應變片的類型及其工作原理

應變片的類型及其工作原理應變片的類型及其工作原理應變片的類型及其工作原理xxx公司應變片的類型及其工作原理文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度電阻應變片摘要：電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。本文詳細介紹電阻應變片的分類，構造，工作原理及其應用。關鍵詞：金屬電阻應變片半導體應變片1.電阻應變片的分類及其工作原理電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。2.金屬電阻應變片金屬電阻應變片的分類及其結構金屬電阻應變片分為絲式、箔式，薄膜式三種。金屬絲電阻應變片的典型結構見圖。它主要由粘合層1、3，基底2、蓋片4，敏感柵5，引出線6構成。

圖

金屬箔式應變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值一致性好、傳遞試件應變性能好等優(yōu)點，因此，目前使用的多為金屬箔式應變片，其結構見下圖。薄膜式應變片薄膜式應變片的敏感柵是以蒸鍍或濺射法沉積的金屬、合金薄膜制成的。其厚度一般在μm以下。實際上，通常是將薄膜式應變片與傳感器的彈性體制成一個不可分割的整體，亦即在傳感器彈性體的應變敏感部位表面上首先沉積形成很薄的絕緣層，然后在其上面沉積薄膜應變片的圖形，然后再覆上一層保護層。由于薄膜式應變片與傳感器的彈性體之間只有一層超薄絕緣層（厚度僅為幾個納米），很容易通過彈性體散熱，因此允許通過比其他種類應變片更大的電流，并可以獲得更高的輸出和更佳的穩(wěn)定性。應變式力傳感器

電阻應變片的外形1、電阻應變片?電阻應變式力傳感器的核心是電阻應變片。?導體或半導體材料在外力作用下伸長或縮短時，它的電阻值會相應的發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。?將應變片貼在被測物體上，使其隨著被測物的應變一起伸縮，這樣應變片里面的金屬材料就隨著外界的應變變長或縮短，其阻值也就會相應的變化。?應變片就是利用應變效應，通過測量電阻的變化而對應變進行測量的。金屬電阻應變片工作原理簡介金屬電阻應變片的工作原理是電阻應變效應，即金屬絲在受到應力作用時，其電阻隨著所發(fā)生機械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應的變化。電阻應變效應的理論公式如下:

由上式可知，金屬絲在承受應力而發(fā)生機械變形的過程中，ρ、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會引起金屬絲電阻值的變化。當受外力伸張時，長度增加，截面積減小，電阻值增加;當受壓力縮短時，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測出電阻值的變化，便可金屬絲的應變情況。這種轉換關系為

式中:R---金屬絲電阻值的變化量;Ko---金屬材料的應變靈敏系數(shù),它主要由試驗方法確定,且在彈性極限內基本為常數(shù)值;ε---金屬材料的軸向應變值,即,因此又稱ε為長度應變值,對金屬絲而言,其值勤在之間. 在實際應用中，將金屬電阻應變片粘貼在傳感器彈性元件或被測饑械零件的表面。當傳感器中的彈性元件或被測機械零件受作用力產(chǎn)生應變時，粘貼在其上的應變片也隨之發(fā)生相同的機械變形，引起應變片電阻發(fā)生相應的變化。這時，電阻應變片便將力學量轉換為電阻的變化量輸出。金屬電阻應變片電橋電路圖金屬電阻應變片應用于力學測量時，需要和電橋電路一起使用;由于應變片電橋電路的輸出信號微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象，故多采用交流放大器對信號進行放大處理，所以應變片電橋電路一般都采用交流電供電，組成交流電橋。根據(jù)讀數(shù)方法的不同，電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。平衡電橋僅適合測量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋則適合測量動態(tài)參數(shù)。由于直流電橋和交流電橋在工作原埋上相似，為了方便起見，下面僅就直流不平衡電橋進行介紹。圖所示電路是輸出端接放大器的直流不平衡電橋的電路。第一橋臂接電阻應變片R1，其他三個橋臂接固定電阻。當應變片R1末發(fā)生應變時，由于沒有阻值變化，電橋維持初始平衡條件的=，因而輸出為零，即

UOUT=A一=0

當應變片產(chǎn)生應變時，應變片產(chǎn)生△R1的電阻變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時

假設，并考慮到電橋初始平衡條件，省略去分母中的微量，則上式可寫成為

從式中可以看出，輸出電壓正比于應變片發(fā)生應變時產(chǎn)生的電阻變化量們。3.半導體應變片半導體應變片的定義及其應用利用半導體單晶硅的壓阻效應制成的一種敏感元件，又稱半導體應變片。壓阻效應是半導體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時材料的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導體應變片需要粘貼在試件上測量試件應變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測外力。利用不同構形的彈性敏感元件可測量各種物體的應力、應變、壓力、扭矩、加速度等機械量。半導體應變片與電阻應變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高50～100倍）、機械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點。P型和N型硅的靈敏系數(shù)符號相反，適于接成電橋的相鄰兩臂測量同一應力。早期的半導體應變片采用機械加工、化學腐蝕等方法制成，稱為體型半導體應變片。它的缺點是電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的應用和發(fā)展。自70年代以來，隨著半導體集成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)擴散型、外延型和薄膜型半導體應變片，上述缺點得到一定克服。半導體應變片主要應用于飛機、導彈、車輛、船舶、機床、橋梁等各種設備的機械量測量。半導體應變片分類體型半導體應變片這種半導體應變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導體應變片可分為6種。①普通型:它適合于一般應力測量；②溫度自動補償型：它能使溫度引起的導致應變電阻變化的各種因素自動抵消，只適用于特定的試件材料；③靈敏度補償型：通過選擇適當?shù)囊r底材料（例如不銹鋼），并采用穩(wěn)流電路，使溫度引起的靈敏度變化極?。虎芨咻敵觯ǜ唠娮瑁┬停核淖柚岛芨撸?～10千歐）,可接成電橋以高電壓供電而獲得高輸出電壓，因而可不經(jīng)放大而直接接入指示儀表。⑤超線性型:它在比較寬的應力范圍內,呈現(xiàn)較寬的應變線性區(qū)域，適用于大應變范圍的場合；⑥P-N組合溫度補償型:它選用配對的P型和N型兩種轉換元件作為電橋的相鄰兩臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大改善。薄膜型半導體應變片這種應變片是利用真空沉積技術將半導體材料沉積在

帶有絕緣層的試件上或藍寶石上制成的（圖1）。它通過改變真空沉積時襯底的溫度來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補償薄膜應變片。薄膜型半導體應變片吸收了金屬應變片和半導體應變片的優(yōu)點，并避免了它的缺點，是一種較理想的應變片。擴散型半導體應變片這種應變片是將P型雜質擴散到一個高電阻N型

硅基底上，形成一層極薄的P型導電層,然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成（圖2）。它的優(yōu)點是穩(wěn)定性好，機械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導體應變片小一個數(shù)量級。缺點是由于存在P-N結，當溫度升高時,絕緣電阻大為下降。新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用擴散法制成的。外延型半導體應變片這種應變片是在多晶硅或藍寶石的襯底上外延一層單晶硅而制成的。它的優(yōu)點是取消了P-N結隔離，使工作溫度大