車輛檢測技術——電阻應變式傳感器

1、第二章電阻應變式傳感器第一節(jié)電阻應變式傳感器概述電阻應變式傳感器是利用金屬的電阻應變效應制造的一種測量微小變化量(機械)的 傳感器。將電阻應變片粘接到各種彈性敏感元件上，可構成測量力、壓力、力矩、位移、加 速度等各種參數(shù)的電阻應變式傳感器。它是目前用于測量力、力矩、壓力、加速度、重量等 參數(shù)最廣泛的傳感器之一。雖然新型傳感器不斷出現(xiàn)，為測量技術開拓了新的領域。但是， 由于電阻應變測試技術具有以下獨特優(yōu)點，可以預見在今后它仍將是一種主要的測試手段。(1) 這類傳感器結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；(2) 易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量、遠距測量和遙測；(3) 靈敏度高，測量速度快，適合

2、靜態(tài)、動態(tài)測量；(4) 可以測量各種物理量。因此在航空航天、機械、化工、交通、建筑、醫(yī)學、汽車工業(yè)等領域有很廣的應用。電阻應變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應變片構成。彈性敏感元件在感受被測量時將產生變形，其表面產生應變。而粘結在彈性敏感元件表面上的電阻應變片將隨著彈性敏感元 件產生應變，因此， 電阻應變片的電阻值也產生相應的變化。這樣，通過測量電阻應變片的電阻值變化，就可以確定被測量的大小了。彈性敏感元件的作用就是傳感器組成中的敏感元件，要根據被測參數(shù)來設計或選擇它的結構形式。電阻應變片的作用就是傳感器中的轉換元件，是電阻應變式傳感器的核心元件。電阻應變式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉換成

3、傳感器元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。其類型很多，常用來測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速 度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。第二節(jié)電阻應變片一材料的應變效應導電材料的電阻與材料的電阻率、幾何尺寸(長度與截面積)有關，在外力作用下發(fā)生機械變形，引起該導電材料的電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。設有一段長為I，截面積為A,電阻率為 的導體(如金屬絲)，它在未受外力時的原始電阻為：I(2-1) 式中 一一 電阻絲的電阻率，單位為Q .m ;I 電阻絲的長度，單位為 m;A 電阻絲截面積，單位為m2；當金屬絲在軸向外力F作用下，而被拉伸（或壓縮）時，其I、A和p均發(fā)生變化

4、，如圖2-1所示，因而導體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對式（2-1）兩邊取對數(shù)后再作微分，即可求得其電阻相對變化：dRdl dA dRIA(2-2)若電阻絲是圓的，貝U A2r r為電阻絲的半徑，對r微分得dA 2 rdr，則dA 2 r dr o drA2厶rr(2-3)dldr令Tx為材料的軸向應變，yr為金屬絲徑向應變。軸向應變和徑向應變的關系可表小為：yx(2-4)式中一一金屬材料的泊松系數(shù)。dA 2 r dr dr廠 2而Arr 代入式（2-2）可得:dR(12) x(2-5)對于金屬導體或半導體，上式中右末項電阻率相對變化的受力效應是不一樣的,下： 1金屬材料的應變電阻效應分別討論如勃

5、底特茲明通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對變化與其體積相對變化之間有 如下關系：J cdVV(2-6)式中c由一定的材料和加工方式決定的常數(shù);dV dlV ldAA(12) x(2-7)代入式(2-5)，并考慮到實際上R/R，故可得dRR(12 )C(12 ) x Km x(2-8)式中 Km (12 )C(12 )金屬絲材的應變靈敏系數(shù)(簡稱靈敏系數(shù))。上式表明：金屬材料的電阻相對變化與其線應變成正比。這就是金屬材料的應變電阻 效應。對于金屬材料，Ko Km (1 2 ) C(1 2 )?？梢娝蓛刹糠纸M成：前部分為受 力后金屬絲幾何尺寸變化所致，一般金屬卩0.3，因此(1+2卩)-1.

