第二节应变式传感器

1、3.2.13.2.1电阻应变片的电阻应变片的结构结构和工作原理和工作原理 工作原理工作原理: :基于金属的应变效应基于金属的应变效应金属丝的电阻随着它金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。象称为金属的电阻应变效应。（1 1）应变片的结构）应变片的结构 图图3-103-10为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝左右的、高电阻率的合金电阻丝2 2，绕成形如栅栏的，绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅。

2、 3.2 3.2 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 敏感栅为应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。敏感敏感栅为应变片的敏感元件，作用是敏感应变变化。敏感栅粘结在基底栅粘结在基底1 1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用； 敏感栅上面粘贴有覆盖层敏感栅上面粘贴有覆盖层3 3，敏感栅电阻丝两端焊接引出，敏感栅电阻丝两端焊接引出线线4 4，用以和外接导线相连。，用以和外接导线相连。 1-1-基底基底 2-2-电阻丝电阻丝 3-3-覆盖层覆盖层 4-4-引线引线图图3-103-10电阻丝应变片的基本结构电阻丝应变片的基本结构 bl3124 图中图中l

3、l称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量称为应变片的标距或基长，它是敏感栅沿轴方向测量变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的变形的有效长度，对具有圆弧端的敏感栅，指圆弧外侧之间的距离。对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。距离。对具有较宽横栅的敏感栅，指两横栅内侧之间的距离。其宽度其宽度b b指最外两敏感栅外侧之间的距离。指最外两敏感栅外侧之间的距离。 （2 2）电阻）电阻应变特性应变特性 由物理学可知，金属丝的电阻为由物理学可知，金属丝的电阻为SLR 式中，式中，R R为金属丝的电阻（为金属丝的电阻（）；）； 为金属丝的电阻率为金属丝的电阻率（m2/mm2/

4、m）；）；L L为金属丝的长度（为金属丝的长度（m m）；）；S S为金属丝的截面为金属丝的截面积（积（m2m2）。）。 如图如图3.113.11所示。当金属丝受拉而伸长所示。当金属丝受拉而伸长dLdL时，其横截面积将时，其横截面积将相应减小相应减小dSdS，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将，电阻率则因金属晶格发生变形等因素的影响也将改变改变d d ，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变，这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dRdR。 dddd2SLSSpLLSR可写成相对变化的形式：可写成相对变化的形式：ddddSSLLRR其中：其中：rrSSd2d（r为金属丝半径）为金属丝半径）

5、 x=dL/L为金属丝的轴向应变；为金属丝的轴向应变；y=dr/r为金属丝的径向应为金属丝的径向应变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间变。金属丝受拉时，沿轴向伸长，沿径向缩短，二者之间的关系为的关系为 xy式中，式中，为金属材料的泊松系数。为金属材料的泊松系数。d)21 (dxRR或或xxRR/d21/d令令 xxSRRK/d21/d KS称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。电阻相对变化的大小。 显然，显然，KS越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。越大，单位变形引起的电阻相对变化越大。 金属丝的灵敏

6、系数金属丝的灵敏系数KS受两个因素影响：受两个因素影响： a、材料几何尺寸发生变化；、材料几何尺寸发生变化； b、材料发生变形自由电子的活动能力和数量均发生了变化的、材料发生变形自由电子的活动能力和数量均发生了变化的 缘故。（这项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材缘故。（这项可能是正值，也可能是负值，但作为应变片材 料都选为正值，否则会降低灵敏度）。料都选为正值，否则会降低灵敏度）。 实验表明实验表明:在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变与应变x是成正比的，因而是成正比的，因而KS为一常数。为一常数。 xxSRRK/d21/dxS

7、KRR 实验表明实验表明:应变片的应变片的R/R与与x的关系在很大范围内仍然有的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系很好的线性关系 xKRRxRRK/或或式中，式中，K为电阻应变片的灵敏系数。为电阻应变片的灵敏系数。 实验表明实验表明:应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的恒小于同一材料金属丝的灵敏度系数灵敏度系数KS，原因是所谓横向效应的影响。，原因是所谓横向效应的影响。 （3）电阻应变片的横向效应）电阻应变片的横向效应 横向效应横向效应:将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小

