實(shí)驗(yàn)論文___箔式應(yīng)變傳感器特性研究

1、金屬箔式應(yīng)變式傳感器的特性研究晉瑩瑩西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 400715摘要：本文對(duì)金屬箔式應(yīng)變傳感器特性進(jìn)行了研究，闡述了電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理、金屬箔式應(yīng)變片構(gòu)成、電橋電路以及實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備和方法、實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析, 同時(shí)說明了試驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)。Abstract: in this paper, metal foils strain sensors characteristics have been investigated, this paper expounds the resistance strain sensor working principle, met

2、al foils type strain film composition, electric bridge circuit and the experiment USES equipment and method, the experimental process and the experimental results and analysis, and explains the matters of attention in the testing process.關(guān)鍵詞：金屬箔式應(yīng)變片單臂電橋應(yīng)變式傳感器Keywords: metal foils type strain gauge.t

3、he bridge strain sensor引言：傳感器是獲取信息的工具，它涉及整個(gè)科學(xué)技術(shù)、國防、航空、等工業(yè)部門和環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)工程和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。具體地說，傳感器是指那些能準(zhǔn)確的感知“被測(cè)量”并將被測(cè)量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)（即電量）的元器件或裝置。如果沒有傳感器對(duì)被測(cè)的原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲或轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)試與控制都無法實(shí)現(xiàn)。自從1945年英國Jakson發(fā)表了利用環(huán)氧基底制成的金屬箔式應(yīng)變片以來，由于箔式應(yīng)變片的眾多優(yōu)點(diǎn)而在常溫結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)量及傳感器方面獲得了重要應(yīng)用，從而逐步取代絲式應(yīng)變片。金屬箔式應(yīng)變片各種物理傳感器，特別是稱重（測(cè)力）、壓力、位移和

4、加速度傳感器的重要敏感元件。1. 實(shí)驗(yàn)原理1.1電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件，此種傳感器則為電阻應(yīng)變式傳感器。它是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器。電阻應(yīng)變片一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。電阻應(yīng)變片的原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值也發(fā)生相應(yīng)的變化。如，一根金屬絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：R=式中: 為電阻絲的電阻率；L為電阻絲的長(zhǎng)度；S為電阻絲的截面積。當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí), 將伸長(zhǎng)L, 橫截面積相應(yīng)減小S, 電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變, 故引起電阻值

5、相對(duì)變化量為 （2）式中L/L是長(zhǎng)度相對(duì)變化量, 用應(yīng)變表示，即 (3)S/S為圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量, 即 (4)由材料力學(xué)可知, 在彈性范圍內(nèi), 金屬絲受拉力時(shí), 沿軸向伸長(zhǎng), 沿徑向縮短, 那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為(5)式中: 為電阻絲材料的泊松比, 負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。將（3）、（5）代入（2）可得（6）通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量, 其表達(dá)式為 （7）靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響: 一個(gè)是受力后材料幾何尺寸的變化, 即（1+2）; 另一個(gè)是受力后材料的電阻率發(fā)生的變化, 即（/）/。 對(duì)金屬材料電阻

6、絲來說, 靈敏度系數(shù)表達(dá)式中（1+2）的值要比（/）/）大得多, 而半導(dǎo)體材料的（/）/）項(xiàng)的值比（1+2）大得多。 大量實(shí)驗(yàn)證明, 在電阻絲拉伸極限內(nèi), 電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比, 即K為常數(shù)。 用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí), 根據(jù)上述特點(diǎn), 在外力作用下, 被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形, 應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化, 同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量R時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系, 得到應(yīng)力值為 =E· （） 式中 : 為試件的應(yīng)力；為試件的應(yīng)變；E為試件材料的彈性模量。由此可知, 應(yīng)力值正比于應(yīng)變, 而試件應(yīng)變正比于電阻值的變化, 所以應(yīng)力

7、正比于電阻值的變化, 這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。 1.2金屬箔式應(yīng)變片屬箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，用它來轉(zhuǎn)換被測(cè)部位的受力大小及狀態(tài)，通過電橋原理完成電阻到電壓的比例變化它一般是由敏感柵（箔柵）、基底、覆蓋層、膠黏劑及引出線等組成。而當(dāng)其粘貼在試件（或彈性體）上時(shí)，則還應(yīng)包括試件（或彈性體）、貼片膠和防潮層，從而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)變傳遞系統(tǒng)。其構(gòu)成元件的性能對(duì)其應(yīng)變傳遞性能都將產(chǎn)生不同程度的影響。試件的變形通過膠粘劑層傳遞給基底，基底的變形通過膠層傳遞到箔柵上，引起相應(yīng)的電阻變化，在此傳遞系統(tǒng)中，膠粘劑介于試件（或彈性體）和應(yīng)變片之間，它對(duì)應(yīng)變傳遞起著關(guān)鍵的作

