实验论文___箔式应变传感器特性研究

1、金属箔式应变式传感器的特性研究晋莹莹西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715摘要：本文对金属箔式应变传感器特性进行了研究，阐述了电阻应变式传感器的工作原理、金属箔式应变片构成、电桥电路以及实验所用设备和方法、实验过程和实验结果与分析, 同时说明了试验过程中的注意事项。Abstract: in this paper, metal foils strain sensors characteristics have been investigated, this paper expounds the resistance strain sensor working principle, met

2、al foils type strain film composition, electric bridge circuit and the experiment USES equipment and method, the experimental process and the experimental results and analysis, and explains the matters of attention in the testing process.关键词：金属箔式应变片单臂电桥应变式传感器Keywords: metal foils type strain gauge.t

3、he bridge strain sensor引言：传感器是获取信息的工具，它涉及整个科学技术、国防、航空、等工业部门和环境保护、生物医学工程和日常生活的各个领域。具体地说，传感器是指那些能准确的感知“被测量”并将被测量按照一定规律转换成与之对应输出信号（即电量）的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获或转换，一切准确的测试与控制都无法实现。自从1945年英国Jakson发表了利用环氧基底制成的金属箔式应变片以来，由于箔式应变片的众多优点而在常温结构应力测量及传感器方面获得了重要应用，从而逐步取代丝式应变片。金属箔式应变片各种物理传感器，特别是称重（测力）、压力、位移和

4、加速度传感器的重要敏感元件。1. 实验原理1.1电阻应变式传感器应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应变片则是其最常采用的传感元件，此种传感器则为电阻应变式传感器。它是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。电阻应变片一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。电阻应变片的原理是基于应变效应，即在导体内产生机械变形时，它的电阻值也发生相应的变化。如，一根金属丝，在其未受力时，原始电阻值为：R=式中: 为电阻丝的电阻率；L为电阻丝的长度；S为电阻丝的截面积。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

5、相对变化量为 （2）式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示，即 (3)S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 (4)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(5)式中: 为电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。将（3）、（5）代入（2）可得（6）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 （7）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

6、丝来说, 灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多, 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· （） 式中 : 为试件的应力；为试件的应变；E为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

7、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。 1.2金属箔式应变片属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，用它来转换被测部位的受力大小及状态，通过电桥原理完成电阻到电压的比例变化它一般是由敏感栅（箔栅）、基底、覆盖层、胶黏剂及引出线等组成。而当其粘贴在试件（或弹性体）上时，则还应包括试件（或弹性体）、贴片胶和防潮层，从而构成一个复杂的应变传递系统。其构成元件的性能对其应变传递性能都将产生不同程度的影响。试件的变形通过胶粘剂层传递给基底，基底的变形通过胶层传递到箔栅上，引起相应的电阻变化，在此传递系统中，胶粘剂介于试件（或弹性体）和应变片之间，它对应变传递起着关键的作

8、用。图1-1箔式应变片Figure 1-1 foil type strain gauge从应变片的结构可见，应变片的应变传递系统实际上是试件（或弹性体）、胶粘剂、基底、胶牯剂、敏感箔栅、胶粘剂、覆盖层等组成的层状结构，为此其性能不仅取决于所用的胶粘剂、基底、敏感箔栅、覆盖层等材料的本身性能，而且还与固化温度、时间压力等工艺条件直接有关。应变片或传感器的稳定性取决于敏感箔栅、胶粘剂、基底等本身性能及系统的工艺条件。金属箔式应变片的工作原理是建立在电阻应变效应的基础上。1.3测量电路-电桥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

9、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阻变化的测量电路, 通常采用电桥电路。 图1-2 直桥电路 Figure1-2 Straight bridge circuit其中 （）当电桥平衡时, Uo=0, 则R1R4 = R2R3或（）式（）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应变片工作时，电阻值变化很小，电器相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高得多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其他桥臂固定不变，桥路输出电压，则电桥不平衡，输出电压为

