第三章应变传感器

1、第3章应变传感器 第3章应变传感器 3.1电阻应变传感器电阻应变传感器 3.2薄膜应变电阻及传感器薄膜应变电阻及传感器 3.3电阻应变传感器使用中应注意的一些问题电阻应变传感器使用中应注意的一些问题 3.4电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用起重量限制器起重量限制器思考题与习题思考题与习题 第3章应变传感器 3.1电阻应变传感器电阻应变传感器3.1.1应变片的结构和类型应变片的结构和类型1. 应变片的结构和类型应变片的结构和类型应变片的结构和形式是多种多样的。图3.1所示的应变片结构主要由四部分组成：电阻丝(敏感栅)1，它是应变片的转换元件；基底和面胶(覆盖层)2，基底是将传感器弹性体的应变传

2、递到敏感栅1的中间介质，它起电阻丝和弹性体间的绝缘作用，面胶起保护电阻丝的作用；粘合剂3，它将电阻丝与基底粘贴在一起；引出线4，用来连接测量导线。第3章应变传感器 图3.1应变片的结构第3章应变传感器 2. 电阻应变片的分类电阻应变片的分类电阻应变片的分类方法很多，常用的方法是按照制造应变片时所用的材料、工作温度范围以及用途不同来进行分类。(1) 按应变片敏感栅的材料不同，应变片可分成金属应变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为体型(箔式、丝式)和薄膜型；半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其他型。(2) 按应变片的工作温度不同，应变片可分为常温应变片(30 60 )、

3、中温应变片(60 300 )、高温应变片(300 以上)和低温应变片(低于30 )等。第3章应变传感器 (3) 按应变片的用途不同，应变片可分为一般用途应变片和特殊用途应变片(水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等)。3.1.2常用的应变片常用的应变片1) 丝式应变片丝式应变片的基底材料可分为纸基、胶基、纸浸胶基和金属基等。丝式应变片的电阻丝直径为0.020.05 mm，常用的为0.025 mm；电流安全允许值为1012 mA和4050 mA；电阻值一般应在501000 范围内，常用的为120 ;引出线使用直径为0.150.30 mm的镀银或镀锡铜带或铜丝。第3章应变传感器 2) 箔式应变片箔式

4、应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成的；其箔栅厚度一般为0.0030.01 mm；箔金属材料为康铜或合金(卡玛合金、镍镕锰硅合金等)；基底可用环氧树脂、酚醛或酚醛树脂等制成。箔式应变片有较多优点，可根据需要制成任意形状的敏感栅；表面积大，散热性能好，允许通过比较大的电流；蠕变小，疲劳寿命高；便于成批生产且生产效率比较高。第3章应变传感器 3) 半导体应变片半导体应变片是利用半导体的压阻效应制成的一种转换元件。它与金属丝式应变片和箔式应变片比较，具有灵敏系数高(比金属应变片的灵敏系数大50100倍)、机械滞后小、体积小以及耗电量少等优点。半导体应变片的电阻温度系数大，非线性也大。这些缺点不同

5、程度地制约了它的应用发展。不过，随着近年来半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现了扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片，使其缺陷得到了一些改善。第3章应变传感器 4) 金属薄膜应变片所谓金属薄膜，是指厚度在0.1 mm以下的金属膜。习惯上也把厚度在25 m左右的膜称为厚膜，故上面介绍的箔式应变片即属于厚膜类型。金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法制成的。它可以将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂，这样应变片的滞后和蠕变均很小，灵敏度高。5) 高温及低温应变片按工作温度来分类的高、低温应变片，其性能取决于应变片的应变电阻合金、基底、粘合剂的耐热性能及引出线的性能等。第3章

6、应变传感器 3.2薄膜应变电阻及传感器薄膜应变电阻及传感器3.2.1薄膜分类薄膜分类薄膜有两种分类方法：按薄膜厚度分类和按薄膜结构形式分类。1. 按薄膜厚度分类按薄膜厚度分类(1) 非连续金属膜。这种膜的厚度小于108 m，膜面呈一个个相互孤立的小岛，它们之间没有通道，其导电作用是由隧道效应所实现的。这种膜形成的应变片阻值很高，灵敏度也很高，但性能极不稳定。第3章应变传感器 (2) 半连续膜。这种膜的厚度在1082108 m之间，膜面呈不连续的岛状，各岛之间有若干通道。(3) 连续膜。这种膜的厚度一般大于2108 m，膜面上基本看不到岛状结构。这种膜的稳定性远远高于前两种，力敏元件均采用这种膜

