应变片的类型及其工作原理

1、应变片的类型及其工作原理半导体应变片1、电阻应变片的分类及其工作原理电阻应变片应用最多的是 金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状 应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和 剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化 时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从 而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻 值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续 的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和 CPU）显示或执行机构。2、金属电阻应变片2、1金属电阻应变片的分类及其结构金属电阻应变片分为 丝式

2、、箔式，薄膜式三种。金属丝电阻应变片的典型结构见图。 它主要由粘合层1 3,基底2、盖片4,敏感栅5,引出线6构成。图2、1-2金属箔式应变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金 属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适用于大批量生产。由于金 属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试 件应变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔式应变片， 其结构见下图。2、2薄膜式应变片薄膜式应变片的敏感栅是以蒸镀或溅射法 沉积的金属、合金薄膜制成的。其厚度一般在0、lum以下。实 际上，通常是将薄膜式应变片与传感器的弹性体制成一个不可分 割的整体，亦即在传感器弹性体的应变敏感部位表面上首先沉积

3、 形成很薄的绝缘层，然后在其上面沉积薄膜应变片的图形，然后 再覆上一层保护层。由于薄膜式应变片与传感器的弹性体之间只 有一层超薄绝缘层（厚度仅为几个纳米），很容易通过弹性体散 热，因此允许通过比其他种类应变片更大的电流，并可以获得更 高的输出和更佳的稳定性。应变式力传感器电阻应变片的外形1、电阻应变片电阻应变式力传感器的核心是电阻应变 片。 导体或半导体材料在外力作用下伸长或缩短时，它的电阻 值会相应的发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。 将应变片贴在被测物体上，使其随着被测物的应变一起伸 缩，这样应变片里面的金属材料就随着外界的应变变长或缩短， 其阻值也就会相应的变化。 应变片就是利用应

4、变效应，通过测量电阻的变化而对应变 进行测量的。2、3金属电阻应变片工作原理简介金属电阻应变片的工作原 理是电阻应变效应，即金属丝在受到应力作用时，其电阻随着所 发生机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应的变化。电阻应变 效应的理论公式如下：由上式可知，金属丝在承受应力而发生机 械变形的过程中，P、L、S三者都要发生变化，从而必然会引起 金属丝电阻值的变化。当受外力伸张时，长度增加，截面积减 小，电阻值增加；当受压力缩短时，长度减小，截面积增大，电阻 值减小。因此，只要能测出电阻值的变化，便可金属丝的应变情 况。这种转换关系为式中：R-金属丝电阻值的变化量;心一-金属材料的应变灵敏系数，它主要

5、由试验方法确定，且在弹性极限 内基本为常数值；£-金属材料的轴向应变值，即，因此又称£ 为长度应变值，对金属丝而言，其值勤在0、240. 4之间、在实 际应用中，将金属电阻应变片粘贴在传感器弹性元件或被测饥械 零件的表面。当传感器中的弹性元件或被测机械零件受作用力产 生应变时，粘贴在其上的应变片也随之发生相同的机械变形，引 起应变片电阻发生相应的变化。这时，电阻应变片便将力学量转 换为电阻的变化量输出。2、4金属电阻应变片电桥电路图金属电阻应变片应用于力学测量时，需要和电桥电路一起使 用；由于应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易 产生零点漂移现象，故多采用交流

6、放大器对信号进行放大处理， 所以应变片电桥电路一般都采用交流电供电，组成交流电桥。根 据读数方法的不同，电桥又分为平衡电桥和不平衡电桥两种。平 衡电桥仅适合测量静态参数，而不平衡电桥则适合测量动态参 数。由于直流电桥和交流电桥在工作原埋上相似，为了方便起 见，下面仅就直流不平衡电桥进行介绍。图所示电路是输出端接 放大器的直流不平衡电桥的电路。第一桥臂接电阻应变片R1,其 他三个桥臂接固定电阻。当应变片R1末发生应变时，由于没有阻 值变化，电桥维持初始平衡条件的R1、 R4=R2、R3,因而输出为零，即 UOUT=A(Rh R4 - R2、R3)=0当应变片产生应变时，应变片产生口的电阻变化，电

7、桥处 于不平衡状态，此时假设，并考虑到电桥初始平衡条件，省略去分母中的微量， 则上式可写成为从式中可以看出，输出电压正比于应变片发生应变时产生的电阻变化量们。3、半导体应变片3、1半导体应变片的定义及其应用利用半导体单晶硅的压阻 效应制成的一种敏感元件，又称半导体应变片。压阻效应是半导 体晶体材料在某一方向受力产生变形时材料的电阻率发生变化的 现象。半导体应变片需要粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹 性敏感元件上间接地感受被测外力。利用不同构形的弹性敏感元 件可测量各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械 量。半导体应变片与电阻应变片相比，具有灵敏系数高（约高 50100倍）、机械滞后小

8、、体积小、耗电少等优点。P型和N型 硅的灵敏系数符号相反，适于接成电桥的相邻两臂测量同一应 力。早期的半导体应变片采用机械加工、化学腐蚀等方法制成， 称为体型半导体应变片。它的缺点是电阻和灵敏系数的温度系数 大、非线性大和分散性大等。这曾限制了它的应用和发展。自70 年代以来，随着半导体集成电路工艺的迅速发展，相继出现扩散 型、外延型和薄膜型半导体应变片，上述缺点得到一定克服。半 导体应变片主要应用于飞机、导弹、车辆、船舶、机床、桥梁等 各种设备的机械量测量。3、2半导体应变片分类3、2、1体型半导体应变片这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引 线，最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的

9、衬底上制成的。体型半 导体应变片可分为6种。普通型：它适合于一般应力测量；温度自动补偿型：它能使温度引起的导致应变电阻变化的 各种因素自动抵消，只适用于特定的试件材料；灵敏度补偿 型：通过选择适当的衬底材料（例如不锈钢），并采用稳流电 路，使温度引起的灵敏度变化极小；高输出（高电阻）型：它的阻值很高（210千欧），可接 成电桥以高电压供电而获得高输出电压，因而可不经放大而直接 接入指示仪表。超线性型：它在比较宽的应力范围内，呈现较宽的应变线性 区域，适用于大应变范围的场合；©P-N组合温度补偿型：它选用配对的P型和N型两种转换元 件作为电桥的相邻两臂，从而使温度特性和非线性特性有较大

10、改 善。3、2、2薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的（图1）。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从 而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件 材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型半导体应变片吸收了金属 应变片和半导体应变片的优点，并避免了它的缺点，是一种较理 想的应变片。3、2、3扩散型半导体应变片这种应变片是将P型杂质扩散到一个高电阻N型硅基底上，形成一层极薄的P型导电层，然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成（图2）。它的优点是稳定性好，机 械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一 个数量级。缺点是由于存在P-N结，当温度升高时，绝缘电阻大为 下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用 扩散法制成的。3、2、4外延型半导体应变片这种应变片是在多晶硅或蓝宝石的衬底上外延一层单晶硅而 制成的。它的优点是取消了 P-N结隔离，使工作温度大为提高（可 达300以上