第三章应变传感器

1、3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器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的注意问题电阻应变传感器使用中的注意问题第三章第三章 应变传感器应变传感器应变传感器应变传感器力学量分为：l几何学量：几何学量：位移、形变、长度、厚度等；l运动学量：运动学量：速度、加速度、角加速度等；l力学量：力学量：力、应力、压力等。 测量这些物理量的器件成为力学传感器或应或应变传感器。变传感器。3.1 电阻应变传感器电阻应变传感器电阻应变片电阻应变片+弹性元件弹性元件 用于测量位移、加速度、力、力矩、压力等用于测量位移、加速度、力、力矩、压力等 应用于应用于航空、机械、电力

2、、化工航空、机械、电力、化工等领域等领域电阻应变效应：电阻应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化的变化而发生变化的现象。而发生变化的现象。应变片压阻效应：应变片压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其半导体材料在受到外力作用时，其电阻率电阻率发生变化的现象发生变化的现象一、应变片的结构一、应变片的结构应变片的结构1、敏感栅：、敏感栅： 转换元件；转换元件；2、基底和面胶、基底和面胶(覆盖层覆盖层) 基底，传递弹性体的应变；基底，传递弹性体的应变； 面胶，保护电阻丝；面胶，保

3、护电阻丝； 粘合剂：粘合剂： 粘合电阻丝和基底；粘合电阻丝和基底； 4、引出线：、引出线： 连接测量导线连接测量导线覆盖层覆盖层二、二、 电阻应变片的分类电阻应变片的分类（1）按应变片敏感栅的材料应变片敏感栅的材料不同。 金属应变片金属应变片和半导体应变片半导体应变片（2）按应变片的工作温度工作温度不同： 常温应变片：-3060 中温应变片：60300 高温应变片：300以上 低温应变片：低于-30（3）按应变片的用途应变片的用途不同， 一般用途应变片 特殊用途应变片：水下、疲劳寿命、 抗磁感应、裂缝扩展等三、常用应变片三、常用应变片1）丝线应变片；）丝线应变片；2）箔式应变片；）箔式应变片；

4、3）半导体应变片）半导体应变片；4）金属薄膜应变片；5）高温及低温应变片；1、丝式应变片、丝式应变片 丝式应变片的敏感栅为：电阻丝 直径：0.020.05 mm, 常用：0.025 mm； 电流：1012 mA和4050 mA； 电阻值：501000 ,常用：120 ；2、箔式应变片、箔式应变片l 敏感栅：由光刻、腐蚀等工艺制程l 箔栅厚度：0.0030.01 mml 箔金属材料：康铜或者合金（卡玛合金等）优点：敏感栅的形状可变；敏感栅的形状可变；表面积大表面积大,散热性能好散热性能好, 允许通过电流大；允许通过电流大；蠕变小蠕变小,疲劳寿命高；疲劳寿命高；3、半导体应变片、半导体应变片 优点

5、：灵敏度系数高；机械滞后小、 体积小、耗电量小等 缺点：非线性大敏感栅： 半导体圧阻效应3.2 薄膜应变电阻及传感器薄膜应变电阻及传感器l指用真空热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积等方法制得的薄膜（非机械延展法制得） 一、一、 按薄膜厚度分类按薄膜厚度分类（1） 非连续金属膜。非连续金属膜。厚度小于10-8m,薄膜不连续,孤岛分布孤岛分布，孤岛之间没有通道,其导电作用是由隧道效应隧道效应所实现的。 特点：阻值很高,灵敏度高, 性能极不稳定。 （2） 半连续膜。半连续膜。这种膜的厚度在10-8210-8m之间,膜面呈不连续的岛状不连续的岛状,各岛之间有若干通道。（3）连续膜。）连续膜。这种膜的厚度一

6、般大于210-8m，膜面上基本看不到岛状结构。这种膜的稳定性远远这种膜的稳定性远远高于前两种，力敏元件均采用这种膜。高于前两种，力敏元件均采用这种膜。 二、薄膜的工作原理二、薄膜的工作原理lRS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 式中，为材料的电阻率。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。进行全微分可以求得电阻值的变化为 2ddddSLLRLSSSFFSll 用相对变化量表示，则有 2dddSddd /dSS1d /LLLRS SLSLLLRL LLSSS式中， dLL纵向应变； 1 dS/S2 d /L L泊

