1、第2章 電阻應變式傳感器 Resistance Strain Gage傳感器原理及應用Principle and Application of Sensors每課一新傳感器介紹美研制“武士”傳感器美國陸軍正在研制一種可嵌入未來“武士”軍服內的傳感器系統，指揮官和醫護人員可通過這個系統監測“武士”們的生理狀態。該項研究將產生下一代戰斗軍服，內嵌有可配置的微型無線傳感器群。目前的試驗傳感器可監測心跳、步行（行軍）的代謝能量消耗、內層皮膚溫度以及靈敏或遲鈍情況。未來的傳感器將把數據傳送到一個中央集線器設備，該設備做成呼機大小，佩帶在士兵皮帶上，形成一個低功率的無線個人局域網。傳感器的數據提供關于士兵

2、體力消耗、生理壓力和警覺程度等的信息。 電阻應變式傳感器概述工作原理：金屬絲、箔、薄膜在外界應力 作用下電阻值變化的效應電阻應變效應結構簡單，使用方便可測力、壓力、位移、應變、加速度等物理量；彈性敏感元件力、壓力、位移電阻應變片電橋電路RU易于實現自動化、多點及遠距離測量、遙測；靈敏度高，測量速度快，適合靜態、動態測量；應變片用于各種電子衡器 磅秤電子天平材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試 汽車衡稱重系統汽車衡2.1 電阻應變片的工作原理金屬的電阻應變效應 金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發生相應的變化的現象稱為金屬的電阻應變效應。金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。應變電

3、阻傳感測量原理應變片產生微小變形電阻值變化測得應變值求得應力值外力F傳感器的組成以測量汽車油箱中汽油液位的裝置為例 工作原理及分類電阻應變式傳感器的工作原理是將電阻應變片粘貼到各種彈性敏感元件上，使物理量的變化變成應變片的應力、應變變化，從而變成電阻值變化。 根據應變片的材料不同，可分為三種電阻絲應變片半導體應變片應變片的基本結構 電阻應變片式傳感器是目前用 于測量力、力矩、壓力、加速度、質量等參數最廣泛的傳感器之一。其基本結構與組成如左圖示意。電阻絲(敏感柵)轉換元件基底與面膠中間介質和絕緣作用蓋層引線-連接測量導線之用結構形式敏感柵敏感柵用來感受應變并轉換為電阻的變化。金屬絲電阻應變片的敏

4、感柵由具有高電阻率的金屬絲(康銅或鎳鉻合金等，直徑0.0150.05mm左右)繞成。 上式S為常數，通常很小，為了得到較大的R，就必須增大R值。結構形式金屬箔式電阻應變片的敏感柵是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬柵采用光刻技術制造，適于大批量生產。其線條均勻，尺寸準確，阻值一致性好。箔片厚約1um10um，散熱好，黏結情況好，傳遞試件應變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應變片。結構形式基底和覆蓋層基底和覆蓋層的作用是保持敏感柵的幾何形狀及敏感柵與被測試件之間的電絕緣，并起著防潮、防蝕、防損等作用。引線引線起著敏感柵與測量電路之間過渡連接和引導的作用。粘結劑粘結劑的作用是把覆蓋層和敏感柵固結

5、在基底上。使用時，把應變片基底再粘貼在試件表面的被測部位。優點：結構簡單，體積小，使用方便，性能穩定、可靠；靈敏度高，精確度高，測量速度快，適合靜態、動態測量； 易于實現測試過程自動化和多點同步測量，以及遠距測量和遙測；可測多種物理量，如：位移、加速度、力、力矩、壓力等。 （一）電阻應變效應金屬絲的電阻： 電阻相對變化：金屬絲的軸向應變；金屬絲的徑向應變（ dS /S=2dr/r） ； 泊松系數；(Poisson ratio)電阻相對變化： 式中：K 金屬絲的靈敏系數；(gage factor)令：在金屬絲的彈性范圍內，靈敏系數KS 為常數，即 ： 線性關系通常很小，常用10-6表示之。例如，

