车辆检测技术-电阻应变式传感器

其次章电阻应变式传感器第一节电阻应变式传感器概述电阻应变式传感器是利用金属的电阻应变效应制造的一种测量微小变化量〔机械〕的传感器。将电阻应变片粘接到各种弹性敏感元件上，可构成测量力、压力、力矩、位移、加速度等各种参数的电阻应变式传感器。它是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。虽然型传感器不断消灭，为测量技术开拓了的领域。但是，由于电阻应变测试技术具有以下独特优点，可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。这类传感器构造简洁，使用便利，性能稳定、牢靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；可以测量各种物理量。因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件构造形式。电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变式传感器的核心元件。电阻应变式传感器的根本原理是将被测量的变化转换成传感器元件电阻值的变化过转换电路变成电信号输出。其类型很多，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。其次节电阻应变片—材料的应变效应(长度与截面积)械变形，引起该导电材料的电阻值发生变化，这种现象称为电阻应变效应。设有一段长为lA，电阻率为的导体(如金属丝)，它在未受外力时的原始电阻为：

lR llA= r2 (2-1)式中——电阻丝的电阻率，单位为Ω.m；l——电阻丝的长度，单位为m；A——电阻丝截面积，单位为m2；F作用下，而被拉伸(或压缩)时，其l、A和ρ均发生变化，如图2-1所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式(2-1)两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：2-1导体受拉伸后的参数变化dRdldAdR l A (2-2)Ar2r为电阻丝的半径，对r微分得dA2rdr，则dAA

r2

2drr 〔2-3〕dl令l

drx为材料的轴向应变，r

y为金属丝径向应变。轴向应变和径向应变的关系可表示为：

y x

(2-4)式中——金属材料的泊松系数。dA而A

r2

2drr

代入式(2-2)可得：dR(12) R x

d (2-5)对于金属导体或半导体上式中右末项电阻率相对变化的受力效应是不一样的分别争论如下： 1金属材料的应变电阻效应勃底特兹明通过试验争论觉察，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系：d dVCV(2-6)式中C——由肯定的材料和加工方式打算的常数；dV dl

dA(12)V l A

(2-7)代入式(2-5)，并考虑到实际上ΔR/R，故可得:R

K m

(2-8)K (12)C(12)式中m ——金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。上式说明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。K K (12)C(12)对于金属材料，0 m 。可见它由两局部组成前局部为受力后金属丝几何尺寸变化所致，一般金属μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后局部为电阻率随应变而变的局部。以康铜为例，C≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此时K0=Km≈2.0。明显，金属丝材的应变电阻效应以构造尺寸变化为主。对其他金属或合金,Km=1.8～4.8。2半导体材料的应变电阻效应史密兹等学者很早觉察，锗、硅等单晶半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应。半导体材料的压阻效应：dE

x(2-9)式中:σ——作用于材料的轴向应力；π——半导体材料在受力方向的压阻系数；E——半导体材料的弹性模量。同样，将式(2-9)代入式(2-5)，并写成增量形式可得：ER

Ks

(2-10)K 12E式中 S ——半导体材料的应变灵敏系数实际状况并非如此简洁当(集中电阻长度方向)压阻效应和横向(集中电阻宽度方向)(即集中深度)于膜片方向的应力远比其他两个重量小而可无视。综合式(2-8)和式(2-10)可得半导体丝材的应变电阻效应为：RKR 0