7、桑（松）比； d,E E杨氏弹性模量，压阻系数。 由上式可得d(12)RER令k=1+2+E，则 dRkRk称为材料的灵敏系数或应变因子： 材料发生单位应变时的电阻变化率材料的灵敏系数由两个因素决定：1+2，它由材料的几何尺寸的变化引起；E，由材料受力后电阻率发生的变化引起。 金属薄膜金属薄膜， E值很小，电阻率基本上与应力无关，可以忽略； 材料的灵敏系数主要取决于几何尺寸的变化材料的灵敏系数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。半导体材料半导体材料 具有良好的弹性性能和压阻效应，它的压阻系数很大； k主要由主要由E决定，可高达决定，可高达100以上以上。 可以制作出

8、灵敏度很高的应变片和压力传感器。 薄膜应变传感器的特点薄膜应变传感器的特点 优点： 工艺环节较少工艺环节较少,工艺周期较短,成品率也就较高。能反复加载106次以上, 耐疲劳性能良好耐疲劳性能良好。量程很大量程很大,可用于大量程称重、加速度、压力传感器等。这是它目前获得广泛使用的主要原因之一。非粘贴式非粘贴式： 薄膜应变片与弹性体结合在一起；粘贴式：粘贴式：制作单一薄膜应变片，再与弹性体粘合；薄膜式：薄膜式：利用热蒸发、溅射、CVD等方法制成 合金型应变片和传感器合金型应变片和传感器, , 稳定性很高稳定性很高, 电阻温度系数很小电阻温度系数很小（一般为（10-510-6） 薄膜应变传感器适用于

9、航天、航空工业,以及对稳定性要求较高的测控系统中。 灵敏系数较低灵敏系数较低（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。半导体半导体Ge、Si薄膜应变片及传感器薄膜应变片及传感器灵敏系数较高灵敏系数较高（一般为30以上）电阻温度系数高电阻温度系数高（约为10-5数量级）。薄膜应变片的阻值可做得很高,通常均可做到几千到几万欧姆,因而其可在低功耗的状态低功耗的状态下工作。二、蠕变、蠕变曲线、零点漂移曲线二、蠕变、蠕变曲线、零点漂移曲线蠕变现象的产生，是由三个方面的因素构成：温度、应力和时间。 由于金属蠕变的累积，使金属部件发生过量的塑性变形而不能使用，或者蠕变进入到了加速发展阶

10、段，发生蠕变破裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。 蠕变蠕变是指：是指：在应力应力影响下，固体材料缓慢永久性的移动或者变形的趋势 l蠕变曲线：蠕变曲线： 对于已经安装好的应变片，在恒定温度和承受恒定的应力的情况下，指示应力指示应力随时间变化的曲线。l零点漂移曲线：零点漂移曲线： 对于已经安装好的应变片，在恒定温度和在不承受应力的情况下，指示应力指示应力随时间变化的曲线。 CEC1000型传感器在室温下的蠕变曲线 在室温下,不加载保持一小时进行调零,然后加上满量程压力并保持不变,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偏离满度的数值同时间的关系曲线。的关系曲线。薄膜传感器在

11、室温下的零点漂移曲线 对于已经安装好的应变片，在恒定温度和在不承受应力的情况下，指示应力指示应力随时间变化的曲线。零漂通常为绝缘电阻过低或者或者通过电热产生的热电势构成。120时薄膜传感器的蠕变曲线 120时薄膜传感器的零漂曲线 3.3电阻应变传感器使用中应注电阻应变传感器使用中应注意的一些问题意的一些问题温度漂移的补偿温度漂移的补偿 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。 电阻应变传感器受到温度影响后其输出要产生温度漂移。 半导体电阻应变敏感元件：在基片制作四个相同的电阻。这四个电阻接成电桥，并且将阻值增加的两个电阻对接，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。将阻值减小的两个电阻对接，使电桥的输出最大。恒流源供电恒流源供电：可以最大限度地克服温度的影响。电压源供电电压源供电：温度升高，传感器灵敏度下降的问题。一种灵敏度一种灵敏度K温度漂温度漂移的补偿电路移的补偿电路 TKUsc，UscUbeIbIcUceU(U=U-Uce) 1234kRdRkRdR0U如图，