电阻式传感器

1、电阻应变片式传感器的研究摘 要 本文系统地介绍了电阻应变式传感器的组成原理及制作工艺,深入浅出地介绍了传感器由一种非电学量转化为电学量的详细过程。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、电桥电路的单臂、半桥、全桥的性能参数, 比较了三种电桥的优缺点.关键词 传感器 ，敏感元件 ，电桥 ，性能参数一 引言随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测试与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、冶金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。可以说，测试技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。具体地说传感器是指

2、那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据），不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。传感器种类及品种繁多，原理也各式各样。其中电阻应变式传感器是被广泛用于电子秤和各种新型机构的测力装置，其精度和范围度是根据需要来选定的过高的精度要求对某种使用也无太大意义，过宽的范围度也会使测量精度降低，而且会造成成本过高及增加工艺上的困难，因此，应根据测量对象的要求，恰当地选择精度

3、和范围度是至关重要的。但无论何种条件、场合使用的传感器，均要求其性能稳定，数据可靠，经久耐用。为此，在研究高精度传感器的同时，必须重视可靠性和稳定性的研究。目前，包括床暗器的研究、设计、试制、生产、检测与应用等诸项内容在内的传感器技术，已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。一般情况下，由于传感器设置的场所并非理想，在温度、湿度、压力等效应的综合影响下，可引起传感器零点漂移和灵敏度的变化，已成为使用中的严重问题。虽然人们在制作传感器过程中，采取了温度补偿及密封防潮的措施，但它与应变片、粘帖胶本身的高性能化、粘帖技术的精确和熟练、弹性体材料的选择及冷、热加工工艺的制定均有密切的关系，哪一方面都不能忽

4、视，都需精心设计和制作。同时，还须注意传感器的安装方法，支撑结构的设置，如何克服横向力等问题。二 传感器原理传感器是一个完整的测量装置(或系统), 能把被测非电量转换成与之有确定对应关系的电量输出, 以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求.图1为传感器组成原理框图, 它一般由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成, 有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。 图2 为应变式传感器安装示意图, 它的工作原理基于金属的电阻应变效应, 即金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应变化的现象.2.1 应变片的结构电阻应变片种类繁多, 形式多样, 但基本构造大体相

5、同, 以图3 丝绕式应变片为例。图3 丝绕式应变片结构以直径约为0 .025mm 的高电阻率的合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅, 敏感栅为应变片的敏感元件, 作用是敏感于应变情况.敏感栅黏结在基底上, 基底除了能固定敏感栅外, 还有绝缘作用;敏感栅上面粘贴有覆盖层, 敏感栅电阻丝两端焊接引出线, 用以和外线相连.L 为应变片的标距或基长, 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, L 指圆弧外侧之间的距离;对具有较宽横栅的敏感栅, L 是两横栅内侧之间的距离.其宽度b 为最外两敏感栅外侧之间的距离.敏感栅的基长L 和宽度b , 切勿与基底的长度相混淆, 后者只表明应变片的外形尺

6、寸, 并不反映其工作特性。2.2 电阻应变公式推导根据电阻定律其中, 为电阻率;L 和S 分别为电阻的长度和横截面积.对R 取全微分对式(2)左端除以R , 右端除以得其中r为金属丝半径。为金属丝的径向应变，则金属丝受拉时，二则之间的关系为其中, 为金属材料的泊松比。将式(4)、式(5)代入式(3)得称为金属丝的灵敏系数, 表示金属丝产生单位应变时电阻相对变化的大小.Ks 越大, 单位应变引起的电阻相对变化越大.Ks受两个因素影响:第一项(1 +2)是由于金属丝受拉伸后, 材料几何尺寸发生变化而引起的;第二项(d/)/x 是由于材料发生变形时, 其自由电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的,

7、 第二项可正, 可负, 但作为应变材料都选为正值, 否则会降低灵敏度.由于(d/)/x 目前还不能用解析式来表示, 所以Ks只能靠实验求得.实验表明, 在金属丝变形的弹性范围内, 电阻的相对变化dR/R 与应变x 是成正比的, 因而Ks为一常数:R/R =Ksx。2.3 箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀方法, 将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成的, 箔材厚度多在0 .001 0 .01mm 之间, 利用光刻技术可制成适用于各种需要的形状美观的称为应变花的应变片. 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