(2-11)K式中 ——半导体丝材的灵敏系数。K0K

0=Ks

=(1+2μ)+πE。它也由两局部组成：前局部同样为尺寸变化所致；后局部为半导体材料的压阻效应所致，而且πE>>(1+2μ)，因此半导体丝材的K0=Ksm≈πE。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(50～80)K。m二电阻应变片的构造电阻应变片的构造形式很多，但其主要组成局部根本一样。图2-2给出了丝式、箔式和半导体三种典型应变片的构造形式及其组成。图2-2典型应变计的构造及组成 (a)丝式(b)箔式(c)半导体 1—敏感栅2—基底 3—引线4—盖层 5—粘结剂6—电极0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，感栅上面粘贴有保护用的掩盖层。如图2-2所示。1敏感栅：应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.015～0.05mml 的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中表示栅长，表示栅宽。100Ω以上。基底：为保持敏感栅固定的外形、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变计工作时，基底起着把试件应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必需很薄，一般为0.02～0.04mm。有用特地的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。引线：它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。盖层：用纸、胶作成掩盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。粘结剂：在制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变计时，用它把应变计基底再粘贴在试件外表的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。三应变片的种类、材料及参数金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2-3所示。2-3丝式应变片构造回线式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘结在各种绝缘基底上而制成的，它是一种常用的应变片。其敏感栅材料直径在0.012-0.05mm0.025mm左右为最常用。其基底很薄(一般在0.03mm左右)，粘贴性能好，能保证有效的传递变性。引线多用0.15-0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相连接。其制作简洁，性能稳定，本钱低，易粘贴，但其应变横向效应较大。常见的回线式应变片构造如图2-3(a)(c)所示。5～10倍的镀银丝短接起来而构成。优点是抑制了横向效应，但制造工艺简单。常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌2-3(b)(d)所示。金属箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感2-4所示。它具有很多优点：2-4金属箔式应变片①.可制成多种简单外形尺寸准确的敏感栅，其栅长l0.2mm，以适应不同要求；②.与被测件粘贴结面积大；③.散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④.横向效应小，可以无视。⑤.蠕变和机械滞后小，疲乏寿命长。缺点：电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，需做阻值调整。在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。金属薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术进展的产物。它是承受真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝0.1μm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最终加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃缺点：难于掌握电阻与温度和时间的变化关系。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作用应力而变化的所谓“压阻效应”。全部材料在某种程度上都呈现压阻效应，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。常见的半导体应变片是用锗和硅半导体材料作为敏感栅2-5所示。依据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。数随温度稳定性差，测量较大应变时非线性严峻；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在(3-5)%之间，因而使得测量结果有(±3-5)%的误差。四电阻应变片的主要特性静态特性为了正确选用电阻应变片，应当对影响其工作特性的主要参数进展了解。①灵敏系数(K)当具有初始电阻值R的应变计粘贴于试件外表时，试件受力引起的外表应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R。试验证明，在肯定的应变范围内，有以下关系：R/RKx (2-12)式中εK=(ΔR/R)/ε——应变片的灵敏系数。它表示：安装x xx在被测试件上的应变片，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化(ΔR/R)，与此单向应力引起的试件外表轴向应变(ε)之比。x00必需指出，应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K，一般状况下，K＜K。这是由于，在单向应力产生双向应变的状况下，K除受到敏感栅构造外形、K条件下通过实测确定——即应变计的标定；故K又称标定灵敏系数。金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两局部组成，如图2-5(a)所示。由于试件承受单向00应力σ时，其外表处于平面应变状态中，即轴向拉伸εε。粘贴在试件外表上x yy的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感εyx

和ε2-5(b)。从而引起总的电阻相对变化为：2-52-5(a)应变计敏感栅的组成；(b)横向效应RKR x

Ky

K(1aH)x

(2-13)式中:K——纵向灵敏系数，它表示当m＝0时，单位轴向应变ε引起的电阻相对变化；Kx y x y——横向灵敏系数，它表示当ε＝0时，单位横向应变ε

引起的电阻相对变化；x ya / HK /Ky x——双向应变比； y x——双向应变灵敏系数比。式(2-13)为一般状况下应变-电阻转换公式。它说明：a / 在标定条件下，有 y x 0，则：R/RK(1H) kx 0 x x (2-14)H)式中： x 0由式(2-14)可见，在单位应力、双向应变状况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H(百分数)来表示，即：yKHyK

100%x

(2-15)y(即①试件取泊松比μ≠0.285的一般材料；②主yεx的应变计进展测试，将会产生较大误差；其相对误差为：

和ε)Ke H1H0

( a)0

(2-16)假设单向应力与应变计轴向全都，则有a=-μ，则式(2-16)变成：e H1H0

( )0

(2-17)由此可见，要消减横向效应产生的误差，有效的方法是减小横向效应系数0理论分析和rlr试验说明：对丝绕式应变计，纵栅0愈长，横栅愈小，则H愈小。因此，承受短接式或2-3(b)、(d)(花)2-4〕就是据此设计的。②机械滞后(Zj)j有用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，过热，都会使应变计产生剩余变形，导致应变计输出的不重合。这种不重合性用机械滞后(Zj)来衡量。它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)2-6Z＜3～10με。实测中，可在测试前通过屡次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。j③蠕变(θ)和零漂(P0)2-7中θ所示。2-5(a)应变计敏感栅的组成；(b)横向效应2-7中的P0所示。θ＜3～15μs要缘由是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中消灭的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。图2-6应变计的机械滞后特性 图2-7应变计的蠕变和零漂特性④应变极限(ε)lim应变片的线性(灵敏系数为常数)10%时的真实应变值，称为应变极限ε2-8所示。应变极限是衡量limε≥8000μεε的主要因素及改善措施，与蠕变根本一样。

lim

lim2-8应变片的应变极限特性动态特性试验说明，机械应变波是以一样于声波的形式和速度在材料中传播的。当它依次通过肯定厚度的基底、胶层(两者都很薄，可无视不计)和栅长l而为应变计所响应时，就会有时间的迟后。应变计的这种响应迟后对动态(高频)应变测量，尤会产生误差。应变计的动态特性就是指其感受随时间变化的应变时之响应特性。①对正弦应变波的响应应变片对正弦应变波的响应是在其栅长l02-9表示一频率为f，幅值为ε0

的正弦波，vx方向传播时，在某一瞬时t的分布图。应变片中点xt的瞬时应变为: t

sin(2/)x

t