辐射等特殊情况下。 制制作作应应变变计计敏敏感感元元件件的的金金属属材材料料应应有有如如下下要要求求: (1) k0大大, 并并在在尽尽可可能能大大的的范范围围内内保保持持常常数数。 (2) 电电阻阻率率大大。 这这样样, 在在一一定定电电阻阻值值要要求求下下, 同样线径同样线径, 所需电阻丝长度短。所需电阻丝长度短。 (3) 电电阻阻

8、温温度度系系数数小小。高高温温使使用用时时, 还还要要求求耐高温氧化性能好。耐高温氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。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。几种体型半导体应变计示意图如图2.4所示。 图2.4 体型半导体应变计示意图 薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将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

9、成的。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扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高型杂质扩散到高阻的阻的N型硅基片上型硅基片上, 形成一层极薄的敏感层制成的。形成一层极薄的敏感层制成的。 外外延延型型半半导导体体应应变变计计是是在在多多晶晶硅硅或或蓝蓝宝宝石石基基片上外延一层单晶硅制成的。片上外延一层单晶硅制成的。 半导体应变计有如下优点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) 由于具有正、 负两种符号的应力效应（即

10、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。 工作原理工作原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机械变形时, 它的电阻值相应发生变化。 如图 3 - 1 所示, 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为 R=式中: 电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。 （3 -1） 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为 式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量

11、, 即 由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 将式（3 - 3）#, 式（3 - 5）代入式（3 - 2）, 可得 或（3-6）（3-7） 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为（3-8） 灵敏度系数受两个因素影响: 一个是受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2）; 另一个是受力后材料的电阻率发生的变化, 即（/）/。 对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大

12、得多, 而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。 大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即K为常数。 用应变片测量应变或应力时, 根据上述特点, 在外力作用下, 被测对象产生微小机械变形, 应变片随着发生相同的变化, 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时, 便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系, 得到应力值为 =E （3 - 9）式中 : 试件的应力; 试件的应变; E试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值正比于应变, 而试件应变正比于电阻值的变化, 所以应力正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。

13、应应变变计计之之所所以以成成为为重重要要的的敏敏感感元元件件, 主主要要由由于具有如下优点于具有如下优点: (1) 测测量量应应变变的的灵灵敏敏度度和和精精确确度度高高。能能测测12微微应应变变（110-6 mm/mm）的的应应变变。 误误差差一一般般可可小小于于1%。精精度度可可达达 0.015%FS（普普通通精精度度可可达达 0.05%FS）。）。 (2) 测量范围大。测量范围大。 从弹性变形一直可测至从弹性变形一直可测至塑性变形。塑性变形。 变形范围从变形范围从1%20%。 (3) 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5 mm）, 重量轻, 对试件工作状态和应力分布影响很小

14、。既可用于静态测量, 又可用于动态测量, 且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。 (4) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、 强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。 (5) 价价格格低低廉廉、 品品种种多多样样, 便便于于选选择择和和大大量使用。量使用。 应应变变计计有有如如下下缺缺点点: 在在大大应应变变下下具具有有较较大大的的非非线线性性, 半半导导体体应应变变计计的的非非线线性性更更为为明明显显; 输输出出信信号号较较微微弱弱, 故故抗抗干干扰扰能能力力较较差差。 应应变变式式传传感感器器的的性性能能在在很很大大程程度度上上取取决决于于应应变变计计的的性性能能。下

15、下面面就就来来讨讨论论应应变计的主要特性。变计的主要特性。 1 应变计的灵敏度系数K金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系, 2.1.1节中已用灵敏度系数k0表示这种关系。金属丝做成应变计后, 由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应, 电阻应变特性与单根金属丝将有所不同, 必须重新用实验来测定。 实验是按规定的统一标准进行的。电阻应变计贴在一维力作用下的试件上, 例如受轴向拉压的直杆、纯弯梁等。 试件材料用泊松系数试件材料用泊松系数 =0.285的钢。用的钢。用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化, 再再用其他测应变的仪器测定

16、试件的应变用其他测应变的仪器测定试件的应变, 得出电阻应变计得出电阻应变计的电阻的电阻应变特性。实验证明应变特性。实验证明, 电阻应变计的电阻相对电阻应变计的电阻相对变化变化R/R与应变与应变l/l=之间在很大范围内是线性的之间在很大范围内是线性的, 即即2.应变计电阻值应变计电阻值R 应变计在未安装也不受外力的情况下应变计在未安装也不受外力的情况下, 于室温时测于室温时测得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参数。国内得的电阻值。这是使用应变计时应知道的一个参数。国内应变计系列习惯上选用应变计系列习惯上选用120、 175、 350、 500、 1000、 1500。 式中, k为电阻应变

17、计的灵敏度系数。 因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用, 只能在每批产品中提取一定百分比（如 5%）的产品进行测定, 取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数, 或称“标称灵敏度系数”。 3. 最大工作电流 最大工作电流是指允许通过应变计而不影响其工作的最大电流值。工作电流大, 应变计输出信号就大, 因而灵敏度高。但过大的工作电流会使应变计本身过热, 使灵敏系数变化, 零漂、蠕变增加, 甚至烧坏应变计。工作电流的选取, 要根据散热条件而定, 主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料、粘合剂的材料和厚度以及试件的散热性能等。通常允许电

