电阻应变式传感器

1、2.1 应变式传感器,一. 弹性体及其应变,弹性体（敏感元件）的基本概念：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件,1）刚度：弹性元件产生单位变形所需的力。 （2）灵敏度：在单位力作用下弹性元件产生的变形,弹性敏感元件的基本要求及类型： 刚度和灵敏度表示了弹性元件的软硬程度。元件越硬，刚度越大，单位力作用下变形越小，灵敏度越小。当刚度和灵敏度为常数时，作用力F与变形X成线性关系，此种元件称为线性弹性元件,1）具有良好的机械特性（强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等）和良好的机械加工及热处理

2、性能。 （2）良好的弹性特性（弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等）。 （3）弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定。 （4）抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好,对弹性敏感元件的基本要求,1）变换力（力矩）弹性元件：等截面柱式、悬臂梁、圆环式和等截面薄板等。 （2）变换压力弹性元件：弹簧管、波纹管、膜片（力、压力均可以变换）等,弹性元件输入量,绝对伸长,绝对压缩,1. 弹性等截面轴,受外力作用后变形量,轴向应变,径向应变,泊松系数,反映物质形变程度， 反映物质弹性特征（0.2 0.4）， E是材料的弹性模量,E钢=2.0*1011N/m2,E铝=0.7*1011N/m2,应变,2.

3、等截面悬臂梁,自由端受向下外力作用后,此时上表面应变为正（拉应变） 下表面应变为负（压应变,自由端位移（挠度）最大，固定端应变最大,它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具 有结构简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点,悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。特点是灵敏度比较高。 所以多用于较小力的测量。例如民用电子秤中就多采用悬臂梁。当力F （例如苹果的重力作用）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时， 梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变,应变,3. 等强度悬臂梁,自由端受向下外力作用后,此时上表面应变为正（拉应变） 下表面应变为负（压应变） 同一

4、表面上各点应变相等，上下表面应变绝对 相等、符号相反,通常采用厚度 h 不变， 宽度 b 改变来满足,其他讨论与等截面梁式荷重传感器相同,应变,两端固定横梁,受向下外力作用后,此时上表面应变为负（压应变） 下表面应变为正（拉应变,双弯曲梁为传感器弹性体，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷F作用时，R1、R3受拉伸，阻值增加； R2、R4受压缩，阻值减小。电桥失去平衡，产生电压输出,电阻应变片种类： 丝式(绕线式)、箔式、半导体式,金属箔式应变片,金属丝式应变片,二. 电阻应变片及其电阻变化,金属电阻应变片的结构如右图所示，它由敏感栅、基体、覆盖层（保护片）和引出线四部

5、分组成,1金属应变片,机电设备中传感器的连接与信号获取,1）敏感栅是转换元件，由金属丝、金属箔制成，它被粘贴在基体上。通过基体把应变传递给它。 （2）基体起绝缘作用。 （3）覆盖层（保护片）起绝缘保护作用。 （4）引出线焊接于敏感栅两端，作连接测量导线之用。 电阻应变片有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片又有丝式、箔式和薄膜式等结构形式,电阻应变片的结构和工作原理,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为,如果对电阻丝长度作用均匀，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R 变化dR ，dR可通过对上式的全微分求得,电阻相对变化量为,若电阻丝是圆形的， 则

6、A=r ,对r 微分 得dA=2r dr，则,y= -x,由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为,可得,对于确定的材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间,2半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化,当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为,实验证明LE比1+2大近百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,晶面(crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面,晶向(crystal d

7、irection): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向,晶向指数: 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定,使用方法: 设置坐标; 求截距; 取最小整数,半导体应变片在不同晶向上受相同大小应力作用时电阻率变化情况不同。例如p型硅在111晶向上的灵敏度k约为150，而在100晶向上仅为10左右,三.信号处理电路,从前面的讨论知道：电阻应变片的作用是将构件表面的应变转变为电阻的变化。因此将应变片连入电路中构成电桥,目前的应变仪均采用惠斯通电桥电路测量应变片的阻值变化。 四臂电桥如图所示,当在小应变、等桥臂（R1= R2= R3 = R4 ）、相同的灵敏系数时，上

8、式简化成下式,若电桥的四个臂均与粘贴于构件上的电阻片相连，当构件变形时，桥臂上的阻值分别变为： R1+R1 、R2+R2、 R3+R3、 R4+R4。此时BD点的输出电压为,可以证明输出电压与桥臂阻值的关系,式中： 1、 2、 3、 4分别代表四个应变片所感受的应变值,几种常用的组桥方式,1. 单臂测量：桥路中只有一个桥臂参与构件的机械变形。输出的桥压为,2.半桥测量：桥路中相邻的两个桥臂参与构件的机械变形。输出的桥压为,3. 对臂测量：桥路中相对的两个桥臂参与构件机械变形。输出的桥压为,4.全桥测量：桥路中四个桥臂全部参与构件机械变形。输出的桥压为,温度补偿片（桥测量或称单点测量,引起电阻片

9、的阻值改变的因素：1.机械变形；2.温度变化。温度变化引起阻值改变的量是无用的量。可以利用电桥加减特性，通过温度补偿片来消除。即单臂（桥）测量,4,3,半桥测量,在AB，BC两个臂上分别接上工作片，温度影响将互相抵消,4,3,对臂测量,在AB，CD两个臂上接工作片，BC，DA接温度补偿片。四个臂的电阻同处一个温度场，温度影响相互抵消,全桥测量,电桥的四个臂上接工作片，都参与机械变形，同处一个温度场，温度影响相互抵消,一般应变片标准阻值120欧姆，即,测量电压，即可知道应变，也就知道荷重或对应物体的质量了,把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化,四. 电阻应变片的粘贴,1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗,粘贴步骤,3.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡,2. 确定方向和中心线,4.接引线 引出导线要用柔软、不易老化的