电阻式传感器-4

2.电阻值R 应变片没有粘贴也不受力时，在室温下测定的电阻值。.应变 片阻值有一个系列，如60W、120W、350W、600W和1000W，其中 以120W最为常用。 3.最大工作电流 允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。 工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会 把应变片烧毁。
K 0 1 2 m lΕ
dR R K 0
K0为单根金属丝的灵敏系数，其物理意义为：当金属丝发生单位长度变 化（应变）时，其大小为电阻变化率与其应变的比值，亦即单位应变的电阻 变化率。


金属丝式电阻应变片与半导体式应变 片的主要区别在于：前者是利用金属导体 形变引起电阻的变化，后者则是利用半导 体电阻率变化引起电阻的变化。

R R
Kx
K x x K y
R R x y 0
y
Ky
R R y
x 0
KH Ky
Kx
R R
K x x K H y


K
R / R
x

K x x m x K H

箔式应变片与丝式应变片相比具有下列优点： a.制造工艺能保证线栅的尺寸正确，线条均匀，大批生产时 电阻值离散度小，能制成任意形状以适应不同的测量要求。 电阻线栅的基长可做得很小（最小的目前已达0.2mm）； b.横向效应很小； c.允许电流大； d.柔性好、蠕变小、疲劳寿命长。可贴在形状复杂的试件上, 与试件的接触面积大，粘接牢固，能很好地随同试件变形， 在受交变载荷时疲劳寿命长，蠕变也小。 e.生产效率高。便于实现生产工艺自动化，从而提高生产率， 减轻工人的劳动,价格便宜。
1.几何尺寸 应变片的工作宽度（基宽）b是在应变片轴线相垂直的方向上， 敏感栅最外侧之间的距离；应变片的工作基长（标距）L是应变片敏 感栅在其轴线方向的长度，对于带有圆弧端的敏感栅，就是指两端圆 弧之间的距离；应变片敏感栅的有效工作面积b×L。 目前应变片最小基长为0.2mm，最长达300mm。一般生产厂家都 有一个应变片基长系列供选用。

III.划粘贴应变片的定位线 Ⅳ. 贴片 将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在 试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合 剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上， 然后盖一层玻璃纸，用手指或胶棍加压，挤出气泡 及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。 Ⅴ. 固化 粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的 物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环 周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照 工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及 电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层， 防潮层一般可采用稀释的粘合胶。

4.2.2电阻应变片的种类及特点
1.电阻丝式应变片 电阻丝式应变片的敏感元件是丝栅状的金属丝，它可以制成U型、 V型和H型等多种形状 电阻丝式应变片因使用的基片材质又可以分为纸基、纸浸胶基和 胶基等种类。

2.箔式应变片 箔式应变片的工作原理和结构与丝式应变片基本相同，但制造 方法不同。它采用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺。

Ⅵ. 粘贴质量检查 首先是从外观上检查粘贴位置 是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。 然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现 象以及测量敏感栅的绝缘电阻。 Ⅶ. 引线焊接与组桥连线 检查合格后既可焊接引 出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通 过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度 应尽量一致，且不宜过多。
第4章
4.1 4.2
4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4
电阻应变式传感器
电阻应变片的工作原理（应变效应）(掌握） 电阻应变片的结构、类型及参数（了解）
应变片的基本结构 电阻应变片的种类及特点 金属应变片的参数 应变片的粘贴技术 应变波的传播过程 应变片的极限工作频率估算
直流电桥 交流电桥 温度误差及其产生原因 温度补偿方法(1/2) 应变式压力传感器 应变式加速度传感器

8.应变极限 应当知道，应变计的线性(灵敏系数为常数)特性， 只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入 的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出 现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10% 时的真实应变值，称为应变极限，用 j表示。 100% 90% 指示应变εi

