项目三应变片传感器.docx

1、项目三应变片传感器项目三 电阻应变式传感器电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，可构成测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数的电阻应变式传感器。 虽然新型传感器不断出现、为测试技术开拓了新的领域。但是，由于电阻应变调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。(1)结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；(2)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；(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量， (4)可以测量多种物理量。它已广泛应用于许多领域，诸如航空、机械、电力、化工、建筑、41 电阻应变式传感

2、器的工作原理电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样通过测量电阻应变片的电阻值变化，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，要根据被浏参数来设计或选择它的结构形式。关于传感器中的弹性敏感元件的性能与典型结构形式，在第三章中已经进行了详细讨论，可供设计与选择弹性敏感元件时参考。 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，关于它的工作原理、基本性能以及应用方法等将在下面详

3、细论述。42 电阻应变片(计)的工作原理421金属的应变效应 电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。 金属丝的电阻为什么会随着其发生的应变而变化呢?道理很简单，因为金属丝的电阻(RPLF)与材料的电阻率(P)及其几何尺寸(长度L和截面积F)有关，而金屑丝在承受机械变形的过程中，这三者都要发生变化，因而引起金屑丝的电阻变化。422 电阻应变片的结构和工作原理一、应变片的结构电阻应变片(简称应变片或应变计)种类繁多形式各样，但其基本构造大体相同。现以丝绕式应变片为例说明。图41 电阻丝应变片的基本

4、结构1.基底 2电阻丝 3.覆盖层 4.引线图41所示为丝绕式应变片的构造示意图。它以直径为0.025mm左右的、高电阻率的合金电阻丝2.绕成形如栅栏的敏感栅。敏感栅为应变片的敏感元件，它的作用是敏感应变变化和大小。敏感栅粘结在基底1上，基底除能固定敏感栅外，还有绝缘作用；敏感栅上面粘贴有覆盖层3.敏感栅电阻丝两端焊接引出线4.用以和外接导线相连。图中L称为应变片的标距或基长，它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系指圆弧外测之间的距离。对具有较宽横栅的敏感栅，指两摄栅内例之间的距离。其宽度b系指最外两敏感栅外测之间的距离。敏感栅的基长L和宽度b，切勿同基底的长度尺寸相混淆

5、后者只表明应变片的外形尺寸，并不反应其工作特性。二、电阻一虚变特性由物理学已知，一根金属丝的电阻为 图42 金属导线受力变形惰况式中：R金属丝的电阻(o)， P金属丝的电阻率(omm2m)； L金属丝的长度(m)； F金属丝的截面积(mm2)。 取一段金屑丝如图42所示。当金属丝受拉而伸长dL时，其横截面将相应减小df，电阻率则因金屑品格发生变形等因彦的影响也将改变dA这些量的变化，必然引起金属丝电阻改变dR。以R除左式，加plF除右式，得因为令=dLL金属丝的轴向应变 6ydr/r金属丝的径向应变金属丝受拉时，沿铀向伸长而沿径向缩短，二者之向的关系为式中U为金属丝材料的泊松系数。将式(44)

6、、(45)代入式(43)得 K称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。显然，K越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。 从式(47)可以看出，金属丝的灵敏系数K受两个因素影响：第一项(1十2U)它是由于金属丝受拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的；第二项是由于材科发生变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，这项可能是正值，也可能为负值，但作为应变片材料都选为正值，否则会降低灵敏度。 由于项目前还不能解析式来表达，所口K只能靠实验求得。实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dRR与应变cf是成正比的，因而K为一常数。因此式(47)以

7、增量表示为 ，应该指出，当将直线金属丝做成敏感栅之后，电阻一应变特性与直线时不同了，因此必须重新实验测定。这种实验必须按规定的统一标准来进行。实验表明，应变片的dRR与e2的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即 式中K为电阻应变片的灵敏系数。 实验表图，应变片的灵敏系数K桓小于同一材料金属丝的灵敏系数K。其原因是所谓横向效应的影响。应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片粘贴到试件上以后，不能取下再用。所以只能在每批产品中提取一定比例(一般为5)的应变片。测定灵敏系数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”。 三、应变片测试原理 用应变