8、（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用。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

9、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。其主要优点有:1)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;2)敏感栅界面为矩形, 表面积对截面之比远比圆断面的大, 故黏合面积大;3)敏感栅薄而宽, 黏结情况好, 传递试件应变性能好;4)散热性好, 允许通过较大的工作电流, 从而增大输出信号;5)敏感栅弯头横向效应可忽略, 蜕变、机械滞后较小, 疲劳寿命高.2.4 电桥电路测量原理图4 为电桥工作原理图, 利用电桥平衡原理,调节电

10、路使其达到平衡, 即电桥输出电压U =0 ,即图4 中伏U0示数为“0” .当其中某一个电阻(R1到R 4中)发生变化时, 电桥平衡被破坏, 此时输出电压U不为零, 利用电压变化可反映电阻阻值的变化.其中一个或几个电阻换成应变片, 并将其粘贴于待测器件上, 先调节电桥平衡,再对器件施加压力使器件发生形变(应变片亦随之发生了形变), 此时, 应变片电阻发生变化, 电桥输出电压也发生变化, 输出电压的变化即可反映器件的受力情况. 图4 电桥工作原理图直流电桥的特性方程：计算输出电压，利用戴维南定理可以将图4中电桥电路图等效为以下电路， 等效内阻戴维南定理等效电路 由此可以计算出电桥电路输出等效电流

11、为等效电动式 Uo=Ucd=UacUad 将U0和Rk代入等效电流If中可得直流电桥的特性方程已知电桥平衡是电路中等效电流If=0则可以得到电桥平衡的条件为或直流电桥的灵敏度灵敏度是电桥测量技术的一个重要指标，电桥的灵敏度可以用电桥测量臂的单位相对变化量引出输出端电压或电流的相对变化来表示，即电压灵敏度：电流灵敏度：其中Uo =Uo U初始 =Uo Uo = Uac Uad （1）单臂变化 R1R+R由灵敏度定义可知单臂变化时的灵敏度为Su = 0.25U（2）两臂变化 即R1R+ R R3R-R由灵敏度定义可知单臂变化时的灵敏度为Su = 0.5U(3)四个桥臂同时变化 即 全桥 R1R +

12、R R2R-R R3R-R R4R+R由灵敏度定义可知单臂变化时的灵敏度为Su = U由此可知，测量电桥输出给放大器（在放大器的输出电阻很大的条件下）的电压大小，是由驱动电源电压U和桥臂电阻的相对变化量决定的，而且是正比关系。输出电压大小还和桥臂变化元件多少有关系，桥臂变化做适当的调配后，桥臂变化越多，输出电压越大。提高测量电桥的灵敏度，可提高驱动电源电压和增加变化的桥臂，但不能无限增大驱动电源电压，因为桥臂变化元件的耗散的功率有限，过大将被烧坏。应变片的粘贴技术电测技术中，应变片粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大，是一个非常关键性的环节，必须予以注意为提高电测结果的准确性，我们应在应变片的

13、粘贴过程中做到认真操作，一丝不苟在选好应变片准备粘贴之前，我们应对应变片作严格仔细地检查，检查的内容包括： (1)应变片的外形检查，即检查应变片是否存在断路、短路现象、片中各部位是否有损伤、折断发生、片内是否夹有气泡或霉变现象等等 (2)应变片电阻值的检测为保证使用的应变片的电阻误差不超过允许范围(这个范围通常在±05欧)，可事先用精度较高的欧姆表或采用直流电桥对其进行检测，以免因同组使用的应变片的阻值误差太大而造成测量结果欠准 (3) 检查应变片上是否标有中心线若无，则应在其基盖上补画出纵、横线条，这样可方便粘贴应变片与此同时，被测试件的表面