7、。2. 按薄膜结构形式分类按薄膜结构形式分类(1) 多晶体薄膜。用于敏感元件的半导体(如Ge、Si)和化合物半导体(如锑化铟(InSb)、砷化镓(GnAs)通常都制成多晶体薄膜。这种膜是由微小的晶粒无规则排列构成的，其晶核形成晶粒的大小取决于基底温度、淀积速度等工艺条件。若再经过退火处理，则还可使该膜的晶粒增大。用各种方法获得的金属薄膜一般都是多晶体薄膜。第3章应变传感器 (2) 单晶体薄膜。用外延生长方法获得的半导体薄膜均属单晶体薄膜。外延生长法已广泛应用于制造各种半导体器件和集成电路。该方法已十分成熟。用该方法获得的硅薄膜，因为基片是单晶，所以生长出的薄膜也是单晶。(3) 无定形薄膜。用各

8、种方法获得的金属氧化物介质薄膜一般都是非晶态，这就是所谓的无定形薄膜。在一定条件下(如基底温度很低)，也可形成半导体的无定形薄膜，如无定形硅薄膜等。目前用于制造敏感元件和传感器的薄膜大都是金属(包括合金)或半导体薄膜，而氧化物介质薄膜通常用作绝缘层。第3章应变传感器 3.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理薄膜的工作原理是基于材料的压电阻特性(即应力的变化会引起电阻的变化)。电阻变化的原因是当材料受到应力(或力)作用之后，电阻元件尺寸和材料电阻率发生了变化。材料电阻率发生变化是由于应力对电子自由程的影响。一般应力测量是采用金属线和金属片作为电阻元件，并将其接入惠斯顿电桥的某一臂来测量电阻变化，从

9、而得知应力的大小。但金属片必须贴在需要测量的表面上，这样就限制了测量的精度(因为应力不可能完全传送至金属片)，同时也限制了这种传感器的最大工作温度。薄膜应力传感器可克服这些缺点。因为薄膜应力传感器是由直接沉积在需要测量的表面上的压第3章应变传感器 电电阻薄膜组成的，所以通过对应力相对不敏感材料(如Au或Al等)的厚膜电阻电极，可以实现对应力敏感电阻器的接触。对于长为L，横截面为S的均匀材料(金属或半导体)，两端的电阻值为当受到一个沿着长度方向的纵向应力时，由于几何形状及内部结构发生变化，因此将引起电阻值的变化。对式(3.1)进行全微分可以求得电阻值的变化为lRS2ddddSLLRLSSS(3.

10、1)(3.2)第3章应变传感器 用相对变化量表示，则有由式(3.3)得令k=1+2+E，则(3.3)2dddSddd /dSS1d /LLLRS SLSLLLRL LLSSSd(12)RERdRkR(3.4)第3章应变传感器 式(3.4)表明材料电阻的相对变化和应变之间的比例关系。k称为材料的灵敏系数或应变因子。其物理意义为材料发生单位应变时的电阻变化率。由k的表达式可知，材料的灵敏系数由两个因素决定：一是1+2，它由材料的几何尺寸的变化引起；另一个是E，由材料受力后电阻率发生的变化引起。如果应变感压材料为金属，那么，由于它的电阻率基本上与应力无关， E值很小，可以忽略，因此这时材料的灵敏系数

11、主要取决于几何尺寸的变化。在弹性形变范围内，k在1.52之间。第3章应变传感器 半导体材料具有良好的弹性性能和压阻效应(当半导体受到压力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象)，它的压阻系数很大，k主要由E决定，可高达100以上。所以，可以制作出灵敏度很高的应变片和压力传感器。3.2.3薄膜应变传感器的特点薄膜应变传感器的特点薄膜应变片及传感器与扩散硅等传感器相比，其制造工艺环节要少得多。它的主要制造工艺环节是成膜工艺(如溅射、蒸发等)。由于工艺环节较少，因此工艺周期较短，成品率较高。这是它目前获得广泛使用的主要原因之一。第3章应变传感器 薄膜应变片可以同弹性体结合在一起，构

