电阻应变传感器(I)

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1、第二章电阻应变传感器第一节电阻应变片第二章电阻应变传感器测量电路第三节电阻应变传感器的应用第一节电阻应变片电阻应变传感器由弹性元件(Elastomer)、电阻应变片和相应的测量电路组成。弹性元件用于感受被测量的变化，并将被测量的变化转换为弹性元件表面应变;电阻应变片粘贴在弹性元件上，将弹性元件的表面应变转换为应变片电阻值的变化;测量电路将应变片电阻值的变化转换为便于输出测量的电量，从而实现非电量的测量。电阻应变片是应变测量的关键元件，为适应各种领域测量的需要，可供选择的电阻应变片的种类很多，但按其敏感栅

2、材料及制作方法可分类如表2-1所示。一、金属电阻应变片1.金属丝电阻应变效应金属导体在发生机械变形时，其阻值发生相应变化，即形成导体的电阻应变效应。由于下一页返回第一节电阻应变片上一页下一页返回第一节电阻应变片式中μ称为导体的泊松比，它表示导体横向应变量与纵向应变量成比例，式中“-”号表示两者变形方向相反。将式(2-3)和式(2-4)代人式(2-2)，则可得令金属丝应变灵敏系数为其物理含义是单位纵向应变引起电阻的相对变化量。由式(2-5)得式中(1+2μ)——决定于导体几何尺寸发生的变化;上一页下一页返

3、回第一节电阻应变片上一页下一页返回第一节电阻应变片2.金属丝电阻应变片结构金属丝电阻应变片的基本结构如图2-1所示图2-1中，敏感栅是电阻应变片的敏感元件，用于感受被测量的应变。敏感栅是由直径约为0.025mm、高电阻率的合金(铜镍合金、镍铬合金、铂铬合金、铂钨合金等)电阻丝绕制而成的，栅长为L，栅宽为b,敏感栅静态电阻值有60Ω,120Ω,200Ω等多种规格。对敏感栅的大致要求如下。(1)较大的应变灵敏系数，并在测量范围内保持为稳定。(2)具有高而稳定的电阻率(3)抗氧化，耐腐蚀，且有足够的抗拉强度(

4、4)加工性能好上一页下一页返回第一节电阻应变片图2-1中基片和覆盖层用于固定敏感栅、引线的几何形状和相对位置。基片多采用砧结剂和有机树脂薄膜制成，厚度为0.02-0.04mm，它也是敏感栅与弹性元件间的绝缘层。覆盖层起保护敏感栅作用，也是由砧结剂和树脂薄膜制成的。覆盖层、敏感栅和基片由砧结剂砧结在一起，并用砧结剂牢牢地砧结在弹性元件上。应变片的引线常用直径为0.1-0.15mm的镀锡铜线，或用偏带形金属导线，引线与敏感栅焊接可靠，电阻率低，电阻温度系数小，抗氧化，耐腐蚀，且对外连接方便3.金属丝电阻应变

5、片基本特性1)横向效应上一页下一页返回第一节电阻应变片直线金属丝受纵向拉伸力时，丝上各段所感受的纵向应力(Stress)应变是相同的，因而每段的伸长也是相同的，金属丝总电阻的增加等于各段电阻增加的总和。将金属丝绕制成敏感栅后，在同样的拉伸力作用下，沿拉伸力方向的直线段仍感受纵向拉应变而伸长;但弯曲的圆弧段在感受纵向拉应变的同时，也感受与纵向拉应变相反的横向压应变，称之为横向效应，且弯曲半径越大，横向效应越严重，致使电阻的增加值减小，应变片灵敏系数降低。2)机械滞后在恒温下，应变片受力后，其内部会产生不可

6、逆的残余变形，致使应变电阻在加载和卸载时，出现一定的差值，上一页下一页返回第一节电阻应变片此差值称为机械滞后(Hysteresis),也将引起应变片灵敏系数下降3)蠕变应变片受恒定力作用时，应变电阻值随时间而变化，这是因为应力在粘胶层中传递时出现滑动现象，胶层越厚、滑动越严重，这种现象称为蠕变，蠕变结果也将引起灵敏系数下降。因而在应变片制作及往弹性元件上粘贴时，不但要选用同型号优质砧结剂，而且砧结层要薄而均匀。4)温漂应变片材料的电阻一般都受温度影响，温度变化引起应变片电阻值变化的现象称为温漂，上一页下

7、一页返回第一节电阻应变片这种由于物质内部热激发所引起的热输出，通常是导致灵敏度下降的主要因素，因而在应变测量中都要采取相应的温度补偿措施。4.金属箔应变片这类应变片的敏感栅是用0.001~0.01mm厚的金属箔通过光刻技术制作成的，可以很方便地制作成各种形状的应变片，常称其为应变花，如图2-2所示箔式应变片横栅较宽，因而横向效应较丝式应变片小。由于箔栅的厚度远比丝栅小，因而有较好的散热性能，允许通过较大的工作电流(100一300mA)，耐压高，输出功率大;同时因栅薄，柔性好，便于粘贴到弯曲的弹性元件表面

8、上;且粘贴面积大，上一页下一页返回第一节电阻应变片能很好地跟随弹性元件的表面形变，因而应力传递性能好，蠕变和机械滞后较小。在应变测量中，箔式应变片已逐渐取代丝式应变片而占有主要位置。5.金属薄膜应变片这类应变片的敏感栅是用真空蒸镀或溅射的方法将金属材料淀积在绝缘基片上，然后用刻蚀技术制成各种形状的栅，其厚度比箔栅还要薄，一般在0.1μm以下，其灵敏系数比箔式应变片还要高，且传递性能好，是一种很有前途的新型金属应变片。二、半导体电阻应变片金属