6、當 為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應變測量中，也常將之稱為微應變()。對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。K的大小受兩個因素影響：一是1+2u，由電阻絲尺寸決定的；另一個是 ，它表示為電阻率隨應變的變化，稱為壓阻效應。K是個常數，數值在1.62.0之間。x是一個無量綱的數，其值很小，常用微應變u來表示。一個u相當于長度為1m的試件變形1um。1um=1*10-6.1.電阻絲式應變片 (bonded metal-wire gage) 直徑在0.0120.05mm的金屬絲；2.金

7、屬箔式應變片(bonded metal-foil gage)厚度在0.0010.01mm的金屬箔；箔式應變片原理： 它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應變片；優點：敏感柵尺寸準確，線條均勻；其彎頭橫向效應可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長；生產效率高；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、熱穩定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，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。還可以對金屬箔式應變片進行適當的熱處理，使其線脹系數、電阻溫度系數以及被粘貼的試件的線脹系數三者相互抵消，

8、從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。2.2.3 應變片的材料1.敏感柵材料 對敏感柵的材料的要求：應變靈敏系數大，并在所測應變范圍內保持為常數；電阻率高而穩定，以便于制造小柵長的應變片；電阻溫度系數要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強； 在工作溫度范圍內能保持足夠的抗拉強度； 加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材； 易于焊接，對引線材料的熱電勢小。 常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。材料名稱化學成分%電阻率/(mm/m)電阻溫度系數/（10-6/）靈敏系數Ks線膨脹系數/（10-6/）最高使用溫度/康銅Cu55Ni450.45

9、0.52202.015250(靜態)400(動態)鎳鉻合金Ni80Cr201.01.11101302.12.314450(靜態)800(動態)卡瑪合金6J22Ni74,Cr20Al3,Fe31.241.42202.42.613.3450(靜態)800(動態)伊文合金6J23Ni75,Cr20Al3,Cu21.241.42202.42.613.3450(靜態)800(動態)鐵鉻鋁合金Fe余量Cr26,Al5.41.31.530402.614550(靜態)1000(動態)鉑鎢合金Pt90.591.5W8.59.50.740.761391923.03.29800(靜態)1000(動態)鉑Pt0.09

10、0.1139004.69800(靜態)1000(動態)鉑銥合金Pt80,Ir200.35901.013800(靜態)1000(動態) 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護敏感柵。基底的全長稱為基底長，其寬度稱為基底寬。 基底材料有紙基和膠基。膠基由環氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.030.05mm2.基底材料3.黏合劑材料 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應變片時，也需用粘結劑將應變片基底粘貼在構件表面某個方向和位置上。以便將構件受力后的表面應變傳遞給應變計的基底和敏感柵。 常用的粘結劑分為有

11、機和無機兩大類。有機粘結劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機硅樹脂，聚酰亞胺等。無機粘結劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。類型主要成分牌號適于黏合的基底材料最低固化條件固化壓力/104Pa使用溫度/硝化纖維素黏合劑硝化纖維素溶劑萬能膠紙室溫10小時或602小時0.515080氰基丙烯酸黏合劑氰基丙烯酸酯501，502紙、膠膜、玻璃纖維布室溫1小時粘合時指壓10080聚酯樹脂黏合劑不飽和聚酯樹脂、過氧化環已酮、萘酸鈷干料膠膜、玻璃纖維布室溫24小時0.30.550150環氧樹脂類黏合劑環氧樹脂、聚硫酚銅胺、固化劑914膠膜、玻璃纖維布室溫2.5小時粘合時指壓608