8、片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化R则根据式(49)。可以得到被测对象的应变值L，而根据应力应变关系。式中 6试件的应力； 3试件的应变。可以得到应力值6 通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。 423 电阻应变片的横向效应直线金属丝受单向力拉伸时，在任一微段上所感受的应变都是相同的，而且每段都是伸长的。因而每一段电阻都

9、将增加，金屑丝总电阻的增加为各微段电阻增加的总和。但是将同样长度的金属丝弯成敏感栅做成应变片之后，将其粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变cJ，故其各微段电阻都将增加。但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却并非是eJ(见图43)。因此与直线段上同样长的微段所产图43横向效应生的电阻变化就不相同。最明显的在处微圆弧段处、由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产生拉应变外。按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变，因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由+变化到-的，因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样

10、长度沿铀向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低；这种现象称为应变片的横向效应。 因此应变片感受应变时其电阻变化应由两部分组成，一部分与纵向应变有关，另一部分与横向应变有关，对于因43所示u型应变片，其电阻相对变化的理论计算式为式中：L金属电阻丝总长度? r圆弧部分半径N敏感栅直线段数目，如图43中n=6设式(411)可写为对其他型式应变片也适用的一般形式：式中：Kx应变片对轴向应变的灵敏系数，它代表3=0时，敏感栅电阻相对变化与3x 之比， Ky应变片对横向应变的灵敏系数，它代表3x

11、=0时，敏感栅电阻相对变化与3y之比， c应变片横向灵敏度它表示横向应变对应变片电阻相对变化的影响程度。通常可以用实验方法来测定Kx，和Ky，然后再求出c 43 电阻应变片的种类、材料和参数431 电阻应变片的种类电阻应变片的种类繁多分类方法各异，现将几种常见的应变片及其特点介绍如下一、丝式应变片1回线式应变片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。其敏感撤材料直径在0.0120.05mm之间，以0.025mm左右为最常用。其基底很薄(一般在0.03mm左右)，粘贴性能好，能保证有效地传起变形。引线多用0.150.3mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。图

12、44(a)为常见的回线式应变片构造图。 图44 丝式应变片2短接式应变片 这种应变片是将敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大510倍的镀银丝短接起来而构成的。见图44(b)。 这种应变片突出优点是克服了回线式应变片的横向效应。但由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏。制造工艺要求高。 二、箔式应变片 这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘其底下制成各种图形而成的应变片。箔材厚度多在0.0010.01mm之间。利用光刻技术，可以制成适用各种需要的、形状美观的、称为应变花的应变片。图45为常见的几种箔式应变片构造形式。它具有很多优点。测试中得到了日益广泛

13、的应用，在常温条件下，已逐步取代了线绕式应变片。它的主要优点是：(1)制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求； (2)敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大； (3)敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好； (4)散热性能好，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以忽略； (6)蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。 三、薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0.1um以下。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，

14、易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。 目前实际使用中的主要问题是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。 四、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”。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，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采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状*如图46所示。根据压阻效应，半导体和金屑丝一样可以把应变转换成电阻的变化。半导体应变片受纵向力作用时，其电阻相对变化可用下式表示式中，却P为半导体应变片的电阻率相对变化其值与半导体小条的纵向轴所受的应力之比为一常数，即图46 半导

15、体应变片的结构形式式中，u为半导体材料的压阻系数它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关 将式(418)代人式(4I 9)褐式中1十2u项随半导体几何形状而变化，E项为阻效应，随电阻率而变。实验表明E比(1十2U)大近百倍，故(1十2Uj)可以忽略因而半导体应变片的灵敏系数为半导体应变片的优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。它们的缺点是电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大，一般在(35)之间，因而使测量结果有(35)的误差。 432电阻应变片的材