6、6;后部分為電阻率隨應變而變的部分。以康銅為例，C 1, C(1-2卩)疋0.4,所以此時K0=Km疋2.0。顯然，金屬絲材的應變電阻效應以結構尺寸變化為主。對其他金屬或合金,Km=1.84.8。2半導體材料的應變電阻效應史密茲等學者很早發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發(fā)生 變化，這種現(xiàn)象就稱為壓阻效應。半導體材料的壓阻效應：(2-9)式中：（T 作用于材料的軸向應力；n 半導體材料在受力方向的壓阻系數(shù)；E半導體材料的彈性模量。同樣，將式（2-9）代入式（2-5），并寫成增量形式可得：R 1 2 E x Ks xR （2-10）式中Ks 1 2E 半導體材料的應變靈敏系數(shù)

7、。 實際情況并非如此簡單。 當硅膜片承受外應力時，必須同時考慮其縱向（擴散電阻長度方向）壓阻效應和橫向（擴散電阻寬 度方向）壓阻效應。由于擴散型力敏傳感器的擴散電阻厚度（即擴散深度）只有幾微米，其垂直 于膜片方向的應力遠比其他兩個分量小而可忽略。綜合式（2-8）和式（2-10）可得半導體絲材的應變電阻效應為：Ko x(2-11)式中Ko半導體絲材的靈敏系數(shù)。對于半導體材料 Ko=Ks =（1+2 口 ）+ n E。它也由兩部分組成：前部分同樣為尺寸變化所致；后部分為半導體材料的壓阻效應所致，而且n E>>（1+2 口 ），因此半導體絲材的Ko=Ksn E?？梢?，半導體材料的應變電阻

8、效應主要基于壓阻效應。通常Ks=（5080）Km。二電阻應變片的結構2-2給出了絲式、箔式電阻應變片的結構形式很多，但其主要組成部分基本相同。圖 和半導體三種典型應變片的結構形式及其組成。5/ / (防圖2-2典型應變計的結構及組成2基底3 引線4蓋層（a） 絲式（b）箔式（c）半導體 1 敏感柵5 粘結劑6 電極電阻絲應變片是用直徑為 0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值， 將電阻絲排列成柵網狀， 稱為敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線。敏 感柵上面粘貼有保護用的覆蓋層。如圖 2-2所示。1敏感柵：應變計中實現(xiàn)應變-電阻轉換的敏感元件。它通常由直徑為0.

9、0150.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。圖中I表示柵長，b表示柵寬。其電阻值一般在100Q以上。2基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結劑將其固結在紙質或膠質 的基底上。應變計工作時，基底起著把試件應變準確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必 須很薄，一般為 0.02-0.04mm。有用專門的薄紙制成的基片稱為紙基。有用粘結劑和有機樹脂薄膜制成的膠基。0.13引線：它起著敏感柵與測量電路之間的過渡連接和引導作用。通常取直徑約 0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。4蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層；起著防潮、防蝕、防損等作用。5粘結劑：在制造

10、應變計時，用它分別把蓋層和敏感柵固結于基底；在使用應變計時, 用它把應變計基底再粘貼在試件表面的被測部位。因此它也起著傳遞應變的作用。三 應變片的種類、材料及參數(shù)1金屬絲式應變片2-3所示。ii.n(hi金屬絲式應變片有回線式和短接式二種，如圖圖 2-3 絲式應變片結構回線式應變片是將電阻絲繞制成敏感柵粘結在各種絕緣基底上而制成的，它是一種常 用的應變片。其敏感柵材料直徑在 0.012-0.05mm 之間，以 0.025mm 左右為最常用。其基底 很薄 (一般在 0.03mm 左右 ) ，粘貼性能好，能保證有效的傳遞變性。引線多用直徑的鍍錫銅線與敏感柵相連接。其制作簡單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘

11、貼，但其應變橫向 效應較大。常見的回線式應變片構造如圖 2-3(a)(c) 所示。短接式應變片兩端用直徑比柵線直徑大510倍的鍍銀絲短接起來而構成。優(yōu)點是克服了橫向效應，但制造工藝復雜。常用材料：康銅、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金以及鉑、鉑烏 合金等。短接式應變片構造如圖 2-3(b)(d) 所示。2 金屬箔式應變片它是利用照相制版或光刻技術將厚約 0.0030.01mm 的金屬箔片制成所需圖形的敏感 柵，也稱為應變花。如圖 2-4 所示。它具有很多優(yōu)點：圖 2-4 金屬箔式應變片 可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵，其柵長I可做到0.2mm，以適應不同要求; 與被測件粘貼結面積大； .散熱條件好，

12、允許電流大，提高了輸出靈敏度； .橫向效應小，可以忽略。 .蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。缺點：電阻值的分散性比金屬絲的大，有的相差幾十歐姆，需做阻值調整。在常溫下， 金屬箔式應變片已逐步取代了金屬絲式應變片。3 金屬薄膜應變片薄膜應變片是薄膜技術發(fā)展的產物。它是采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕 緣基片上形成厚度在 0.1卩m以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最后加上保護層。優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達197317C缺點：難于控制電阻與溫度和時間的變化關系。4 半導體應變片半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的電阻率隨作用應力而變化的所謂壓阻效應”所有材料在某種

13、程度上都呈現(xiàn)壓阻效應，但半導體的這種效應特別顯著，能直接 反映出很微小的應變。常見的半導體應變片是用鍺和硅半導體材料作為敏感柵，一般為單根狀，如圖2-5所示。根據壓阻效應，半導體和金屬絲一樣可以把應變轉換成電阻的變化。半導體應變片的優(yōu)點是尺寸、橫向效應、機械滯后都很小，靈敏系數(shù)極大，因而輸出也 大，可以不需放大器直接與記錄儀器連接，使得測量系統(tǒng)簡化。 它的缺點是電阻值和靈敏系數(shù)隨溫度穩(wěn)定性差，測量較大應變時非線性嚴重；靈敏系數(shù)隨受拉或壓而變，且分散度大， 一般在(3-5)%之間，因而使得測量結果有 (土 3-5)%的誤差。四電阻應變片的主要特性1靜態(tài)特性為了正確選用電阻應變片，應該對影響其工作

14、特性的主要參數(shù)進行了解。 靈敏系數(shù)(K)當具有初始電阻值 R的應變計粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應變，將傳遞給應變計的敏感柵，使其產生電阻相對變化R/R。實驗證明，在一定的應變范圍內，有下列關系：R/R K x(2_12)式中& x應變片軸向應變；K=( A R/R)/ & X應變片的靈敏系數(shù)。它表示：安裝在被測試件上的應變片，在其軸向受到單向應力時引起的電阻相對變化(A R/R)，與此單向應力引起的試件表面軸向應變 (& x)之比。必須指出，應變片的靈敏系數(shù)K并不等于其敏感柵整長應變絲的靈敏系數(shù)Ko, 般情況下，Kv Ko。這是因為，在單向應力產生雙向應變的情

15、況下，K除受到敏感柵結構形狀、成型工藝、粘結劑和基底性能的影響外， 尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。 應變計的 靈敏系數(shù)直接關系到應變測量的精度。 因此，K值通常采用從批量生產中每批抽樣， 在規(guī)定 條件下通過實測確定一一即應變計的標定；故K又稱標定靈敏系數(shù)。金屬應變計的敏感柵通常都呈柵狀。它由軸向縱柵和圓弧橫柵兩部分組成，如圖2-5(a)所示。由于試件承受單向應力b時，其表面處于平面應變狀態(tài)中，即軸向拉伸& x和橫向收縮& y。粘貼在試件表面上 的應變計，其縱柵和橫柵各自主要分別敏感£x和& y,如圖2-5(b)。從而引起總的電阻相對變化為：(h)2-5