12、0酚醛環氧、無機填料、固化劑509膠膜、玻璃纖維布2002小時粘合時指壓100250環氧樹脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等J06-2膠膜、玻璃纖維布1503小時2196250酚醛樹脂類黏合劑酚醛樹脂、聚乙烯醇縮丁醛JSF-2膠膜、玻璃纖維布1501小時1260150酚醛樹脂、聚乙烯醇縮甲乙醛1720膠膜、玻璃纖維布1903小時60100酚醛樹脂、有機硅J-12膠膜、玻璃纖維布2003小時60350聚酰亞胺黏合劑聚酰亞胺30-14膠膜、玻璃纖維布2802小時13150250磷酸鹽黏合劑磷酸二氫鋁無機填料GJ-14LN-3金屬薄片、臨時基底4001小時550P1064003小時700氧化物噴涂二氧化二

13、鋁金屬薄片、臨時基底8004.引線材料是從應變片的敏感柵中引出的細金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數敏感柵材料都可制作引線。2.3應變片的主要參數1.應變片電阻值（R0）電阻應變片的電阻值為60、120、350，500和1000 等多種規格，以120最為常用。應變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓也大，相應地應變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應盡量選用高阻值應變片。2.絕緣電阻(敏感柵與基底間電阻值：要求1010歐姆； K為金屬應變片的靈敏系數。注意，K是在試件受一維應力作用，應變片的軸向與主應力方向一致，且試件材料

14、的泊松比為0.285的鋼材時測得的。測量結果表明，應變片的靈敏系數K恒小于線材的靈敏系數KS。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應也是一個不可忽視的因素。 3.應變片的靈敏系數（K）金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數KS表示。當金屬絲做成應變片后，其電阻應變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變在很寬的范圍內均為線性關系。即4.機械滯后 應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機械滯后。產生原因：應變片在承受機械應變后，其內部會產生殘余變形，使敏感柵電阻發

15、生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，如果敏感柵受到不適當的變形或者粘結劑固化不充分。1機械應變卸載加載指示應變i應變片的機械滯后 機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產生的實驗誤差。 對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的零點漂移。產生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內應力逐漸變化；粘結劑固化不充分等。5.零漂和蠕變如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變。一般蠕變的方向與原應

16、變量的方向相反。產生原因：由于膠層之間發生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。這是兩項衡量應變片特性對時間穩定性的指標，在長時間測量中其意義更為突出。實際上，蠕變中包含零漂，它是一個特例。6.應變極限、疲勞壽命 在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。在圖中，真實應變是由于工作溫度變化或承受機械載荷，在被測試件內產生應力(包括機械應力和熱應力)時所引起的表面應變。lim真實應變z指示應變i10%1主要因素：粘結劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質量。制造與安裝應變片時，應選用抗剪強度較高的粘結劑和基底材料。基底和粘

17、結劑的厚度不宜過大，并應經過適當的固化處理，才能獲得較高的應變極限。疲勞壽命指對已粘貼好的應變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續工作而不產生疲勞損壞的循環次數。7.允許電流：靜態25mA,動態：75100mA；2-3 半導體應變片一、壓阻效應半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。所謂壓阻效應，是指半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發生變化的現象。半導體應變片的電阻變化可由下式表示：半導體應變片電阻率變化引起的/遠大于由幾何變形引起的(1+2)，其電阻變化率為：半導體應變片的靈敏度為：-應力；E-半導體材料的彈性模量；-沿半導體小條縱向的應變。二、半導體應變片的結構特點

18、半導體應變片分為兩類：體型半導體應變片體型半導體應變片是將半導體單晶硅或者鍺加工成條狀，在兩端焊上引線后粘貼在膠膜基地上即成。擴散型半導體應變片擴散型半導體應變片是在電阻率很大的單晶硅支持片上，定域擴散一層P型或N型雜質，形成極薄的導電層，焊上電極即成。二、半導體應變片的結構特點因為半導體應變片的兩個缺點，在使用半導體應變片時，必須進行溫度補償和非線性補償，為此研制了相應的補償型半導體應變片：溫度自補償式半導體應變片靈敏系數補償式應變片二、半導體應變片的結構特點半導體應變片的突出特點是靈敏度高，可測微小應變。半導體應變片的另一個特點是體積小，結構簡單，機械滯后小，耗電少。半導體應變片的缺點：電