16、料 一、敏感栅材料 制造应变片时对敏感栅材料的要求： (1)灵敏系数K和电阻率P要尽可能高而稳定，电阻变化率R/R与机械应间应具有良好而宽广的线性关系，即要求火，在很大范围内为常数。 (2)电阻温度系数小，电阻一温度间的线性关系和重复性好， (3)机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小； (4)抗氯化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。 制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬馅合金、铁银铬合金属(铂、铂钨合金等)材料等，材料性能见表41。表41 常见应变电阻合金材料性能表 二、应变片基底材料 应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基(有机聚合物)取代，因为胶基各

17、方面性能都好于纸基。胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成败膜,厚约0.030.05mm对基底材料性能有如下要求机械强度好、挠性好；粘贴性能好；电绝缘性热稳定性好和抗湿性好；无滞后和蠕变。 三、引线材料康铜丝敏感栅应变片。引线是采用直径为0.05一0.18mm的银铜丝，采用点焊焊接。其它类型敏感栅，多采用直径与上述相对的铬镍、卡马、铁铬铝金屑丝或佩带作为引线。与敏感栅点焊相接。 4.3.3应变片的主要参数 为了正确选用电阻应变片。应该对影响其工作特性的主要参数进行了解。 一、应变片电阻值(Ro) 它是指未安装的应变片，在不受外力的情况下，于室温条件测定的电阻值，也称原始阻值，单位以计。应变

18、片电阻值已趋于标准化，有60，120 ，350，600和1000各种阻值，其中120为最常使用。 二、绝缘电阻 即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于1010 三、灵敏系数(K)灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。K值的准确性将直接影响测量精度，其误差大小是衡量应变片质量优劣的主要标志。同时要求K值尽量大而稳定。四、允许电流允许电流系指不因电流产生热量影响测量精度，应变片允许通过的最大电流。它与应变片本身、试件、粘合剂和环境等有关。要根据应变片的阻值和结合电路具体情况计算。为保证测量精度。在静态测量时，允许

19、电流一般为25mA。在动态测量时，允许电流可达75100mA。箔式应变片允许电流较大。表42 应变片参数的等级及其偏差五、应变极限应变片的应变极限是指在温度一定时，指示应变值和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值，一般差值规定为10，当指示应变值大于真实应变的10时，真实应变值称为应变片的极限应变 六、机械滞后、零漂和蠕变 应变片的机械滞后是指对粘贴的应变片，在温度一定时，增加和减少机械放变过程中同一机械应变量下指示应变的最大差值。 零点漂移是指巳粘贴好的应变片，在温度一定和无机械应变时，指示应变随时间的变化。 蠕变是指已粘贴好的应变片，在温度一定并承受一定的机械应变时，指示应

20、变值随时间的变化。44 电阻应变片的动态响应特性当试件或弹性元件的应变大小和方向随时间改变时，应变片处于动态下工作，这就会出现：应变从试件或弹性元件传到敏感栅要用多长时间？在进行高频的动态应变测量时哪些因素影响应变片对动态应变的响应？下面对应变传播过程全面分析，从中可以得到答案。 4.4.1 应变波的传播过程 应变以应变波的形式经过试件或弹性元件材料、粘合剂等，最后传播到应变片上将应变波全部反映出来。 一、庄变波在试件材料中的传播表43列出了应变法在各种材料中的传播速度。表43：应变波在几种材科中的传播速度 二、应变波在粘合层和应变片基底中的传播 应变波由试件材料表面，经粘合剂和基底传播到电阻

21、丝线栅所需要的时间是非常短暂的，可以忽略不计，如取应变波在粘合层中的传播速度为1000ms，粘合层和基其底的总厚度为0.05mm，则所需时间为三、应变波在应变片线栅长度(基长)内的传播 由应变片反映出来的应变波形，是应变片线栅长度内所感受应变量的平均值，有应变波通过应变片的全部长度后应变片所反映的波形才能达到最大值。 4.4.2 应变计的可测频率的估算从应变波的传播过程中可以看出，影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长和应变波在试件材料中的传播速度。应变片的可测频率或称截止频率可根据下面三种情况估算。 一、应变波为正弦波应变计对正弦应变波的响应特性见图47(a)。因为应变片反映出来的应