16、(a)應變計敏感柵的組成；(b)橫向效應RKx xRKy y Kx(1 aH ) x(2-13)式中：Kx縱向靈敏系數(shù)，它表示當橫向靈敏系數(shù)，它表示當£xmy = 0時，單位軸向應變£ x引起的電阻相對變化;=0時，單位橫向應變& y引起的電阻相對變化；Kya y/ x雙向應變比；H Ky/Kx雙向應變靈敏系數(shù)比。式(2-13)為一般情況下應變-電阻轉換公式。它表明:在標定條件下，有a y/ x0，則:R/R Kx(10H ) x k x(2-14)式中：k Kx(1 oH)由式(2-14)可見，在單位應力、雙向應變情況下，橫向應變總是起著抵消縱向應變的作 用。應變

17、計這種既敏感縱向應變，又同時受橫向應變影響而使靈敏系數(shù)及相對電阻比都減小 的現(xiàn)象，稱為橫向效應。其大小用橫向效應系數(shù)H(百分數(shù))來表示，即：(2-15)由于橫向效應的存在， 在非標定條件下(即試件取泊松比卩工0.285的一般材料；主 應力與應變計軸向不一致， 由此引起的應變場為任意的& x和£ y),倘若仍用標定靈敏系數(shù) K 的應變計進行測試，將會產生較大誤差；其相對誤差為：若單向應力與應變計軸向一致，則有a)(2-16)a=-卩，則式（2-16）變成:(2-17)由此可見，要消減橫向效應產生的誤差，有效的辦法是減小橫向效應系數(shù)0理論分析和實驗表明：對絲繞式應變計，縱柵10愈

18、長，橫柵r愈小，則h愈小。因此，采用短接式或直角式橫柵見圖2-3（b）、（d），可有效地克服橫向效應的影響。箔式應變計（花）見圖2-4就是據此設計的。 機械滯后（Zj）實用中，由于敏感柵基底和粘結劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會使應變計 產生殘余變形，導致應變計輸出的不重合。這種不重合性用機械滯后（Zj）來衡量。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量（輸出）之差值，見圖2-6所示。通常在室溫條件下， 要求機械滯后ZjV 3 10卩£。實測中，可在測試前通過多次重復預加、卸載，來減小機械滯后產生的誤差。 蠕變（

19、0 ）和零漂（Po）粘貼在試件上的應變計，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時間單向變化的特性稱為蠕 變。如圖2-7中0所示。圖2-5 （a）應變計敏感柵的組成；（b）橫向效應當試件初始空載時， 應變計示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖2-7中的P0所示。蠕變反映了應變計在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性，通常要求0V 315卩s。引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內部產生的內應力和工作中出現(xiàn)的剪應力，使絲柵、基底，尤其是 膠層之間產生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結劑和基底材料，適當減薄膠層和基 底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。1 機械彈變屮曰II000時間圖2-6應變計的機械滯后

20、特性圖2-7應變計的蠕變和零漂特性應變極限（& lim）應變片的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應變限度范圍內才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到10%時的真實應變值，稱為應變極限& lim。如圖2-8所示。應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要求£ lim > 8000卩£ o影響£ lim的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。圖2-8應變片的應變極限特性2動態(tài)特性實驗表明，機械應變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當它依次通過一 定厚度的基底、膠層（兩者都很薄，可忽略不計）和柵長I而為應變計所響應時，就會有時間 的遲后。應變計的這種響應遲后對動態(tài)（高頻）應變測量，尤會產生誤差。應變計的動態(tài)特性就是指其感受隨時間變化的應變時之響應特性。 對正弦應變波的響應應變片對正弦應變波的響應是在其柵長I范圍內所感受應變量的平均值。因此，響應波的幅值將低于真實應變波，從而產生誤差。圖2-9表示一頻率為f，幅值為£ o的正弦波，以速度v沿著應變計縱向x方向傳播時，在某一瞬時 t的分布圖。應變片中點 xt的瞬時應變osin(2