电阻应变式传感器

t — 敏感栅材料的电阻温度 系数 s — 试件材料的线膨胀系数 ， 1/ 0C t — 敏感栅材料的线膨胀系 数， 1/ 0C
t — 环境温度变化量
热输出εt 定义为：当应变片安装在某一线膨胀系 数的试件上，试件可自由膨胀，并不受外力作用， 在缓慢升(或降）温的均匀温度场内，由温度变化引 起的指示应变。其表达式为：
欲使εt减小，则应使αt的值小，k值大，βs和βf 接近或相等。
实际中，温度变化所引起的热输出较大，有时会 超过被测量值而造成较大误差。
例如粘贴在钢件上的康铜电阻丝应变片，其灵敏系 数k=2.0，αt=2O×l0-6/℃，βf =15×l0-6/℃，钢 件线膨胀系数βs=11×l0-6/℃ ，当环境温度变化 Δt=10℃时，应变片热输出为：
(a )
Байду номын сангаас
(b)
(c)
箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很 薄的金属薄栅（厚度一般在 0.003 ～ 0.01mm ）。与丝 式应变计相比有如下优点: (1)工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大 批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型 小基长（如基长为0.1 mm）的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在 相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状 箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。 (6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。
第五章 电阻应变式传感器
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 概述 金属电阻应变片的结构和类型 金属电阻应变片工作原理 误差分析 分类 应变片命名规则 应变片的主要特性及参数 电阻应变片的选用和粘贴 应变片测量电路 半导体应变片 电阻应变片式传感器的应用
(a )
(b )
(c)
(d )
(e)
(f)
几种箔式应变计
薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄 的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到 几百纳米）, 再加上保护层制成。 其优点是灵敏度高, 允许通过的电流密度大, 工作温度范围广, 可工作于197～317°C, 也可用于核辐射等特殊情况下。
5.1
概述
•电阻应变式传感器是一种利用电阻应变效应，将各 种力学量（压力、荷重、扭力等）转换为电信号的 结构型传感器。 •分类：电阻丝应变片、半导体应变片 •组成:电阻应变片和测量电路。电阻应变片 (计 )是 电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于 材料的电阻应变效应，电阻应变片既可单独作为传 感器使用，又能作为敏感元件结合弹性元件构成力 学量传感器。
丝式 体形 金属属性 箔式 薄膜型 体型 薄模型 半导体式 扩散型 外延型
纸基 胶基
应变计
Pn结及其它形式
半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其 他形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式等。 丝式应变计是最早应用的品种。 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角 , 如图所 示。 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形 式, 制作简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用 较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工 艺复杂 , 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优 越的箔式应变计所代替。
GB——半桥片
FG——全桥片
KA——圆片
材料线膨胀系数:铜Cu——11
铝Al——23
不锈钢——16
可自补偿蠕变标号: T5 N2 T3 N4 T1 N6 T8 N8 T6 N0 T4 N1 T2 N3 T0 N5 N7 N9
蠕变由负到正。 举例: B F 350-3 AA 23 T0 （箔式, 酚醛类基 底材料, 标称电阻350 Ω, 应变计栅长 3 mm, 单轴片, 材料线膨胀系数铝Al——23, 可自补偿 蠕变标号T0。 ）
当温度变化Δt,
表示：
应变片电阻的增量ΔRt可用下式
ΔRt=RοαΔt+RοK(α1- α2)Δt = Rο[α+K(α1- α2]Δt 令 αt= α+K(α1- α2) 则： ΔRt= RοαtΔt 3、蠕变 与粘贴相关，基片、粘合剂、被测件材料需相适 应。否则不能将被测件表面变形准确地传递给应变 片。 另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘 电阻，最大电流。
1、金属丝式应变片 •金属丝式应变片的敏感 栅由金属丝绕制而成。金 属丝材料为电阻率ρ大而 电阻温度系数小的材料。 丝式应变片的规格一般以 使用面积(L*b)和敏感栅 的电阻值来表示。阻值一 般在50～10OOΩ范围内， 常用的为12OΩ。
2、金属箔式应变片 •箔式应变片的敏感 栅通过光刻、腐蚀等 工艺制成，可根据需 要制成任意形状，具 有表面积大、散热性 好、允许电流大、便 于成批生产等优点。
5.2
金属电阻应变片的结构和类型
•常用金属应变片有:金属丝式应 变片、箔式应变片以及金属薄膜 应变片等。 •金属电阻应变片的基本结构如图 5-1所示，它由盖层、敏感栅、基 底及引线四部分组成。敏感栅可 由金属丝、金属箔制成，它是转 换元件，它被粘贴在基底上。用 图5－1 应变计的结构及构成 粘合剂粘贴在传感器弹性元件或 (a)丝式；(b)箔式 1－敏感栅；2－基底；3－引线； 试件上的应变片通过基底把应变 4－盖层；5－粘结剂 传递到敏感栅上，同时基底起绝 缘作用。盖层起绝缘保护作用。 焊接于敏感栅两端的引线作连接 测量导线之用。
5.5
分类
应变计有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几 百 mm, 短的仅 0.2 mm; 由结构形式上看 , 有单片、 双片、应变花和各种特殊形状的图案 ; 就使用环 境上说, 有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁 场等 ; 而安装形式 , 有粘贴、非粘贴、焊接、火 焰喷涂等。 主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将 应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元 件的形态又可进一步分类如下:
3、金属薄膜应变片 •金属薄膜应变片是采用真空溅射或真空沉积的方法 制成，它将可产生形变的金属或合金直接沉积在弹性 元件上而不用粘合剂。这样应变片的性能更好，灵敏 度高。所谓薄膜指厚度在0.1µ m以下的金属膜。厚度 在25µ m左右的称厚膜箔式应变片即属厚膜。
5.3
金属电阻应变片工作原理
1、电阻应变效应 金属电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应。导体 的电阻随着机械变形而发生变化的现象称为电阻应变效 应。 电阻丝较细 , 一般在 0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗 的低阻镀锡铜丝（ 0.1~0.2mm ） 4 作为引线 , 以便与测量 电路连接。图中, l称为应变计的标距 , 也称（基）栅长, b称为（基）栅宽, l×b称为应变计的使用面积。
5.4
误差分析
1、横向效应 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长 作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使 所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。 弯曲半径越大，横向效应也越大 •通过改变电阻丝排列的形状可减小之。 2、温度影响 由于环境温度改变引起电阻值变化，由电阻丝温 度系数α引起；由电阻丝与被测件材料的线膨胀系 数α1、α2的不同引起的。
4
3 b 2 1
l
电阻应变计构造简图
2、工作原理:应变效应 • 设有一根圆截面的金属电阻丝如图 5-2 所示。其 原始电阻为：
l R
图5－2 金属电阻丝受拉变形
S
受力后各部分的变化引起电阻的变化
l dR dl 2 dS d S S S dR dl dS d R l S 或 l S R l S R
5、温度效应及热输出εt 应 变 片 粘 贴 到 试 件 上，由于环境温度变 化的影响，将使电阻 产生相对变化，这种 现象称为应变片的温 度效应。由温度变化 引起的应变输出称为 热输出。
t (R / R)t / k [ t / k ( s f )]t
式中（R / R) t — 应变片由温度所引 起的总的电阻相对变化 k — 应变片灵敏系数
r r
泊松系数
太小，可忽略
μ =0.3～0.5
K =1.6 ～ 2
ε =10-6 ～ 10-3
•灵敏度系数K的意义：单位应变所引起的电阻相对 变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。 3、结论 •金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。
4、特点
优点: 缺点: 稳定性和温度特性好. 灵敏度系数小.