4.2电阻应变片的结构、类型及参数

4.2.1应变片的基本结构
覆盖层 引出线 基片
电阻丝
a l

＆
＆
＆ ＆ ＆
敏感栅——应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。 敏感栅合 金材料的选择对所制造的电阻应变计性能的好坏起着决定性的作 用。 基底——固定敏感栅，并使敏感栅与弹性元件相互绝缘；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 此基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。常用的基底材料有纸、 胶膜和玻璃纤维布。 引线——连接敏感栅和测量线路的丝状或带状的金属导线。 一般要求引线材料具有低的稳定的电阻率及小的电阻温度系数。 覆盖层——保护敏感栅使其避免受到机械损伤或防止高温氧化。 粘结剂——在制造应变计时，用它分别把覆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表面的 被测部位，因此它也起着传递应变的作用。
dR R
1 2 m lΕ
由式子可知电阻相对变化量是由两方面的因素决定的。一是由金属丝几 何尺寸的改变而引起，即（l+2m）项；另一是材料受力后，材料的电阻率 发生变化而引起，即lE项。对于特定的材料，（l+2m+lE）是一常数，因此， 式子所表达的电阻丝电阻变化率与应变成线性关系，这就是电阻应变计测量 应变的理论基础。

3.半导体式应变片 半导体式应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在 弹性元件或被测体上，随被测试件的应变其电阻值发生相应变化。 半导体式应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
胶膜衬底 P-Si
内引线 外引线 焊接板

4.2.3金属应变片的参数

I. 应变片的检查与选择 首先要对采用的应变片进行 外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀， 是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用 的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感 器的平衡调整带来方便。
II.试件的表面处理 为了获得良好的粘合强度，必须 对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及 疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，为了 表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲 苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注 意的是，为避免氧化，应变片的粘贴尽快进行。如 果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。
x
(1 mK H ) K x
横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横 向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片.

7.机械滞后、零漂和蠕变 机械滞后就是循环加载时，加载特性与卸载特性不 重合的现象，称为机械滞后。产生的原因主要是敏感栅、 基底和粘合剂在承受机械应变以后所留下的残余变形 。
令
dL L dr r
x — —金属的轴向应变 (纵向应变 ) y — —金属的径向应变 (横向应变 )
由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时， 沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的 关系为：
εy=-μεx
μ为金属材料的泊松系数。

金属丝电阻率的相对变化与其轴向所受应力s 有关，即
4.3 4.4 4.5
应变片的动态响应特性 （了解）
4.3.1 4.3.2
4.4.1 4.4.2 4.5.1 4.5.2
测量电路（掌握） 电阻应变式传感器的温度误差及其补偿（掌握）
4.6
应变式传感器的结构设计及应用
4.6.1 4.6.2

将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表 面上，当力、扭矩、速度、加速度及流量 等物理量作用于弹性元件时，会导致元件 应力和应变的变化，进而引起电阻应变片 电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以 电信号的方式输出，这就是电阻应变式传 感器的工作原理。
指 示 应 变 εi
卸载
Δε
加载 机械应变εR
Δε 1
图 应变片的机械滞后



机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载 时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以， 通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以 减少因机械滞后所产生的实验误差。 零漂：对于已安装好的应变片，在一定温度下，不 承受机械应变时，其指示应变随时间的变化而变化 的现象，称为应变片的零漂。产生的原因：敏感栅 通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘 结剂固化不充分等。 蠕变：在一定温度下，使其承受一恒定的机械应变 时，指示应变随时间的变化而变化的现象，称为应 变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相 反。产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使 力传到敏感栅的应变量逐渐减少。

4.1电阻应变片的工作原理



电阻应变片简称应变片，是一种能将试件上 的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其 转换原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。 所谓电阻应变效应是指金属导体（电阻丝） 的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变 的一种物理现象。 原因：因为金属丝的电阻与材料的电阻率与 其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形 的过程中，它们都要发生变化，因而引起金 属丝的电阻变化。
1
εj 真实应变εg 图 应变片的应变极限

4.2.4应变片的粘贴技术
粘合剂在很大程度上影响着应变片的工作特性，如蠕变、 滞后、零漂、灵敏度、线性以及影响这些特性随时间、温度 变化的程度。所以粘合剂的选用和粘贴工艺是很重要的问题. 传感器性能的好坏除取决于应变计外,还取决于粘合剂 的质量、粘贴方法是否正确。 应变片的粘贴通常包括下列工艺流程：表面处理（研 磨及清洗）→弹性体上底胶（涂覆或浸渍）→底胶固化→粘 贴应变片→粘贴固化→上防潮层→粘贴质量检查。