8、用。圖1-1箔式應(yīng)變片F(xiàn)igure 1-1 foil type strain gauge從應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)可見，應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞系統(tǒng)實(shí)際上是試件（或彈性體）、膠粘劑、基底、膠牯劑、敏感箔柵、膠粘劑、覆蓋層等組成的層狀結(jié)構(gòu)，為此其性能不僅取決于所用的膠粘劑、基底、敏感箔柵、覆蓋層等材料的本身性能，而且還與固化溫度、時(shí)間壓力等工藝條件直接有關(guān)。應(yīng)變片或傳感器的穩(wěn)定性取決于敏感箔柵、膠粘劑、基底等本身性能及系統(tǒng)的工藝條件。金屬箔式應(yīng)變片的工作原理是建立在電阻應(yīng)變效應(yīng)的基礎(chǔ)上。1.3測(cè)量電路-電橋電路由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小, 要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來, 同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓

9、或電流的變化。因此, 需要有專用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路, 通常采用電橋電路。 圖1-2 直橋電路 Figure1-2 Straight bridge circuit其中 （）當(dāng)電橋平衡時(shí), Uo=0, 則R1R4 = R2R3或（）式（）稱為電橋平衡條件。這說明欲使電橋平衡, 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等, 或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等應(yīng)變片工作時(shí)，電阻值變化很小，電器相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高得多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為R，其他橋臂固定不變，橋路輸出電壓，則電橋不平衡，輸出電壓為

10、（）設(shè)橋臂比，由于，分母中可忽略，并考慮到平衡條件，則上式可寫為（）電橋靈敏度定義為（）上式說明：電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓E，E越高越高，但E的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要做適當(dāng)選擇。是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)倪x擇n值，保證電橋具有較高靈敏度的電壓靈敏度。實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法 2-1傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀2-1-1儀器簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)儀主要由四部分組成：傳感器安裝臺(tái)、顯示與激勵(lì)源、傳感器符號(hào)及引線單元、處理電路單元。傳感器安裝臺(tái)部分：裝有雙平行振動(dòng)梁（應(yīng)變片、熱電偶、PN 結(jié)、熱敏電阻、加熱器、壓電傳感器、梁自由端的磁鋼）、激振線圈、雙平行梁測(cè)微頭、光纖傳感器的光電變換座、光纖及探頭小機(jī)電、電

11、渦流傳感器及支座、電渦流傳感器引線3.5 插孔、霍爾傳感器的二個(gè)半圓磁鋼、振動(dòng)平臺(tái)（圓盤）測(cè)微頭及支架、振動(dòng)圓盤（圓盤磁鋼、激振線圈、霍爾片、電渦流檢測(cè)片、差動(dòng)變壓器的可動(dòng)芯子、電容傳感器的動(dòng)片組、磁電傳感器的可動(dòng)芯子）、擴(kuò)散硅壓阻式傳感器、氣敏傳感器及濕敏元件安裝盒。顯示及激勵(lì)源部分：電機(jī)控制單元、主電源、直流穩(wěn)壓電源（±2V±10V 檔位調(diào)節(jié)）、F/V數(shù)字顯示表（可作為電壓表和頻率表）、動(dòng)圈毫伏表（5mV-500mV）及調(diào)零、音頻振蕩器、低頻振蕩器、±15V 不可調(diào)穩(wěn)壓電源。圖2-1 傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀Figure2-1 CSY sensor system ex