8、，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。因而灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。 在圆弧的其它各段上，其轴向感应的应变是由在圆弧的其它各段上，其轴向感应的应变是由+x变化到变化到-y的，因而圆弧段部分的电阻变化，小于同样长度沿轴向安放的的，因而圆弧段部分的电阻变化，小于同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。金属丝的电阻变化。 应变片感受应变时电阻变化应由两部分组成应变片感受应变时电阻变化应由两部分组成: 一部分与纵向应变有关一部分与纵向应变有关; 另一部分与横向应变有关。另一部分与横向应变有关。 电阻相对变化的理论

9、计算式为电阻相对变化的理论计算式为 ySxSKLrnKLrnnlRR2 ) 1(2 ) 1(2 式中，式中，L为金属电阻丝总长度；为金属电阻丝总长度；r为圆弧部分半径；为圆弧部分半径；l为应变为应变片的标距；片的标距；n为敏感栅直线段数目为敏感栅直线段数目 。设设SxKLrnnlK2 ) 1(2SyKLrnK2 ) 1( xyKKC yyxxKKRR)(yxxCKRR0/yxxRRK0/xyyRRK式中：式中：KxKx为应变片对轴向应变的灵敏度；为应变片对轴向应变的灵敏度； KyKy为应变片对横向应变的灵敏度；为应变片对横向应变的灵敏度； C C为应变片横向灵敏系数。为应变片横向灵敏系数。 （

10、4 4）应变片测试原理）应变片测试原理应变片E丝式应变片丝式应变片箔式应变片箔式应变片薄膜应变片薄膜应变片半导体应变片半导体应变片a a、丝式应变片丝式应变片 回线式应变片回线式应变片(a)(a)回线式应变片回线式应变片(b)(b)短接式应变片短接式应变片图图3.133.13丝式应变片丝式应变片3.2.2 3.2.2 电阻应变片的种类、材料和参数电阻应变片的种类、材料和参数（1 1）电阻应变片的种类）电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多，分类电阻应变片的种类繁多，分类方法各异，如可分为：方法各异，如可分为： 将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基层上而制成的，将电阻丝绕制成敏感栅粘贴在各种绝缘基

11、层上而制成的，是一种常用的应变片。是一种常用的应变片。短接式应变片短接式应变片 敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大5 51010倍的镀倍的镀银丝短接而构成。如图银丝短接而构成。如图3.143.14所示。该应变片突出优点是克服所示。该应变片突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。了回线式应变片的横向效应。 缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊缺点：由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。接点处出现疲劳破坏。 金属丝式应变片的内部结构金属丝式应变片的内部结构b b、箔式应变片、箔式应变片 这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的

12、方法，将电阻箔这类应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成。材在绝缘基底下制成各种图形而成。 主要优点主要优点制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任制造技术能保证敏感栅尺寸正确、线条均匀，可制成任意形状以适应不同的测量要求；意形状以适应不同的测量要求；敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的敏感栅界面为矩形，表面积对截面积之比远比圆断面的大，故粘合面积大；大，故粘合面积大；敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出散热性能好，允许通过较大的工作电

13、流，从而增大输出信号；信号；敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲敏感栅弯头横向效应可忽略，蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高劳寿命高 。 c c、薄膜应变片、薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成其厚度在0.10.1 m m以以下。下。 d d、半导体应变片、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电阻率随半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓作用应力而变化的所谓“压阻效应压阻效应”。所

14、有材料在某种程度。所有材料在某种程度上都具有压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接上都具有压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。根据压阻效应，半导体和金属丝一样反映出很微小的应变。根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。可以把应变转换成电阻的变化。 基片基片带状引线带状引线P-SiP-SiN-SiN-SiSiSi片片金线金线图图3.153.15半导体应变片的结构形式半导体应变片的结构形式 半导体应变片受纵向力作用时，电阻相对变化可用下式表半导体应变片受纵向力作用时，电阻相对变化可用下式表示示xRR)21 ( 式中：式中： 为半导体应变片的电阻

