第3章 力敏传感器及检测(1)-金属应变片和半导体应变片

.,第3章力敏传感器及检测,3.1力学传感器中的弹性元件3.2电阻应变式传感器3.3压阻式压力传感器3.4压电式传感器3.5电容式传感器,.,3.1力学传感器中的弹性元件,3.1.1名词概念,1.变形物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现象。2.弹性变形当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸和形状的变形。3.弹性元件具有弹性变形特性的物体。把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，再由转换元件变换成电量。,.,4、应力截面积为S的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作,(a)正应力；(b)剪切应力,应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力”或“法向应力”；相切于截面的分量称为“剪切应力”.,.,5.应变应变是物体受外力作用时产生的相对变形，它是一个无量纲的物理量。设物体原长度为l，受力后产生l的变形。若l0，则表示物体被拉伸；l0，则表示物体被压缩。其应变定义为:,6.虎克定律与弹性模量虎克定律：当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比，其数学表达式为,=E,.,3.1.2变换力的弹性元件,(a)实心圆柱形;(b)空心圆柱形;(c)等截面圆环形;(d)变截面圆环形;(e)等截面薄板;(f)等截面悬臂梁;(g)等强度悬臂梁;(h)扭转轴,.,1、弹性圆柱（实心、空心）,.,2、悬臂梁（等截面）,.,3.1.2变换压力的弹性元件,(a)弹簧管(b)波纹管(c)圆形膜片(d)波纹膜片(e)薄壁圆筒,.,圆形膜片,.,电阻应变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。,3.2电阻应变式传感器,3.2.1电阻应变片的工作原理电阻应变效应：当金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属电阻丝应变效应。,.,在其未受力时，原始电阻值为：,设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝。,当它受到轴向力时,其l、S、均发生变化，三者的变化均会引起电阻R的变化。三因素各自的增量所引起的电阻变化可由多元函数微分推导而得。,.,：电阻的相对变化；：电阻率相对变化；：金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；：截面积的相对变化。,两边取对数，得等式两边取微分，得,.,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,r=,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,KS称为金属丝的应变灵敏系数。,.,KS由两部分组成：前一部分是（1+2），表示由于金属丝受拉伸力作用后,材料的几何尺寸发生变化而引起的，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，表示由于材料发生变形时,其自由电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的。对金属材料，以前者为主，则KS1+2；实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.63.6范围内。,.,1、应变片结构由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4组成,3.2.2应变片的结构、类型及特性,A、敏感栅由金属细丝绕成栅形。金属丝栅两头焊有引出线，作连接测量导线用丝栅长度为l，称为栅长，宽度为b，称为栅宽。Lb称为使用面积。其规格以使用面积表示。电阻应变片的电阻值有60、120、200等，以120最为常用。,.,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。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,B、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。,.,C、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。,D、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试件表面某个方向和位置上。以便将试件受力后的表面应变传递给应变片的基底和敏感栅。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。,.,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）形和锐角是最早常用的形式,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片所代替。,2、电阻应变片的种类,A、金属丝应变片,.,B、金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式应变片，如图。金属箔的厚度一般为(0.0010.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。,.,优点：,缺点：电阻值的分散性大,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅（3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。,.,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在1以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产。问题：难控制电阻与温度、时间的变化关系。,C、金属薄膜应变片,.,金属应变片,.,3、电阻应变片的主要特性,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,（1）灵敏度系数,.,K为金属应变片的灵敏系数。注意:K是在试件受单向应力作用，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：胶层传递变形失真和横向效应引起的。,.,（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，试件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化;其径向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，这种现象称为横向效应。,.,（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也会引起。,.,(4)、温度误差及其补偿温度误差用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的主要因素：、应变片的敏感栅具有一定温度系数；、敏感栅材料与试件材料的膨胀系数不同。