12、perimental apparatus實(shí)驗(yàn)主面板上傳感器符號(hào)單元：所有傳感器（包括激振線圈）的引線都從內(nèi)部引到這個(gè)單元上的相應(yīng)符號(hào)中，實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器的輸出信號(hào)（包括激勵(lì)線圈引入低頻激振器信號(hào)）按符號(hào)從這個(gè)單元插孔引線。處理電路單元：電橋單元、差動(dòng)放大器、電容放大器、電壓放大器、移相器、相敏檢波器、電荷放大器、低通濾波器、渦流變換器等單元組成。CSY 實(shí)驗(yàn)儀配上一臺(tái)雙線（雙蹤）通用示波器可做幾十種實(shí)驗(yàn)。2-1-2主要技術(shù)參數(shù)、性能及說明一傳感器安裝臺(tái)部分雙平行振動(dòng)梁的自由端及振動(dòng)圓盤下面各裝有磁鋼，通過各自測(cè)微頭或激振線圈接入低頻激振器VO 可做靜態(tài)或動(dòng)態(tài)測(cè)量。應(yīng)變梁：應(yīng)變梁采用不銹鋼片，雙梁結(jié)

13、構(gòu)端部有較好的線性位移。傳感器：（1）差動(dòng)變壓器量程:5mm 直流電阻：510由一個(gè)初級(jí)、二個(gè)次級(jí)線圈繞制而成的透明空心線圈，鐵芯為軟磁鐵氧體。（2）電渦流位移傳感器量程:1mm 直流電阻：12 多股漆包線繞制的扁平線圈與金屬渦流片組成。（3）霍爾式傳感器量程: ±2mm 直流電阻：激勵(lì)源端口：8001.5K 輸出端口：300500日本JVC 公司生產(chǎn)的線性半導(dǎo)體霍爾片，它置于環(huán)形磁鋼構(gòu)成的梯度磁場(chǎng)中。（4）熱電偶直流電阻：10左右，由兩個(gè)銅一康銅熱電偶串接而成，分度號(hào)為T 冷端溫度為環(huán)境溫度。（5）電容式傳感器量程：±2mm，由兩組定片和一組動(dòng)片組成的差動(dòng)變面積式電容。（

14、6）熱敏電阻由半導(dǎo)體熱敏電阻NTC：溫度系數(shù)為負(fù)，25時(shí)為10K。（7）光纖傳感器由多模光纖、發(fā)射、接收電路組成的導(dǎo)光型傳感器，線性范圍2mm。紅外線發(fā)射、接收、直流電阻：5001.5k2×60 股丫形、半圓分布。（8）壓阻式壓力傳感器量程：10Kpa(差壓) ；供電：6V；直流電阻：Vs+-Vs- ：350450，Vo+-Vo- ：3K3.5K。美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的MPx 型壓阻式差壓傳感器，具有溫度自補(bǔ)償功能，先進(jìn)的x 型工作片（帶溫補(bǔ)）。（9）壓電加速度計(jì)PZT-5 雙壓電晶片和銅質(zhì)量塊構(gòu)成。諧振頻率：10KHz，電荷靈敏度：q20pc/g。（10）應(yīng)變式傳感器箔式應(yīng)變片阻值

15、：350、應(yīng)變系數(shù)：-2.1mV/。（11）PN 結(jié)溫度傳感器：利用半導(dǎo)體P-N 結(jié)良好的線性溫度電壓特性制成的測(cè)溫傳感器，能直接顯示被測(cè)溫度。靈敏度：（12）磁電式傳感器0 .21×1000；直流電阻：3040；由線圈和動(dòng)鐵（永久磁鋼）組成，靈敏度：0.5v/m/s。（13）氣敏傳感器MQ3：酒精，測(cè)量范圍：502000ppm。（13）濕敏電阻高分子薄膜電阻型：RH：幾兆幾K；響應(yīng)時(shí)間：吸濕、脫濕小于10 秒。濕度系數(shù)：0.5RH%/；測(cè)量范圍：1095；工作溫度：050二信號(hào)及變換：（1）電橋： 用于組成應(yīng)變電橋，提供組橋插座，標(biāo)準(zhǔn)電阻和交、直流調(diào)平衡網(wǎng)絡(luò)。（2）差動(dòng)放大器 通頻

16、帶010kHz，可接成同相、反相，差動(dòng)結(jié)構(gòu)，增益為1-100 倍的直流放大器。（3）電容變換器 由高頻振蕩，放大和雙T 電橋組成的處理電路。（4）電壓放大器增益約為5 倍，同相輸入，通頻帶010KHz。（5）移相器 允許最大輸入電壓10Vp-p，移相范圍±20º(5kHz 時(shí))（6）相敏檢波器 可檢波電壓頻率010kHz，允許最大輸入電壓10Vp-p。極性反轉(zhuǎn)整形電路與電子開關(guān)構(gòu)成的檢波電路。（7）電荷放大器 電容反饋型放大器，用于放大壓電傳感器的輸出信號(hào)。（8）低通濾波器 由50Hz 陷波器和RC 濾波器組成，轉(zhuǎn)折頻率35Hz 左右。（9）渦流變換器 輸出電壓|8|V(探