19、阻溫度系數大，對環境溫度的變化敏感；測量大應變時靈敏度的非線性嚴重。3-3 電阻應變式傳感器及其應用將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應變或應力。將應變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。用來測量力、位移、壓力、加速度、扭矩等物理參數。一、電阻應變式測力傳感器（一）電阻應變式力傳感器的結構電阻應變式力傳感器按彈性元件結構形式的不同，可分為柱式、環式、梁式等幾種。柱式力傳感器柱式力傳感器分圓筒形和圓柱形兩種，其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變片。實心圓柱可以承受較大的載荷，但靈敏度較低，為了提高靈敏度，特別是在小集中應力測量時常采用空心圓筒。柱式力傳感器主要用來測

20、量拉力和壓力。測量范圍幾千牛頓到幾兆牛頓，精度可達（0.3%0.5%）。環式力傳感器環式彈性元件的結構如圖。環式彈性元件受力后產生彎曲變形，根據彎曲情況畫出彎矩圖。當彈性元件的材料和尺寸確定后，彎矩M和應變成正比，彎矩最大的地方應變最大。由彎矩圖可知，在外力作用下環上各點的應力差別很大。應變為零的點稱為應變節點。環式力傳感器的結構如圖。環式力傳感器精度高，穩定性好，可拉壓兩用，測量范圍幾百牛頓到零點幾兆牛頓，精度可達0.05%。環式力傳感器使用時上下受力必須是線接觸，如果是面接觸，將產生非線性誤差。環式力傳感器靜態測量：要求彈性體剛度小，反作用力小，動態測量：固有頻率高，動態響應好測點位移 測

21、桿 彈簧伸長 懸臂梁彎曲1、測點；2、懸臂梁；3、彈簧；7、應變片測點的位移：x=x1+x2 x1-懸臂梁自由端的位移， x2-彈簧的伸長量。3.位移傳感器若選k2k1，能使懸臂梁的端點位移很小，而測量的位移卻很大，還能保持很好的線性關系。2-擴散電阻；3-硅梁；4-質量塊m質量塊受到加速度a的作用時，加速度產生力f=ma，懸臂梁受到彎矩作用產生應變力，上表面延展性變形。特點：結構簡單，外形小巧，性能優越，集成度高，可測低頻加速度應用：航空-風洞試驗，過載加速度，振動 工業-汽車振動參數測試（0Hz），主動式消振器 建筑-建筑物晃動，大橋橋梁擺動，加速度質量塊彎矩應變MEMS：微型電子機械系統

22、技術-微型壓阻式傳感器4.加速度傳感器應變式傳感器實例 應變式壓力傳感器 應變式力傳感器 2.4應變片的應用2.4.1應變片的選擇應變片類型的選擇2.材料的選擇3.阻值的選擇4.尺寸的選擇 2.4.2應變片的使用 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。 3.測量 ： 從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發現端子折斷和壞的應變片。

23、 4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。 2.5 轉換電路應變片將應變的變化轉換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，才能用電路測量儀表進行測量。電阻應變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋。2.5.1恒壓源直流電橋如圖所示。電源E為恒壓源，其內阻為零。根據電路學中的克希霍夫定律，列出電路方程：R2R4R1R3Ui恒壓電橋電路原理圖RLACDILB式中 RL為負載電阻，因而其輸出電壓UL為:聯立求解上述方程，求出檢流計中流過的電流Io為:當R1R4=R2R3時，IL=0，UL=0，即電橋處于平衡狀態。若電橋的負載電阻RL為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為:設R1為應變片的阻值，工作時R1有一增量R1，當為拉伸應變時，R1為正；壓縮應變時，R1為負。在上式中以R1+R1代替R1，則(2-12)由于R1 R1 ,略去(2-13)分母中的 R1 /R1得：整理得：(2-13)定義橋臂比：(2-14) (2-15) 當dKU/dn=0時， dKU最大，此時n=1； 即R2=R1；R4= R3當n=1時，電橋為等臂電橋，其輸出電壓為： (2-16)定