12、成整体式薄膜传感器；也可以制成单一的薄膜应变片，再粘贴在弹性体上构成传感器。前者使用最多，可避免后者因粘片工艺所带来的误差因素(如蠕变、滞后等)。用薄膜技术制成的合金型应变片和传感器的稳定性很高，电阻温度系数又很小(一般为(105106)数量级),这些都是半导体应变片式传感器和扩散型传感器所不及的。薄膜应变传感器适用于航天、航空工业，以及对稳定性要求较高的测控系统中。第3章应变传感器 合金型薄膜应变片的灵敏系数较低(一般约为1.72.2左右)，大体同金属丝式和箔式应变片的相当。半导体Ge、Si薄膜应变片及传感器具有较高的灵敏系数(一般为30以上)，其电阻温度系数约为105数量级。此外，薄膜应变

13、片的阻值可做得很高，通常均可做到几千到几万欧姆，因而可在低功耗的状态下工作。薄膜应变片及传感器由于制造工艺的特点，其参数一致性远较半导体型和扩散型的高，适于大量生产，成本低廉。对薄膜应变片及传感器反复加载106次以上，其仍能正常工作，说明它们的耐疲劳性能良好。第3章应变传感器 薄膜应变片及传感器的量程很大，现已制成的有大量程称重、加速度、压力传感器等。扩散Si压力传感器的量程一般不太大，这是因为扩散Si的感压元件就是Si本身。由于Si较脆，因此不宜承受较大载荷。近年来，也有人采用所谓“硅堆”形式来制造大量程的力类传感器，但仍有许多问题不好解决。总之，薄膜应变片及传感器是很有发展前途的传感器。图

14、3.2和图3.3分别是一种薄膜应变片及传感器和粘贴式、非粘贴式压力传感器在室温下的蠕变曲线及零点漂移曲线。第3章应变传感器 图3.2薄膜传感器在室温下的蠕变曲线第3章应变传感器 图3.3薄膜传感器在室温下的零点漂移曲线第3章应变传感器 图3.2和图3.3所示的曲线是这样测定的：在室温下，保持不加载一小时进行调零，然后加上满量程压力并保持一小时，同时记录在两个小时内的输出电平，作出偏离满度的数值同时间的关系曲线。然后，去除压力，记录两小时内偏离零点的数值与时间的关系曲线。图中所用的CEC1000型传感器是一种溅射合金薄膜压力传感器。该传感器的蠕变与零点漂移都远比粘贴式和非粘贴式压力传感器的低，在

15、室温下其蠕变和零漂曲线几乎同时间轴重合。图3.4和图3.5分别是温度为120时的蠕变曲线和零漂曲线。由图3.4和图3.5可看出,当温度升高时，蠕变和零漂都增大。无论哪种传感器，在使用时都必须考虑这一问题。值得注意的是，蠕变和零漂一般是不能补偿的，所以要根据不同要求来选择传感器。第3章应变传感器 图3.4120 时薄膜传感器的蠕变曲线第3章应变传感器 图3.5120时薄膜传感器的零漂曲线第3章应变传感器 3.3电阻应变传感器使用中应注意的一些问题电阻应变传感器使用中应注意的一些问题1. 温度漂移的补偿温度漂移的补偿现在常用的电阻应变传感器一般都选用半导体材料。半导体材料的温度稳定性差。电阻应变传

16、感器受到温度影响后其输出要产生温度漂移。通常制作半导体电阻应变敏感元件时，在基片上扩散出四个相同的电阻。这四个电阻接成电桥，并且将阻值增加的两个电阻对接，将阻值减小的两个电阻对接，使电桥的输出最大。但半导体电阻应变敏感元件的温度漂移必须引起注意。给电桥用恒流源供电，可以最大限度地克服温度的影响。如第3章应变传感器 果给电桥用电压源供电，则要注意温度升高，传感器灵敏度下降的问题。此时，可采用自动改变电源电压大小的方法来进行温度漂移的补偿。温度升高，传感器灵敏度下降，这时如果使电桥的电源电压提高，则将使电桥的输出增大，从而可达到补偿的目的。反之，温度降低时，传感器灵敏度升高，这时如果使电桥的电源电