l
对于直径为d的圆形截面电阻丝： r 2 r4 S ( ) 2 4
dS

4
dr
2

S r l 2 2 2 4 r S r l 4 R l l 2 R l l R l (1 2 ) k R l

2
rdr
•实际中常用的补偿方法有两种
1)桥路补偿法.用于常温下的测量 2)使用温度有补偿应变片，用于高温下的测量。
5.8
电阻应变片的选用和粘贴
应变计的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作 用。应变计通常是用粘合剂贴到试件上的 , 在做应 变测量时, 是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的 应变准确无误地传递到应变计的敏感栅上去的。因 此, 粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应 变计的工作情况 , 影响测量结果的正确性。所以 , 应变计粘合剂不但要求粘接力强, 而且要求粘合层 的剪切弹性模量大, 能真实地传递试件的应变。另 外, 粘合层应有高的绝缘电阻、良好的防潮性防油 性能以及使用简便等特点。
k k
3、允许工作电流Imax 又称最大工作电流，指允许通过应变片而不影响其 工作特性的最大电流值 Imax 。确定 Imax 值是由多种因 素综合考虑的结果，一般由厂家提供。丝式应变片 通常规定为 25mA ，但对动态测量或使用箔式应变片 时可取得大一些。另外，选取 Imax值时还应考虑被测 构件材料导热性的好坏。 4、应变极限εlim 应变片所能测量的最大应变值称为应变极限。一般 认为，在室温条件下，指示应变降低到试件的真实 应变的 90%时，应变片就已开始失去工作能力，此时 应变片能测试应变的最大值即应变极限。