3.1電阻應變式傳感器的工作原理3.2應變片的種類、結(jié)構(gòu)與粘貼3.3應變電橋3.4電阻應變片的應用思考題第3章電阻應變式傳感器

3.1電阻應變式傳感器的工作原理

3.1.1電阻應變效應

電阻應變片的工作原理基于電阻的應變效應。

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。3.1.2電阻應變特性

下面我們以金屬絲為例來分析這種應變特性，如圖3-1所示。

設(shè)有一根長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為ρ的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

(3-1)圖3-1金屬導線受力變形情況當金屬絲受拉而伸長dl時，其截面積將相應減小dA，電阻率則因金屬晶格發(fā)生變形等因素的影響也將改變dρ。這些量的變化，必然引起金屬絲電阻的改變，其變化量為dR，即

(3-2)

以R除等式左端，以ρl/A除等式右端，得

(3-3)因為

(r為金屬絲半徑)(3-4)

令

εx=dl/l——金屬絲的軸向應變；

εy=dr/r——金屬絲的徑向應變。金屬絲受拉時，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間的關(guān)系為

(3-5)

式中,μ為金屬絲材料的泊松系數(shù)。將式(3-4)、式(3-5)代入式(3-3)得

(3-6)

令

(3-7)

Ks稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時，電阻相對變化的大小。顯然，Ks越大，單位變形引起的電阻相對變化就越大，傳感器也越靈敏。從式(3-7)可以看出，金屬絲的靈敏系數(shù)Ks受兩個因素影響：第一項(1+2μ)是由于金屬絲受拉伸后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化而引起的；第二項是由于材料發(fā)生變形時，其自由電子的活動能力和數(shù)值均發(fā)生了變化而引起的，這項可能是正值，也可能為負值，但作為應變片的材料都選為正值，否則會降低靈敏度。由于項目前還不能用解析式來表達，因此Ks只能靠實驗求得。實驗證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化ΔR/R與應變εx是成正比的，因而Ks為一常數(shù)。因此式(3-7)以增量表示為

(3-8)

對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1000微應變，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。由材料力學可知，εx=F/(AE)，所以ΔR/R又可以表示為

(3-9)

如果應變片的靈敏度系數(shù)Ks和試件的截面積A以及彈性模量E均為已知，則只要設(shè)法測出ΔR/R的數(shù)值，即可獲得試件受力F的大小。

3.2應變片的種類、結(jié)構(gòu)與粘貼

3.2.1應變片的種類與結(jié)構(gòu)

電阻應變片的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-2所示。應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式和箔式兩種，如圖3-3、3-4所示。

金屬絲式應變片的使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式應變片所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。圖3-2電阻應變片的結(jié)構(gòu)示意圖圖3-3金屬絲式應變片(a)回線式；(b)短線式圖3-4箔式應變片箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積較大，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最低的程度。目前箔式應變片廣泛用于各種應變式傳感器中。半導體應變片是用半導體材料作敏感柵而制成的。當它受力時，電阻率隨應力的變化而變化。它的主要優(yōu)點是靈敏度高(靈敏度比絲式、箔式大幾十倍)，主要缺點是靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用半導體應變片時，需采用溫度補償及非線性補償措施。

表3-1列出了一些應變片的主要技術(shù)參數(shù)。3.2.2應變片的粘貼

應變片是用黏合劑粘貼到試件上的。黏合劑形成的膠層必須準確迅速地將試件的應變傳遞到敏感柵上。黏合劑的性能及粘貼工藝的質(zhì)量直接影響著應變片的工作特性，如零漂、蠕變、滯后、靈敏系數(shù)、線性以及它們受溫度變化影響的程度，因此對黏合劑和粘貼工藝有嚴格要求?，F(xiàn)將粘貼工藝簡述如下：

(1)試件的表面處理。為了保證一定的黏合強度，必須將試件的表面處理干凈，清除雜質(zhì)、油污及表面氧化層等。粘貼表面應保持平整，表面光滑。最好在表面打光后，采用噴砂

處理。面積約為應變片的3~5倍。

(2)確定粘貼位置。在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，在試件上按測量要求劃出中心線。精密的可以用光學投影方法來確定貼片位置。

(3)粘貼。首先用甲苯、四氫化碳等溶劑清洗試件表面，如果條件允許，也可以采用超聲波清洗，應變片的底面也要用溶劑清洗干凈。然后在試件表面和應變片的底面各涂一層薄而均勻的膠水等。貼片后，在應變片上蓋一張聚乙烯塑料薄膜并加壓，將多余的膠水和氣泡排出。加壓時要注意防止應變片錯位。

(4)固化。貼好后，根據(jù)所使用的黏合劑的固化工藝要求進行固化處理和時效處理。

(5)粘貼質(zhì)量檢查。檢查粘貼位置是否正確、黏合層是否有氣泡和漏貼、敏感柵是否有短路和斷路現(xiàn)象，以及敏感柵的絕緣性能等。

(6)引線的焊接與防護。檢查合格后即可焊接引出線。引出導線要用柔軟、不易老化的膠合物適當?shù)丶右怨潭?，以防止導線擺動時折斷應變片的引線。然后在應變片上涂一層柔軟的防護層，以防止大氣對應變片的侵蝕，保證應變片長期工作的穩(wěn)定性。