10、（）设桥臂比，由于，分母中可忽略，并考虑到平衡条件，则上式可写为（）电桥灵敏度定义为（）上式说明：电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E，E越高越高，但E的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要做适当选择。是桥臂电阻比值n的函数，恰当的选择n值，保证电桥具有较高灵敏度的电压灵敏度。实验设备和方法 2-1传感器系统实验仪2-1-1仪器简介实验仪主要由四部分组成：传感器安装台、显示与激励源、传感器符号及引线单元、处理电路单元。传感器安装台部分：装有双平行振动梁（应变片、热电偶、PN 结、热敏电阻、加热器、压电传感器、梁自由端的磁钢）、激振线圈、双平行梁测微头、光纤传感器的光电变换座、光纤及探头小机电、电

11、涡流传感器及支座、电涡流传感器引线3.5 插孔、霍尔传感器的二个半圆磁钢、振动平台（圆盘）测微头及支架、振动圆盘（圆盘磁钢、激振线圈、霍尔片、电涡流检测片、差动变压器的可动芯子、电容传感器的动片组、磁电传感器的可动芯子）、扩散硅压阻式传感器、气敏传感器及湿敏元件安装盒。显示及激励源部分：电机控制单元、主电源、直流稳压电源（±2V±10V 档位调节）、F/V数字显示表（可作为电压表和频率表）、动圈毫伏表（5mV-500mV）及调零、音频振荡器、低频振荡器、±15V 不可调稳压电源。图2-1 传感器系统实验仪Figure2-1 CSY sensor system ex

12、perimental apparatus实验主面板上传感器符号单元：所有传感器（包括激振线圈）的引线都从内部引到这个单元上的相应符号中，实验时传感器的输出信号（包括激励线圈引入低频激振器信号）按符号从这个单元插孔引线。处理电路单元：电桥单元、差动放大器、电容放大器、电压放大器、移相器、相敏检波器、电荷放大器、低通滤波器、涡流变换器等单元组成。CSY 实验仪配上一台双线（双踪）通用示波器可做几十种实验。2-1-2主要技术参数、性能及说明一传感器安装台部分双平行振动梁的自由端及振动圆盘下面各装有磁钢，通过各自测微头或激振线圈接入低频激振器VO 可做静态或动态测量。应变梁：应变梁采用不锈钢片，双梁结

13、构端部有较好的线性位移。传感器：（1）差动变压器量程:5mm 直流电阻：510由一个初级、二个次级线圈绕制而成的透明空心线圈，铁芯为软磁铁氧体。（2）电涡流位移传感器量程:1mm 直流电阻：12 多股漆包线绕制的扁平线圈与金属涡流片组成。（3）霍尔式传感器量程: ±2mm 直流电阻：激励源端口：8001.5K 输出端口：300500日本JVC 公司生产的线性半导体霍尔片，它置于环形磁钢构成的梯度磁场中。（4）热电偶直流电阻：10左右，由两个铜一康铜热电偶串接而成，分度号为T 冷端温度为环境温度。（5）电容式传感器量程：±2mm，由两组定片和一组动片组成的差动变面积式电容。（

14、6）热敏电阻由半导体热敏电阻NTC：温度系数为负，25时为10K。（7）光纤传感器由多模光纤、发射、接收电路组成的导光型传感器，线性范围2mm。红外线发射、接收、直流电阻：5001.5k2×60 股丫形、半圆分布。（8）压阻式压力传感器量程：10Kpa(差压) ；供电：6V；直流电阻：Vs+-Vs- ：350450，Vo+-Vo- ：3K3.5K。美国摩托罗拉公司生产的MPx 型压阻式差压传感器，具有温度自补偿功能，先进的x 型工作片（带温补）。（9）压电加速度计PZT-5 双压电晶片和铜质量块构成。谐振频率：10KHz，电荷灵敏度：q20pc/g。（10）应变式传感器箔式应变片阻值