17、頭離開被測(cè)物)，變頻式調(diào)幅變換電路，傳感器線圈是振蕩電路中的電感元件。（10）光電變換座 由紅外發(fā)射、接收組成。三二套顯示儀表（1）數(shù)字式電壓/頻率表：3 位半顯示，電壓范圍02V、020V，頻率范圍3Hz2KHz、10Hz20KHz，靈敏度50mV。（2）指針式毫伏表：85c1 表，分500mV、50mV、5mV 三檔，精度2.5%。四二種振蕩器（1）音頻振蕩器：0.4KHz10KHz 輸出連續(xù)可調(diào)，V-p-p 值20V，180°、0°反相輸出，Lv 端最大功率輸出電流0.5A。（2）低頻振蕩器：130Hz 輸出連續(xù)可調(diào)，Vp-p 值20V，最大輸出電流0.5A，Vi 端

18、可提供用做電流放大器。五二套懸臂梁、測(cè)微頭雙平行式懸臂梁二副（其中一副為應(yīng)變梁，另一副裝在內(nèi)部與振動(dòng)圓盤相連），梁端裝有永久磁鋼、激振線圈和可拆卸式螺旋測(cè)微頭，可進(jìn)行壓力位移與振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。六電加熱器二組電熱絲組成，加熱時(shí)可獲得高于環(huán)境溫度30左右的升溫。七測(cè)速電機(jī)一組由可調(diào)的低噪聲高速軸流風(fēng)扇組成，與光電、光纖、渦流傳感器配合進(jìn)行測(cè)速實(shí)驗(yàn)。八二組穩(wěn)壓電穩(wěn)直流±15V，主要提供溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)的加熱電源，最大激勵(lì)1.5A。九計(jì)算機(jī)聯(lián)接與處理數(shù)據(jù)采集卡：十二位A/D 轉(zhuǎn)換，采樣頻率2025000 次/秒，采樣速度可控制，分單次采樣與連續(xù)采樣。標(biāo)準(zhǔn)RS-232 接口，與計(jì)算機(jī)串行工作?？蛇M(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)

19、目的選擇與編輯、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、圖形分析與比較、文件存取打印。2-2實(shí)驗(yàn)橋路本實(shí)驗(yàn)采用單臂電橋電路，如下圖所示。圖2-2 單臂電橋電路Figure2-2 Single arm electric bridge circuit3實(shí)驗(yàn)過程（1）調(diào)零開啟儀器電源，差動(dòng)放大器增益置倍（順時(shí)針方向旋到底），“、”輸入端用試驗(yàn)線對(duì)地短路。輸出端接數(shù)字電壓表，用“調(diào)零”電位器調(diào)整差動(dòng)放大器輸出電壓為零，然后拔掉試驗(yàn)線。調(diào)零后電位器位置不要變化。如需使用毫伏表，則將毫伏表輸入端對(duì)地短路，調(diào)整“調(diào)零”電位器，使指針居零位，拔掉短路線，指針有偏轉(zhuǎn)是有源指針式電壓表輸入端懸空時(shí)的正常請(qǐng)況。調(diào)零后關(guān)閉儀器電源。（2

20、）按圖2-2將實(shí)驗(yàn)部件用實(shí)驗(yàn)線連接成測(cè)試橋路。橋路中、和為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器，為應(yīng)變片（可任選上下梁中的一片工作片）。直流激勵(lì)電流為。測(cè)微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上，并調(diào)節(jié)使應(yīng)變梁處于基本水平狀態(tài)。（3）確認(rèn)接線無誤后開啟儀器電源，并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋電位器，使測(cè)試系統(tǒng)輸出為零。（4）旋動(dòng)測(cè)微頭，帶動(dòng)懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動(dòng)，以懸臂梁水平狀態(tài)下電路輸出電壓為零為起點(diǎn)，向上和向下移動(dòng)各mm，測(cè)微頭每移動(dòng)0.5mm記錄一個(gè)差動(dòng)放大器輸出電壓值，記錄數(shù)據(jù)如下表所示。 表3-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 3-1 Experimental data record位移（mm）4035 3025 20 15 10 5 0-5 -10-15-20 -25 -30 -35 40電壓(V)0.078 0.069 0.059 0