第三章應變傳感器

1、3.1 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器3.2 薄膜應變電阻及傳感器薄膜應變電阻及傳感器3.3 電阻應變傳感器使用中的注意問題電阻應變傳感器使用中的注意問題第三章第三章 應變傳感器應變傳感器應變傳感器應變傳感器力學量分為：l幾何學量：幾何學量：位移、形變、長度、厚度等；l運動學量：運動學量：速度、加速度、角加速度等；l力學量：力學量：力、應力、壓力等。 測量這些物理量的器件成為力學傳感器或應或應變傳感器。變傳感器。3.1 電阻應變傳感器電阻應變傳感器電阻應變片電阻應變片+彈性元件彈性元件 用于測量位移、加速度、力、力矩、壓力等用于測量位移、加速度、力、力矩、壓力等 應用于應用于航空、機械、電力

2、、化工航空、機械、電力、化工等領域等領域電阻應變效應：電阻應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短伸長或縮短)的變化的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。而發(fā)生變化的現(xiàn)象。應變片壓阻效應：應變片壓阻效應：半導體材料在受到外力作用時，其半導體材料在受到外力作用時，其電阻率電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象發(fā)生變化的現(xiàn)象一、應變片的結構一、應變片的結構應變片的結構1、敏感柵：、敏感柵： 轉換元件；轉換元件；2、基底和面膠、基底和面膠(覆蓋層覆蓋層) 基底，傳遞彈性體的應變；基底，傳遞彈性體的應變； 面膠，保護電阻絲；面膠，保

3、護電阻絲； 粘合劑：粘合劑： 粘合電阻絲和基底；粘合電阻絲和基底； 4、引出線：、引出線： 連接測量導線連接測量導線覆蓋層覆蓋層二、二、 電阻應變片的分類電阻應變片的分類（1）按應變片敏感柵的材料應變片敏感柵的材料不同。 金屬應變片金屬應變片和半導體應變片半導體應變片（2）按應變片的工作溫度工作溫度不同： 常溫應變片：-3060 中溫應變片：60300 高溫應變片：300以上 低溫應變片：低于-30（3）按應變片的用途應變片的用途不同， 一般用途應變片 特殊用途應變片：水下、疲勞壽命、 抗磁感應、裂縫擴展等三、常用應變片三、常用應變片1）絲線應變片；）絲線應變片；2）箔式應變片；）箔式應變片；

4、3）半導體應變片）半導體應變片；4）金屬薄膜應變片；5）高溫及低溫應變片；1、絲式應變片、絲式應變片 絲式應變片的敏感柵為：電阻絲 直徑：0.020.05 mm, 常用：0.025 mm； 電流：1012 mA和4050 mA； 電阻值：501000 ,常用：120 ；2、箔式應變片、箔式應變片l 敏感柵：由光刻、腐蝕等工藝制程l 箔柵厚度：0.0030.01 mml 箔金屬材料：康銅或者合金（卡瑪合金等）優(yōu)點：敏感柵的形狀可變；敏感柵的形狀可變；表面積大表面積大,散熱性能好散熱性能好, 允許通過電流大；允許通過電流大；蠕變小蠕變小,疲勞壽命高；疲勞壽命高；3、半導體應變片、半導體應變片 優(yōu)點

5、：靈敏度系數(shù)高；機械滯后小、 體積小、耗電量小等 缺點：非線性大敏感柵： 半導體圧阻效應3.2 薄膜應變電阻及傳感器薄膜應變電阻及傳感器l指用真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學氣相沉積等方法制得的薄膜（非機械延展法制得） 一、一、 按薄膜厚度分類按薄膜厚度分類（1） 非連續(xù)金屬膜。非連續(xù)金屬膜。厚度小于10-8m,薄膜不連續(xù),孤島分布孤島分布，孤島之間沒有通道,其導電作用是由隧道效應隧道效應所實現(xiàn)的。 特點：阻值很高,靈敏度高, 性能極不穩(wěn)定。 （2） 半連續(xù)膜。半連續(xù)膜。這種膜的厚度在10-8210-8m之間,膜面呈不連續(xù)的島狀不連續(xù)的島狀,各島之間有若干通道。（3）連續(xù)膜。）連續(xù)膜。這種膜的厚度一

6、般大于210-8m，膜面上基本看不到島狀結構。這種膜的穩(wěn)定性遠遠這種膜的穩(wěn)定性遠遠高于前兩種，力敏元件均采用這種膜。高于前兩種，力敏元件均采用這種膜。 二、薄膜的工作原理二、薄膜的工作原理lRS對于長為L，橫截面為S的均勻材料（金屬或半導體），兩端的電阻值為 式中，為材料的電阻率。當受到一個沿著長度方向的縱向應力時，由于幾何形狀及內部結構發(fā)生變化，因此將引起電阻值的變化。進行全微分可以求得電阻值的變化為 2ddddSLLRLSSSFFSll 用相對變化量表示，則有 2dddSddd /dSS1d /LLLRS SLSLLLRL LLSSS式中， dLL縱向應變； 1 dS/S2 d /L L泊