14、上应划出定位线。以确保应变片的粘 贴到位若被测试件的表面质量不高，将会影响应变片的粘贴，为此，我们应用刮刀或锉刀清除被测点处的氧化皮及污垢，然后用细砂皮纸在试件粘贴部位(一般应 大于应变片面积35倍左右的表面)进行打磨，沿贴片方向打出45。交叉纹，以保证表面的足够光滑，最后用划针在被测点处进行画线，从而保证应变片能牢固顺利地粘贴。粘贴应变片前，还需用脱脂棉球蘸上清洁溶剂，如丙酮、无水酒精、四氯化碳等溶剂擦洗被测点处的油污，直至棉球上无明显油渍为止，且注 意此时勿用手触摸清洗后的表面然后在应变片的粘贴面处涂上薄薄一层胶水，如KH501、KH502胶，一般宜薄不宜厚将

15、应变片的方位线对准事先在试件 上的划线，此时应密切注意应变片的方位线与试件的划线是否重合，这时可在应变片上盖上一层透明纸(或腊纸)，一只手捏住应变片的引出线，另一只手的手指 反复轻轻滚压透明纸表面，以便将里面多余的胶水和气泡挤出滚压应变片时切记不能垂直用力，不能产生滑动或转动，待胶水和气泡被完全挤出后，还应保持手指 不动约一分钟左右当然也可以在试件表面盖上一层玻璃纸，然后垫上一块硅皮，用夹具或平整的压块轻压应变片的粘贴处，这些做法的目的均是为了保证应变片在 粘贴过程中不发生错移，保证其方位线与被测试件测试点处的定位线完全重合。 粘贴后的应变片可

16、让其在室温中自然干燥15至24h为节省时间，也可在自然干燥数小时后，用红外线灯进行烘烤，但温度应控制在不超过40度80度范围若一开始就烘烤，则应变片敏感栅材料的电阻系数将会随温度的骤然变化而改变，这对于后面的测试工作不利上述工作完成后，还应对应变片的粘贴质量进行检查，例如可通过放大镜观察应变片粘贴位置和方位角是否准确，粘贴表面有无气泡，应变片是否粘贴牢固；用万用表 测量应变片有无断路、短路现象若无异常，则再用低压变阻表测量应变片的引出线和金属试件之间的绝缘电阻是否符合要求。这一阻值通常应达到100M欧以上 才可作用 接下来，我们在应变片的引出线附近粘贴一片接线端子

17、，同时在引出线下面粘贴一层绝缘胶布。此举意在保证引出线焊点处的绝缘尔后将测量 导线的一端靠近应变片的引出线，在测量导线焊接端去皮约3mm 并涂上焊锡后，用电烙铁将应变片引出线与测量导线进行锡焊接时要快且准，以免产生氧化物而影响焊点质量应变片接好导线后应立即在应变片的焊接 端子处涂上一层防护层，以对其进行防湿、防潮、防老化处理，从而延长其使用寿命短期防护可采用凡士林作防护剂，长期防护可采用密封性好的防护剂。如环氧 树脂、氯丁橡胶、硅橡胶密封剂等。展望传感嚣是实现测试与自动控制（包括遥感、遥测、遥控）的首要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转

18、换，那么可想而知，一切准确的测试与控制将无法实现。当前世界范的信息革命正在猛烈冲击若各个领域，信息革命的两大重要支柱就是信息的采集与处理，信息的采集（捕获）与转换主要依赖于各类传感器，而应变片式传感器又是传感器中应用最广泛的传感器之一。信息的处理则主要依赖于各类计算机。电子技术与电子计算机为信息的处理提供了极其完善的手段，计算机与智能仪器很快地在各十科学技术部门发挥着巨大的作用，但是，如果没有各种类型传感器去准确地捕获井转换信息，即使最现代化的计算机也特无法充分发挥其应有的作用。所以传感器制作的精良和精确是至关重要的，我们应该充分利用所学知识，不断创新。虽然现在传感器技术已经很成熟，但是还有很多不足，还有许多值得改进的地方。这正是我们努力的方向和目标。参考文献1 医用传感器 第2版 陈安宁 主编 科学出版社2 电阻应变片式传感器的研究 杨艳安盼龙赵瑞娟 物理与工程