,.,、环境温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t（即每欧的电阻值当温度变化时的改变量)，则应变片产生的电阻相对变化为、环境温度变化为t（）时，由于敏感栅材料和试件材料两者膨胀系数不同，引起应变片的电阻相对变化为,g试件材料膨胀系数；s敏感栅材料膨胀系数。K应变片灵敏系数,.,温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化t时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。可见，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能(t,s)有关，而且与被测试件材料的膨胀系数(g)有关。,.,温度补偿（自补偿法和线路补偿法）a、单丝自补偿应变片由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定热膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,每一种材料的试件，其热膨胀系数都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，使其电阻温度系数和热膨胀系数满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,.,b、双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即,(Ra)t=(Rb)t,.,C、桥路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,.,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。,.,当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。由前式可知:,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、热膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；,.,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,用于粘贴补偿片的试件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者热膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。,.,（5）零点漂移和蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定，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。,.,（）应变极限应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变越过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性达到10时的真实应变值，称为应变极限。,.,主要原因：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量引起。制造与安装应变片时，基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。,（）绝缘电阻（RG）是指已粘贴的应变片的引线与试件之间的电阻值，一般应在50100。,应变极限是用来衡量应变片的测量范围和过载能力的指标。,.,3.2.3电阻应变式传感器的信号调理电路,为了能将电阻应变片的电阻变化转换为电压或电流变化输出，需要采用转换电路。在电阻应变片式传感器中最常用的转换电路为桥式电路。按供桥电源性质的不同，电桥可分为：交流电桥和直流电桥两类。最常用的是直流电桥。主要分析直流电桥。,.,（1）直流电桥电路及工作原理,在桥路接成等臂电桥(R1=R2=R3=R4)时，输出电压，处于平衡状态。,如果无论哪个桥臂受到外来信号的作用桥路将失去平衡，就会有信号输出。,它的四个桥臂由电阻R1R2R3R4组成；ac端接直流电压U，bd端输出电压。,.,输出电压为：,由此式可知：要使，则必须R1R3R2R4，在设计时，为方便起见，一般采用R1=R2=R3=R4=R,因此电桥平衡得到保证。,当电桥输出端接输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为输出电压。,桥路的电流为：,.,电桥平衡后，电桥任一臂上的电阻值发生变化都将使电桥失去平衡，而有输出电压。现以实际工作的三种情况分析：,（3）全桥式（四臂工作）,.,R1为测量片，R2为补偿片，R3、R4为固定电阻（，即阻值不随温度变化而变化），补偿片的作用是当环境温度变化时补偿片同测量片阻值同比例变化，使桥路输出不受影响。,工作原理：无应变时，桥路输出电压为：,有应变时,.,由可得,式中：,为敏感系数；,测量电路上感受的应变,.,在电路中，R1、R2均为相同应变测量片，又互为补偿片，有应变时，一片受拉，一片受压，此时阻值为：,按照上述方法可计算出输出电压为：,变化量相同,.,在电路中，R1R2R3R4均为应变片，且互为补偿，必须使相邻两个桥臂上的应变片一片受拉，一片受压，可计算出输出电压：,（3）全桥式（四臂工作）,.,3.2.4应变式传感器应用应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。,.,应变式测力传感器-1测力传感器的弹性元件即为力敏元件，它将被测力大小的变化转换成应变量的变化。通常有柱式、悬臂梁式和环式。,.,应变式测力传感器-2,.,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,.,应变式数显扭矩扳手,.,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,.,3.3压阻式传感器是利用半导体的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、尺寸小、横向效应小，滞后和蠕变小、动态响应好、易于微型化和集成化等。,一、压阻式传感器的工作原理压阻效应沿一块半导体某一轴向施加一定外力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生明显变化，而使阻值发生变化，这种现象被称为压阻效应。,.,电阻相对变化,.,由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成式中压阻系数；E弹性模量；应力；应变；k0半导体应变片灵敏系数。对于k0，不同类型的半导体，应力施加的方向不同，压阻效应也不同。目前使用最多的是单晶硅半导体。,.,二、半导体应变片的结构与特性,1、结构,.,2、主要特性（1）杂质浓度压阻系数特性扩散杂质浓度NS增加时，压阻系数就会减小。压阻系数与杂质浓度NS的关系如下图。,.,（2）温度压阻系数的特性温度增加，压阻系数下降。但表面杂质浓度低时,温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢。,.,利用半导体扩散技术，将P型杂质（硼元素）扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻构成惠斯通电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。,三、固态压阻器件结构,.,整理后得USC=IR,因此，电桥的输出为