7、桑（松）比； d,E E楊氏彈性模量，壓阻系數(shù)。 由上式可得d(12)RER令k=1+2+E，則 dRkRk稱為材料的靈敏系數(shù)或應變因子： 材料發(fā)生單位應變時的電阻變化率材料的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：1+2，它由材料的幾何尺寸的變化引起；E，由材料受力后電阻率發(fā)生的變化引起。 金屬薄膜金屬薄膜， E值很小，電阻率基本上與應力無關，可以忽略； 材料的靈敏系數(shù)主要取決于幾何尺寸的變化材料的靈敏系數(shù)主要取決于幾何尺寸的變化； 在彈性形變范圍內，k在1.52之間。半導體材料半導體材料 具有良好的彈性性能和壓阻效應，它的壓阻系數(shù)很大； k主要由主要由E決定，可高達決定，可高達100以上以上。 可以制作出

8、靈敏度很高的應變片和壓力傳感器。 薄膜應變傳感器的特點薄膜應變傳感器的特點 優(yōu)點： 工藝環(huán)節(jié)較少工藝環(huán)節(jié)較少,工藝周期較短,成品率也就較高。能反復加載106次以上, 耐疲勞性能良好耐疲勞性能良好。量程很大量程很大,可用于大量程稱重、加速度、壓力傳感器等。這是它目前獲得廣泛使用的主要原因之一。非粘貼式非粘貼式： 薄膜應變片與彈性體結合在一起；粘貼式：粘貼式：制作單一薄膜應變片，再與彈性體粘合；薄膜式：薄膜式：利用熱蒸發(fā)、濺射、CVD等方法制成 合金型應變片和傳感器合金型應變片和傳感器, , 穩(wěn)定性很高穩(wěn)定性很高, 電阻溫度系數(shù)很小電阻溫度系數(shù)很?。ㄒ话銥椋?0-510-6） 薄膜應變傳感器適用于

9、航天、航空工業(yè),以及對穩(wěn)定性要求較高的測控系統(tǒng)中。 靈敏系數(shù)較低靈敏系數(shù)較低（一般約為1.72.2左右）,大體同金屬絲式和箔式應變片的相當。半導體半導體Ge、Si薄膜應變片及傳感器薄膜應變片及傳感器靈敏系數(shù)較高靈敏系數(shù)較高（一般為30以上）電阻溫度系數(shù)高電阻溫度系數(shù)高（約為10-5數(shù)量級）。薄膜應變片的阻值可做得很高,通常均可做到幾千到幾萬歐姆,因而其可在低功耗的狀態(tài)低功耗的狀態(tài)下工作。二、蠕變、蠕變曲線、零點漂移曲線二、蠕變、蠕變曲線、零點漂移曲線蠕變現(xiàn)象的產生，是由三個方面的因素構成：溫度、應力和時間。 由于金屬蠕變的累積，使金屬部件發(fā)生過量的塑性變形而不能使用，或者蠕變進入到了加速發(fā)展階

10、段，發(fā)生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴重事故。 蠕變蠕變是指：是指：在應力應力影響下，固體材料緩慢永久性的移動或者變形的趨勢 l蠕變曲線：蠕變曲線： 對于已經安裝好的應變片，在恒定溫度和承受恒定的應力的情況下，指示應力指示應力隨時間變化的曲線。l零點漂移曲線：零點漂移曲線： 對于已經安裝好的應變片，在恒定溫度和在不承受應力的情況下，指示應力指示應力隨時間變化的曲線。 CEC1000型傳感器在室溫下的蠕變曲線 在室溫下,不加載保持一小時進行調零,然后加上滿量程壓力并保持不變,同時記錄在兩個小時內的輸出電平,作出偏離滿度的數(shù)值同時間偏離滿度的數(shù)值同時間的關系曲線。的關系曲線。薄膜傳感器在

11、室溫下的零點漂移曲線 對于已經安裝好的應變片，在恒定溫度和在不承受應力的情況下，指示應力指示應力隨時間變化的曲線。零漂通常為絕緣電阻過低或者或者通過電熱產生的熱電勢構成。120時薄膜傳感器的蠕變曲線 120時薄膜傳感器的零漂曲線 3.3電阻應變傳感器使用中應注電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題意的一些問題溫度漂移的補償溫度漂移的補償 常用的電阻應變傳感器一般都選用半導體材料。 半導體材料的溫度穩(wěn)定性差。 電阻應變傳感器受到溫度影響后其輸出要產生溫度漂移。 半導體電阻應變敏感元件：在基片制作四個相同的電阻。這四個電阻接成電橋，并且將阻值增加的兩個電阻對接，這四個電阻接成電橋，并且將阻值增加的兩個電阻對接，將阻值減小的兩個電阻對接，使電橋的輸出最大。將阻值減小的兩個電阻對接，使電橋的輸出最大。恒流源供電恒流源供電：可以最大限度地克服溫度的影響。電壓源供電電壓源供電：溫度升高，傳感器靈敏度下降的問題。一種靈敏度一種靈敏度K溫度漂溫度漂移的補償電路移的補償電路 TKUsc，UscUbeIbIcUceU(U=U-Uce) 1234kRdRkRdR0U如圖，