3.3應變電橋

3.3.1應變電橋的特性

由電阻R1、R2、R3、R4順序連成一環(huán)形，在對角線a與c之間安上電源，在另一對角線b與d之間接指示儀表(或其他負載)，就會有電流流過指示儀表。這就好像在b、d之間架起了一座橋梁，故稱之為電橋。R1、R2、R3、R4稱為電橋的橋臂，如圖3-5所示。為了使電橋在測量前輸出為零，應該選擇四個橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，這就是電橋平衡的條件。若測量前電橋輸出不為零，則必須調(diào)零。調(diào)零電路可采用圖3-6中的并電阻調(diào)零。圖中，調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1′/R2′=R4/R3

(R1′、R2′是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻)，電橋趨于平衡，Uo被預調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。圖3-5應變片的直流測量電橋圖3-6電橋并電阻調(diào)零根據(jù)電橋各橋臂電阻阻值之間的關(guān)系，電橋可分為三種形式：

(1)電源對稱電橋，即R1=R4，R2=R3；

(2)輸出對稱電橋，即R1=R2，R3=R4；

(3)等臂電橋，即R1=R2=R3=R4。測量時，當每個橋臂電阻的變化值遠遠小于電阻值，且電橋輸出端的負載電阻為無窮大(即開路)、采用等臂形式工作時，電橋的輸出電壓可用下式近似表示：

(3-10)

由于ΔR/R=Kεx，當各橋臂應變片的靈敏度都相同時,有

(3-11)3.3.2應變電橋的工作方式

根據(jù)不同的要求，應變電橋有不同的工作方式：半橋單臂工作方式(即R1為應變片，R2、R3、R4為固定電阻，且電阻變化值均為零)、半橋雙臂工作方式(即R1、R2為應變片，R3、R4為固定電阻，ΔR3=ΔR4=0)和全橋工作方式(即電橋的四個橋臂都為應變片)。上面三種工作方式中的ε1、ε2、ε3、ε4可以是試件的拉應變，也可以是試件的壓應變，這取決于應變片的粘貼方向及受力方向。若是拉應變，則ε為正值；若是壓應變，則ε為負值。上述三種工作方式中全橋工作方式的靈敏度最高，半橋雙臂次之，半橋單臂靈敏度最低。若采用半橋雙臂或全橋工作方式，當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，代入式(3-10)，可以相互抵消，所以這兩種橋路具有溫度自補償功能。

3.4電阻應變片的應用

應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量

轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應變式傳感器，該類傳感器的敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。3.4.1測力傳感器

電阻應變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器由應變計、彈性元件、測量電路等組成。根據(jù)彈性元件結(jié)構(gòu)形式(柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等)和受載性質(zhì)(拉、壓、彎曲、剪切等)的不同，可將其分為柱式和梁式力傳感器。

(1)柱式力傳感器。柱式力傳感器的彈性元件如圖3-7所示。柱式力傳感器的輸出電壓為

(3-12)

其中，KF為傳感器靈敏度，F(xiàn)m為傳感器的滿量程，Uom為滿量程時的輸出電壓。圖3-7應變片粘貼在柱形彈性元件上(a)柱形圖；(b)展開圖

(2)梁式力傳感器。此類傳感器可制成稱重電子秤、加速度傳感器等。其結(jié)構(gòu)示意如圖3-8所示。應變式加速度傳感器如圖3-9所示，它不適用于頻率較高的振動和沖擊，一般適用頻率為10～60Hz范圍。圖3-8梁式力傳感器(a)等強度懸臂梁；(b)等截面懸臂梁圖3-9應變式加速度傳感器3.4.2壓力傳感器

壓力傳感器主要用于測量流體的壓力。根據(jù)其彈性體的結(jié)構(gòu)形式,可將其分為單一式和組合式兩種。圖3-10所示為筒式應變壓力傳感器。圖3-10筒式應變壓力傳感器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)筒式彈性元件；(c)應變計薄片3.4.3位移傳感器

應變式位移傳感器把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用于近測或遠測靜態(tài)或動態(tài)的位移量。如圖3-11所示為國產(chǎn)YW型應變式位移傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理。這種傳感器由于采用了懸臂梁—螺旋彈簧串聯(lián)的組合結(jié)構(gòu)，因此適用于10～100mm位移的測量。圖3-11

YW型應變式位移傳感器(a)傳感器結(jié)構(gòu)；(b)工作原理思考題

3.1單項選擇題

(1)電子秤中所使用的應變片應選擇________應變片；一次性的幾百個應力試驗測點應選擇________應變片。

A.金屬絲式B.金屬箔式

C.電阻應變儀

(2)應變測量中，希望靈敏度高、線性好、有溫度自補償功能，應選擇________測量轉(zhuǎn)換電路。

A.半橋單臂 B.半橋雙臂