15、：350、应变系数：-2.1mV/。（11）PN 结温度传感器：利用半导体P-N 结良好的线性温度电压特性制成的测温传感器，能直接显示被测温度。灵敏度：（12）磁电式传感器0 .21×1000；直流电阻：3040；由线圈和动铁（永久磁钢）组成，灵敏度：0.5v/m/s。（13）气敏传感器MQ3：酒精，测量范围：502000ppm。（13）湿敏电阻高分子薄膜电阻型：RH：几兆几K；响应时间：吸湿、脱湿小于10 秒。湿度系数：0.5RH%/；测量范围：1095；工作温度：050二信号及变换：（1）电桥： 用于组成应变电桥，提供组桥插座，标准电阻和交、直流调平衡网络。（2）差动放大器 通频

16、带010kHz，可接成同相、反相，差动结构，增益为1-100 倍的直流放大器。（3）电容变换器 由高频振荡，放大和双T 电桥组成的处理电路。（4）电压放大器增益约为5 倍，同相输入，通频带010KHz。（5）移相器 允许最大输入电压10Vp-p，移相范围±20º(5kHz 时)（6）相敏检波器 可检波电压频率010kHz，允许最大输入电压10Vp-p。极性反转整形电路与电子开关构成的检波电路。（7）电荷放大器 电容反馈型放大器，用于放大压电传感器的输出信号。（8）低通滤波器 由50Hz 陷波器和RC 滤波器组成，转折频率35Hz 左右。（9）涡流变换器 输出电压|8|V(探

17、头离开被测物)，变频式调幅变换电路，传感器线圈是振荡电路中的电感元件。（10）光电变换座 由红外发射、接收组成。三二套显示仪表（1）数字式电压/频率表：3 位半显示，电压范围02V、020V，频率范围3Hz2KHz、10Hz20KHz，灵敏度50mV。（2）指针式毫伏表：85c1 表，分500mV、50mV、5mV 三档，精度2.5%。四二种振荡器（1）音频振荡器：0.4KHz10KHz 输出连续可调，V-p-p 值20V，180°、0°反相输出，Lv 端最大功率输出电流0.5A。（2）低频振荡器：130Hz 输出连续可调，Vp-p 值20V，最大输出电流0.5A，Vi 端

18、可提供用做电流放大器。五二套悬臂梁、测微头双平行式悬臂梁二副（其中一副为应变梁，另一副装在内部与振动圆盘相连），梁端装有永久磁钢、激振线圈和可拆卸式螺旋测微头，可进行压力位移与振动实验。六电加热器二组电热丝组成，加热时可获得高于环境温度30左右的升温。七测速电机一组由可调的低噪声高速轴流风扇组成，与光电、光纤、涡流传感器配合进行测速实验。八二组稳压电稳直流±15V，主要提供温度实验时的加热电源，最大激励1.5A。九计算机联接与处理数据采集卡：十二位A/D 转换，采样频率2025000 次/秒，采样速度可控制，分单次采样与连续采样。标准RS-232 接口，与计算机串行工作。可进行实验项

19、目的选择与编辑、数据采集、数据处理、图形分析与比较、文件存取打印。2-2实验桥路本实验采用单臂电桥电路，如下图所示。图2-2 单臂电桥电路Figure2-2 Single arm electric bridge circuit3实验过程（1）调零开启仪器电源，差动放大器增益置倍（顺时针方向旋到底），“、”输入端用试验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉试验线。调零后电位器位置不要变化。如需使用毫伏表，则将毫伏表输入端对地短路，调整“调零”电位器，使指针居零位，拔掉短路线，指针有偏转是有源指针式电压表输入端悬空时的正常请况。调零后关闭仪器电源。（2

20、）按图2-2将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中、和为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，为应变片（可任选上下梁中的一片工作片）。直流激励电流为。测微头装于悬臂梁前端的永久磁钢上，并调节使应变梁处于基本水平状态。（3）确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。调整电桥电位器，使测试系统输出为零。（4）旋动测微头，带动悬臂梁分别作向上和向下的运动，以悬臂梁水平状态下电路输出电压为零为起点，向上和向下移动各mm，测微头每移动0.5mm记录一个差动放大器输出电压值，记录数据如下表所示。 表3-1 实验数据记录表Table 3-1 Experimental data record位移（mm）4035 3025 20 15 10 5 0-5 -10-15-20 -25 -30 -35 40电压(V)0.078 0.069 0.059 0