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1、2.1电阻应变效应应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之一。传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。应变式传感器的核心元件是电阻应变计,电阻应变计,也称应变计或应变片,是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。图2.1为其构造简图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅
2、1,用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。电阻丝较细,一般在0.015~0.06mm,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2.1中,L称为应变计的标距,也称（基）栅长,a称为（基）栅宽,L×a称为应变计的使用面积。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0.2mm;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
3、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
4、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0.1mm）的应变计。(3)敏感栅截面积为矩形,
5、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-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
6、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。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半导
7、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。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50~100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。工作原理电阻应变片的工作
8、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