22、变波，是应变片线栅长度内所感受应变量的平均值，因此应变片反映的波幅将低于真实应变波，从而带来一定误差。显然这种误差将随应变片的基长增长而增大、图42(a)表示应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬时情况1、应变波的波长为，应变片的基长为L。其两端的坐标为，此时应变片在其基长L0内测得的平均应变3P达到图47 应变计对正弦应变波的响应特性与误差曲线最大值，其值为：因而应变波幅测量误差e为由上式可知，测量误差e与应变波长对基长的比值有关，其关系曲线见图57(b)，AJ9愈大，误差愈小。一船可取Aio1020，其误差小于1.6一0.4密因为 而又，所以式中：f应变片的可测频率；v应变波的传播速度； n

23、应变狡波长与应变片基长比。 对于钢材、v =5000ms，如取n 20，则利用式(524)可算得不同基长的应变片的最高工作频率，如表4，4所示。 二、应变波为阶跃波应变波为阶跃波时(见图48(a)，由于应变波通过敏感栅全部长度需要时间，所以应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。应变片的理论和实际输出波形如图48(b)，(c)所示。如以输出从10上升到90的量大值这段时间作为上升时间tk，则tk=0.8L0/v，可测频率f0.35tk,则 三、其他情况 求出被测对象的最高振动频率和应变波在被测对象中的传播速度，取应变波波长的110-120来选应变片的基长。基长L0应尽量选用短的，

24、这样可更真实测出被测部位的应变提高测试精度。 图48 应变片对阶跃应变响应特性(a)阶跃波形 （b）上升时间的滞后 （c）应变记录形4.5 粘合剂和应变片的粘贴技术 4.5.1 粘合剂电阻应变片工作时，总是被粘贴到试件上或传感器的弹性元件上。在测试被测量时，粘合剂所形成的胶层起着非常重要的作用，它应准确无误地将试件或弹性元件的应变传递到应变片的敏感栅上去。所以粘合剂与粘贴技术对于测量结果有直接影响，不能忽视它们的作用。对粘合剂有如下要求：有一定的粘结强度；能准确传递应变；蠕变小；机械滞后小；5耐疲劳性能好，韧性好；长期稳定性好；具有足够的稳定性能；对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用；有适当的

25、贮存期；有较大的使用温度范围。应变片粘贴常用粘合剂及它们的性能列于表45选用粘合剂时要根据应变片的工作条件、工作温度、潮湿程度、有无化学腐蚀、稳定性要求、加温加压、固化的可能性、粘贴时间长短要求等因素考虑。并要注意粘合剂的种类是否与应变片基底材科相适应。 4.5.2应变计粘贴工艺 质量优良的电阻应变片和粘合剂，只有在正确的粘贴工艺基础上才能得到良好的测试结果，因此正确的粘贴工艺对保证粘贴质量，提高测试精度关系很大。 一、应变片检查根据测试要求而选用的应变片，要做外观和电阻值的检查，对精度要求较高的测试还应复测应变片的灵敏系数和横向灵敏度。 1外观检查 线栅或箔栅的排列是否整齐均匀，是否有造成短

26、路、断路的部位或有锈蚀斑痕；引出线焊接是否牢固；上下基底是否有破损部位。 2电阻值检查 对经过外观检查合格的应变片，要逐个进行电阻值测量，其值要求准确到0.05，配对桥臂用的应变片电阻值应尽量相同。 二、修整应变片 (1)对没有标出中心线标记的应变片，应在其上基底上标出中心线； (2)如有需要应对应变片的长度和宽度进行修整，但修整后的应变片不可小于规定的最小长度和宽度； (3)对基底较光滑的胶基应变片，可用细砂布将基底轻轻的稍许打磨，并用溶剂洗净。 三、试件表面处理 为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须将要贴应变片的试件表面部分使之平整光洁，无油漆、锈斑、氧化层、油污和灰尘等。 四、划粘贴