15、率相对变化，其值为半导体应变片的电阻率相对变化，其值与半导体小条的纵向轴所受的应力之比为一常数，与半导体小条的纵向轴所受的应力之比为一常数，即即 或或 /xE 式中：式中： 为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关。类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关。 式中：式中：1+21+2 项随半导体几何形状而变化，项随半导体几何形状而变化， E E 项为压项为压阻效应的度量，随电阻率而变。阻效应的度量，随电阻率而变。 实验表明：实验表明： E E比比(1+2(1+2 ) )大近百倍，故大近百倍，故(1+2(1+2 ) )可忽略

16、，可忽略，故半导体应变片的灵敏系数为故半导体应变片的灵敏系数为ERRKxB/xERR21半导体应变片半导体应变片 优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，可不需放大器连接，使得测量系统简化。因而输出也大，可不需放大器连接，使得测量系统简化。 缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大 。（2 2）电阻应变片的材料）电阻应变片的材料a a、敏感栅材料、敏感栅材料 对敏感栅

17、材料的要求：对敏感栅材料的要求： 灵敏系数灵敏系数KSKS和电阻率和电阻率 要尽可能高而稳定；要尽可能高而稳定； 电阻温度系数小，电阻电阻温度系数小，电阻- -温度间的线性关系和重复温度间的线性关系和重复 性好；性好； 机械强度高，碾压及焊接性能好，与其它金属之间接触热机械强度高，碾压及焊接性能好，与其它金属之间接触热电势小；电势小；抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。 b b、应变片基底材料、应变片基底材料 应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基取应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基取代。代。 基底材料性能有如下要求：基底材料性能

18、有如下要求： 机械强度好，挠性好；机械强度好，挠性好； 粘贴性能好；粘贴性能好； 绝缘性能好；绝缘性能好； 热稳定性和抗湿性好；热稳定性和抗湿性好； 无滞后和蠕变。无滞后和蠕变。 c c、引线材料、引线材料 康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为康铜丝敏感栅应变片，引线采用直径为0.050.05- -0.18mm0.18mm的银的银铜丝，采用点焊焊接。铜丝，采用点焊焊接。 其他类型敏感栅应变片其他类型敏感栅应变片, ,引线采用直径与上述相当的铬镍引线采用直径与上述相当的铬镍 、卡玛及铁铬金属丝作为引线，与敏感栅点焊相接。卡玛及铁铬金属丝作为引线，与敏感栅点焊相接。3.3.1 3.3.1 应变片的主

19、要工作参数应变片的主要工作参数（1 1）应变片的尺寸）应变片的尺寸 标距标距l l ：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离：顺着应变片轴向敏感栅两端转向处之间的距离 。 栅宽栅宽b b ：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以：敏感栅的横向尺寸称为栅宽，以b b表示。表示。 使用面积：使用面积：l l b b称为应变片的使用面积。应变片的称为应变片的使用面积。应变片的 基底长基底长LSLS和宽度和宽度W W要比敏感栅大一些。要比敏感栅大一些。 3.3 3.3 电阻应变片特性及粘贴电阻应变片特性及粘贴（2 2）应变片的电阻值）应变片的电阻值 应变片的电阻值应变片的电阻值: :指应变片没有安装且不受力的

20、情况下，在指应变片没有安装且不受力的情况下，在室温时测定的电阻值。室温时测定的电阻值。 应变片的标准名义电阻值通常为应变片的标准名义电阻值通常为6060、120120、350350、500500、10001000 五种。五种。 应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。压亦愈大，可提高测量灵敏度。（3 3）机械滞后）机械滞后 机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环境中，加机械滞后：对已安装的应变片，在恒定的温度环境中，加载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数载和卸载过程中同一载荷下指示应变的最大差数

21、。 产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身的材质不产生的原因：如应变片本身特性不好；试件本身的材质不好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和好；粘结剂选择不当；固化不良；粘接技术不佳，部分脱落和粘结层太厚等。粘结层太厚等。 采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来采取的措施：为了减小应变片的机械滞后给测量结果带来的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载的误差，可对新粘贴应变片的试件反复加、卸载3535次。次。 （4 4）热滞后）热滞后 热滞后：对已安装的应变片试件可自由膨胀并不受外力作热滞后：对已安装的应变片试件可自由膨胀并不受外力作用，在室温与极限工作温度之间增