18、流值在静态测量时约取25 mA左右, 动态测量时可高一些, 箔式应变计可取更大些。在测量塑料、 玻璃、 陶瓷等导热性差的材料时, 工作电流要取小些。 4. 横向效应 实验表明, 应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外, 主要是由于存在横向效应。 敏感栅由许多直线及圆角组成, 如图2.5所示。 拉伸被测试件时, 粘贴在试件上的应变计, 被沿应变计长度方向拉伸, 产生纵向拉伸应变x, 应变计直线段电阻将增加。 但是在圆弧段上, 沿各微段（圆弧的切向）的应变并不是x, 与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。 5. 迟滞 机械滞后和热滞后 贴有应变计

19、的试件进行加载和卸载时, 其R/R-特性曲线不重合。把加载和卸载特性曲线的最大差值（如图2.10所示）称为应变计的机械滞后值。 6. 零漂和蠕变 恒定温度下, 粘贴在试件上的应变计, 在不承受载荷的条件下, 电阻随时间变化的特性称为应变计的零漂。零漂的主要原因是, 敏感栅通过工作电流后的温度效应, 应变计的内应力逐渐变化, 粘接剂固化不充分等。 7. 应变极限 粘贴在试件上的应变计所能测量的最大应变值称为应变极限。 在一定的温度 (室温或极限使用温度) 下, 对试件缓慢地施加均匀的拉伸载荷, 当应变计的指示应变值对真实应变值的相对误差大于10%时, 就认为应变计已达到破坏状态, 此时的真实应变

20、值就作为该批应变计的应变极限。 图 2.10 应变计的机械滞后8.温度误差 9.疲劳寿命 已安装的应变计, 在恒定幅值的交变应力作用下, 可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。 所谓疲劳损坏是指应变计指示应变的变化超过规定误差, 或者应变计的输出波形上出现毛刺, 或者应变计完全损坏而无法工作。疲劳寿命反映应变计对动态应变的适应能力。应变计的疲劳寿命的循环次数一般可达106次。2.4 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或电流的变化。因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电

21、阻变化的测量电路, 通常采用直流电桥和交流电桥。 一、一、 直流电桥直流电桥 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 电桥如图 3 - 5 所示, E为电源, R1、R2、R3及R4为桥臂电阻, RL为负载电阻。 （3-28）当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或（3-29）式（3 - 29）称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。 2.5 温度误差及其补偿温度误差及其补偿2.5.1 温度误差产生的原因 把应变计安装在自由膨胀的试件上, 即使试件不受任何外力作用, 如果环境温度发生变化, 应变计的电阻也将发生变化。

22、这种变化叠加在测量结果中将产生很大误差。这种由于环境温度改变而带来的误差, 称为应变计的温度误差, 又称热输出。 产生温度误差的原因有二: (1) 敏感栅金属丝电阻本身随温度发生变化。 电阻与温度的关系可由下式表示: 式中, Rt为温度t 时的电阻值; R0为温度T0时的电阻值; t为温度的变化值; Rt为温度变化t时的电阻变化; 为应变丝的电阻温度系数, 表示温度改变 1C时电阻的相对变化。 (2) 试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不一, 使应变丝产生附加变形而造成的电阻变化。2.5.2 温度补偿方法1. 电桥补偿法 这是一种常用和效果较好的补偿法。 在被测试件上安装一工作应变计, 在另外一

23、个与被测试件的材料相同, 但不受力的补偿件上安装一补偿应变计。 补偿件与被测试件处于完全相同的温度场内。 测量时, 使两者接入电桥的相邻臂上, 如图2.14 所示。 由于补偿片RB是与工作片R1完全相同的, 且都贴在同样材料的试件上, 并处于同样温度下, 这样, 由于温度变化使工作片产生的电阻变化R1t补偿片的电阻变化RBt相等, 因此, 电桥输出Usc与温度无关, 从而补偿了应变计的温度误差。 有时根据被测试件的应变情况, 亦可不专门设补偿件, 而将补偿片亦贴在被测试件上, 使其既能起到温度补偿作用, 又能提高灵敏度。例如, 构件作纯弯曲形变时, 构件面上部的应变为拉应变, 下部为压应变,

24、且两者绝对值相等符号相反。 测量时可将R贴在被测试件的下面（如图2.15所示）, 接入图2.14 的电桥中。 由于在外力矩M作用下, RB与R1的变化值大小相等符号相反, 电桥的输出电压增加一倍。此时RB既起到了温度补偿作用, 又提高了灵敏度, 而且可补偿非线性误差。 图 2.14 图 2.15 2. 辅助测温元件微型计算机补偿法辅助测温元件微型计算机补偿法 该该方方法法的的基基本本思思想想是是在在传传感感器器内内靠靠近近敏敏感感测测量量元元件件处处安安装装一一个个测测温温元元件件, 用用以以检检测测传传感感器器所所在在环环境境的的温温度度。常常用用的的测测温温元元件件有有半半导导体体热热敏敏电电阻阻以以及及PN结结二二极极管管等等等等。测测温温元元件件的的输输出出经经放放大大及及A/D转转换换送送到到计算机计算机, 如图如图2.16所示。所示。 图 2.16 辅助测温元件微型计算机补偿法