27、应变片的定位线 为了保证应变片粘贴位置的准确，可用划笔在试件表面划出定位线。粘贴时应使应变片的中心线与定位线对准。 五、粘贴应变片 在处理好的粘贴位置上和应变片基底上，各涂抹一层薄薄的粘合剂，稍待一段时间(视粘台剂种类而定)，然后将应变片粘贴到预定位置上。在应变片上面放一层玻璃纸或一层透明的塑料薄膜，然后用手滚压挤出多余的粘合剂、粘合剂层的厚度尽量减薄。 六、粘合剂的固化处理 对粘贴好的应变片，依粘合剂固化要求进行固化处理。 七、应变片粘贴质量的检查 1、外观检查 最好用放大镜观察粘合层是否有气泡，整个应变片是否全部粘贴牢固，有无短路、断路等危险的部位，还要观察应变片的位置是否正确。 2电阻值

28、检查 应变片的电阻值在粘贴前后不应有较大的变化。 3绝缘电阻检查 应变片电阻丝与试件之间的绝缘电阻一般应大于200。用于检查绝缘电阻的兆欧表，其电压一般不应高于250V，而且检查通电时间不宜过长，以防应变片击穿。 八、引出线的固定保护 粘贴好的应变片引出线与测量用导线焊接在一起，为了防止应变片电阻丝和引出线被拉断，用胶布将导线固定于试件表面，但固定时要考虑使引出线有呈弯曲形的余量和引线与试件之间的良好绝缘。 九、应变片的防潮处理 应变片粘贴好固化以后，要进行防潮处理，以免潮湿引起绝缘电阻和粘合强度降低，影响调试精度。简单的方法是在应变片上涂一层中性凡士林、有效期为数日。最好是石蜡或蜂蜡熔化后涂

29、在应变片表面上(厚约2mm)这样可长时间防潮。46 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿 461 温度误差及其产生原因 应变片由于温度变化所引起的电阻变化与试件(弹性敏感元件)应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量精度将无法保证。下面分析一下温度误差产生的原因。一、温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变电阻与温度关系可用下式表达：式中：Rt温度为t时的电阻值； Ro温度为t0时的电阻值； Jt温度的变化值； Rt温度变化t时的电阻变化 a敏感栅材料的电阻温度系数。将温度变化t时的电阻变化折合成应变3ta，则式中K为应变片的灵敏系数。二、试件材料与

30、敏感将材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变如果粘贴在试件上一段长度为L0的应变丝，当温度变化t时，应变丝受热膨胀至lt1而应变丝lo下的试件伸长为lt2式中：lo温度为t。时的应变丝长度； Le1温度为t时的皮变丝长度； Lt2温度为t时应变丝下试件的长度； 地t Al应变丝和试件材料的线膨胀系数； 4I温度变化t时应变丝和试件膨胀量。 由式(430)和(432)可知，如果A2和地不相等，则此和此也就不等,但是应变丝和试件是粘结在一起的，若AlAx，则应变丝被迫从d4l拉长至d2，这就使应变丝产生附加变形df4、即折算为应变引起电阻的变化为因此由于温度变化dk而引起的总电阻变化为总附加虚假应变量为由上式可知，由于温度变化而引起了附加电阻变化或造成了虚假应变，从而给测量带来误差。这个误差除与环境温度变化有关外，还与应变片本身的性能参数(火，“，A2)以及试件的线膨胀系数(地)有关。 然而，温度对应变片特性的影响，不只上述两个因素。例如将会影响粘合剂传递变形的能力等。但在一般常温下，上述两个因素是造成应变片温度误差的主要原因。 4.5.2 温度补偿方法 温度补偿方法，基本上分为桥路补偿和应变片自补偿两大类。一、桥路补偿法 桥路补偿法也称补偿