22、加或减少温度，同一温度下用，在室温与极限工作温度之间增加或减少温度，同一温度下指示应变的差数。指示应变的差数。 产生的原因：这主要由粘结层的残余引力、干燥程度、固产生的原因：这主要由粘结层的残余引力、干燥程度、固化速度和屈服点变化等引起。化速度和屈服点变化等引起。 采取的措施：应变片粘贴后进行采取的措施：应变片粘贴后进行“二次固化处理二次固化处理”可使热可使热滞后值减小。滞后值减小。（5 5）零点漂移）零点漂移 零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不受力的条零漂：对已安装的应变片，在温度恒定试件不受力的条件下，指示应变随时间的变化称为零点漂移（简称零漂）。件下，指示应变随时间的变化称为零点漂

23、移（简称零漂）。 产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流产生原因：这是由于应变片的绝缘电阻过低及通过电流而产生热量等原因造成。而产生热量等原因造成。（6 6）蠕变）蠕变 定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械定义：对已安装的应变片，在温度恒定并承受恒定的机械应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。应变时，指示应变随时间的变化称为蠕变。 产生的原因：这主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不产生的原因：这主要是由胶层引起，如粘结剂种类选择不当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进当、粘贴层较厚或固化不充分以及在粘结剂接近软化温度下进行测量等。行测量等。（7 7）应变

24、极限）应变极限 温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与温度不变时使试件的应变逐渐加大，应变片的指示应变与真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为真实应变的相对误差（非线性误差）小于规定值（一般为10%10%）情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。情况下所能达到的最大应变值为该应变片的应变极限。（8 8）绝缘电阻）绝缘电阻 应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值，此值常作应变片引线和安装应变片的试件之间的电阻值，此值常作为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。为应变片粘结层固化程度和是否受潮的标志。 绝缘电阻下降会带来零漂和测量误差绝缘电阻下降会带来零漂和测量误

25、差 。 （9 9）疲劳寿命）疲劳寿命 定义：对已安装的应变片在一定的交变机械应变幅值下，可定义：对已安装的应变片在一定的交变机械应变幅值下，可连续工作而不致产生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。连续工作而不致产生疲劳损坏的循环次数，称为疲劳寿命。 疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性及大小有密切的关系。疲劳寿命的循环次数与动载荷的特性及大小有密切的关系。（1010）最大工作电流）最大工作电流 定义：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，定义：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值，称为最大工作电流。称为最大工作电流。 3.3.2 3.3.2 应变片的粘贴应变片的粘贴1. 1. 应变片

26、的工作情况应变片的工作情况 贴在试件上的应变片，其敏感部分基本上可和试件一起变贴在试件上的应变片，其敏感部分基本上可和试件一起变形。试件表面的变形（应变）是通过胶层、基底以剪力的形式形。试件表面的变形（应变）是通过胶层、基底以剪力的形式传给电阻丝。传给电阻丝。 分析：是因为电阻丝的直径很细，中间物质很薄，由于电分析：是因为电阻丝的直径很细，中间物质很薄，由于电阻丝全部埋在粘结剂里，其粘结表面积相当大，因此说基本上阻丝全部埋在粘结剂里，其粘结表面积相当大，因此说基本上可和试件一起变形。可和试件一起变形。 2. 2. 粘合剂粘合剂 在测试被测量时在测试被测量时, ,粘合剂所形成的胶层起着非常重要粘

27、合剂所形成的胶层起着非常重要的作用的作用, ,它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去应变片的敏感栅上去. . 对粘贴剂有如下要求对粘贴剂有如下要求 有一定的粘结强度有一定的粘结强度 蠕变小蠕变小 有适当的存储期等有适当的存储期等 应变片粘贴工艺应变片粘贴工艺（1 1）应变片检查）应变片检查 外观检查外观检查 电阻值检查电阻值检查 （2 2）修整应变片）修整应变片 对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线；对没有标出中心线标记的应变片，应在其基底上标出中心线； 如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度；变片不可小于规定的最小长度和宽度；对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打对基底较光滑的胶基应变片，可用细沙将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。磨，并用溶剂洗净。（3 3）试件表面处理）试件表面处理 将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。锈斑、氧化层、油污和灰尘等。（4 4）划粘贴应变片的定位线）划粘贴应变片的定位线 （5 5）贴应变片）贴应变片 在处理好的粘贴位置上和