17、压降低，则将使电桥的输出减小，也可达到补偿的目的。图3.6为一种灵敏度K温度漂移的补偿电路。第3章应变传感器 图3.6一种灵敏度K温度漂移的补偿电路第3章应变传感器 该电路利用三极管V基极与发射极间PN结敏感温度的大小，使三极管V输出电流发生变化，改变管压降Uce的大小,从而使电桥的电源电压U得到改变，最终达到补偿的目的。温度升高，传感器灵敏度K下降。补偿电路工作过程如下：第3章应变传感器 2. 弹性元件的设计或选择弹性元件的设计或选择 如果选用粘贴式电阻应变片作电阻应变传感器，则要根据现场实际情况认真设计或选择粘贴电阻应变片的弹性元件。凡是能够传递应变的弹性材料都可以作为弹性元件。但要考虑工

18、作环境、安装部位、空间大小、受力形式、粘合剂性能、量程范围、精度要求等因素。图3.7为几种简单的弹性元件示例。图(a)为圆柱、圆筒型，图(b)为簿壁环型，图(c)为拉环型，图(d)为两端固定梁型，图(e)为悬臂梁型，图(f)为框架、簿合型。第3章应变传感器 图3.7几种简单的弹性元件示例第3章应变传感器 图3.8图3.13示出了几种应变传感器的实物图。图3.8包头永华仪器仪表有限公司生产的802B小巧型压阻式压力变送器第3章应变传感器 图3.9包头永华仪器仪表有限公司生产的800A扩散硅压力变送器第3章应变传感器 图3.10包头永华仪器仪表有限公司生产的3351:3051:DP/GP智能压力/

19、差压变送器第3章应变传感器 图3.11力敏应变片第3章应变传感器 图3.12称重传感器第3章应变传感器 图3.13四川绵阳科学城金桥传感器厂生产的JYL*应变压力传感器、硅集成压力传感器、应变压力变送器第3章应变传感器 3.4电阻应变传感器应用电阻应变传感器应用起重量限制器起重量限制器起重机广泛应用于冶金、矿山、码头、仓储等行业之中， 它属于一种特种设备。为了保障起重机安全操作，根据我国GB606785起重机械安全规范、GB/T38112008起重机设计规范、GB126022009起重机械超载保护装置及参考文献43等，人们设计了起重机起重量限制器。起重量限制器的工作原理比较简单。起重机工作时，

20、起吊的载荷由电阻应变传感器检测。该传感器可根据实际情况，设计成旁压式、轴销式等。当起重机起吊重物时，传递第3章应变传感器 给传感器的力(压力或拉力)使传感器的弹性元件发生微小变形，从而使粘贴在弹性元件上的桥式电阻应变片的电阻值发生变化，电桥失去平衡，电桥产生与载荷成比例的输出电压信号，完成由物理量重量，电量电压信号的转换。受力产生的电压信号经过低噪声、高输入阻抗运算放大器放大(空钩即零载荷时，电压值为0.10.4 V；起吊额定起重量即满量程时，电压值为2.73.4 V)之后，通过模数(A/D)转换，把模拟电压信号转换成数字量，经过单片机(例如STC系列的典型单片机STC15F204EA、STC

21、12C5608AD等，见参考文献44)的运算、分析、处理，进行实时显示。如果超载，则产生声(喇叭鸣叫)、光(LED闪亮)报警和超载控第3章应变传感器 制信号，使继电器动作，切断起重机上升回路的电源，实现超载限制，避免危险发生。起重机通常工作在较差的环境中，设计中要切实解决好抗干扰问题。同时为了消除传感器、放大器长期工作产生的变化所引起的不稳，系统应采用自动校零等技术。当需要限制起重机起升高度时，可采用红外传感器作为探头，若吊钩上升到极限高度，自动切断上升控制器电源。当需要限制起重机起升中心立柱倾斜度时，可采用角度传感器探测，若中心立柱倾斜度达到极限角度，自动切断上升控制器电源。起重量限制器的电原理框图如图3.14所示。第3章应变传感器 图3.14起重量限制器的电原理框图第3章应变传感器 单片机系统可选用STC12C5410AD 系列单片机。它是在STC89C51全系列单片机的基础上，推出的“1个时钟/机器周期”的全面提