铁道车辆传感器技术-电阻应变式传感器

项目一传感器技术

任务2电阻应变式传感器电阻应变式传感器结构和工作原理1.2电阻应变式传感器概述0102电阻应变式传感器的特性03电阻应变式传感器的应用04一、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。用途：将电阻应变片粘接到各种弹性敏感元件上可以测定力、压力、力矩、位移、加速度等参数，是使用最广泛的传感器之一，具有悠久的历史。

BLR-14A型电阻应变式拉压力高精度传感器采用剪切结构弹性体，具有精度高、稳定性能好、抗偏载能力强等特点，适应于料斗秤、配料秤和吊钩秤等配套使用,广泛用于国防、科研工业系统中作力的分析及自动化控制。二、电阻应变式传感器结构和工作原理

1.电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为应变效应。

半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。

材料的应变效应:金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大当金属丝受到外力F作用下，而被拉伸（或压缩）时，上述任何一个参数均会变化，因此导体的电阻随之发生变化，通过对上式两边取对数后再做微分，即可求其电阻相对变化为若电阻丝是圆的，则，r为电阻丝的半径，则令为材料的轴向应变，为金属丝径向应变。则式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。或

通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为（1）对于金属材料，导电率不变，即dρ/ρ<<1，因此有：当金属材料确定后，应变片的电阻变化率取决于材料的几何形状变化，其灵敏度系数为，当力作用到用金属材料制作的应变片上时，其电阻相对变化与电阻丝轴向应变成正比。（2）对于半导体，由于dρ/ρ项的数值远比（1＋2μ）ε项大，即半导体电阻变化率取决于材料的电子流变化，因此，简化为：式中π－材料的压阻系数；E－材料的弹性模数。因此灵敏系数为：（3）常用的应变片灵敏度系数大致是：金属导体应变片约为2左右，但不超过4～5；半导体应变片约为100～200。可见半导体应变片的灵敏度系数值比金属导体的灵敏度系数值大50-80倍。

但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。

。2.半导体应变片及金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的内部结构应变片外形常用应变片的形式

（1）敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。引线是从敏感栅到测量导线之间的过渡部分，用以将敏感栅接入测量电路。(2)覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03～0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。

(3)应变片的粘贴技术1.选片:首先检查应变片的外观，剔除敏感栅有形状缺陷，片内有气泡、霉斑、锈点的应变片，再用电桥测量应变片的电阻值，并进行阻值选配。(3)应变片的粘贴技术2.打磨:选择的构件表面待测点需经打磨，打磨后表面应平整光滑，无锈点。(3)应变片的粘贴技术3.划线：被测点精确地用钢针画好十字交叉线以便定位。(3)应变片的粘贴技术4.清洗：用浸有丙酮的药棉清洗欲测部位表面，清除油垢灰尘，保持清洁干净。(3)应变片的粘贴技术5.涂胶：将选好的应变片背面均匀地涂上一层粘结剂，胶层厚度要适中。(3)应变片的粘贴技术6.黏贴:将应变片的十字线对准构件欲测部位的十字交叉线。(3)应变片的粘贴技术7.校正：轻轻校正方向(3)应变片的粘贴技术8.吸胶：盖上一张玻璃纸，用手指朝一个方向滚压应变片，挤出气泡和过量的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。(3)应变片的粘贴技术9.固化：贴片后最好自然干燥几小时，必要时可以加热烘干。(3)应变片的粘贴技术10.固定导线：将应变片的两根导线引出线焊在接线端子上，再将导线由接线端子引出。(3)应变片的粘贴技术11.密封：均匀将胶水粘贴在应变片表面，防止起泡产生，进行密封防护。(3)应变片的粘贴技术12.测试：放置24小时后，对贴片构件进行测试。（4）应变片的材料和种类按材料分：金属式体型——金属丝式、金属箔式、金属薄膜型半导体式体型——薄膜型、扩散型、外延型、PN结型对电阻丝材料有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。常用金属电阻丝材料的性能康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。三、电阻应变式传感器的特性

（1）机械滞后温度不变时，加载与卸载过程中灵敏度系数不一致的现象。

原因：粘贴过程中敏感栅不适当，变形或粘贴剂固化不充分。

消除办法：实验之前应将试件预先加，卸载若干次。

（2）零点漂移和蠕变①温度不变时，即使未加应力，应变片指示也会变化，称零点漂移；产生原因：敏感栅通以工作电流后温度效应，粘洁剂固化不充分，当应变片承受恒定机械应变量。

②应变片的指示应变随时间变化称为蠕变。产生原因：胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变逐渐减少。四、电阻应变式传感器的应用1.应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。（1）柱（筒）式力传感器图（a）、（b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图（2）环式力传感器如图(a)所示为环式力传感器结构图。与柱式相比，应力分布变化较大，且有正有负。环式力传感器(a)环式传感器结构图；(b)应力分布

对R/h>5的小曲率圆环，可用下面的式计算出A、B两点的应变。式中：h——圆环厚度；

b——圆环宽度；

E——材料弹性模量。这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。四、电阻应变式传感器的应用2.应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力,如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。

下图为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt，表达式分别为式中：

p——膜片上均匀分布的压力；

R,h——膜片的半径和厚度；

x——离圆心的径向距离。由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力p时，其应变变化曲