應(yīng)變片的類(lèi)型及其工作原理

應(yīng)變片的類(lèi)型及其工作原理應(yīng)變片的類(lèi)型及其工作原理應(yīng)變片的類(lèi)型及其工作原理xxx公司應(yīng)變片的類(lèi)型及其工作原理文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度電阻應(yīng)變片摘要：電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。本文詳細(xì)介紹電阻應(yīng)變片的分類(lèi)，構(gòu)造，工作原理及其應(yīng)用。關(guān)鍵詞：金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片1.電阻應(yīng)變片的分類(lèi)及其工作原理電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)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(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的分類(lèi)及其結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式，薄膜式三種。金屬絲電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(gòu)成。

圖

金屬箔式應(yīng)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(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片的敏感柵是以蒸鍍或?yàn)R射法沉積的金屬、合金薄膜制成的。其厚度一般在μm以下。實(shí)際上，通常是將薄膜式應(yīng)變片與傳感器的彈性體制成一個(gè)不可分割的整體，亦即在傳感器彈性體的應(yīng)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(yīng)變片的圖形，然后再覆上一層保護(hù)層。由于薄膜式應(yīng)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(gè)納米），很容易通過(guò)彈性體散熱，因此允許通過(guò)比其他種類(lèi)應(yīng)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(yīng)變式力傳感器

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

由上式可知，金屬絲在承受應(yīng)力而發(fā)生機(jī)械變形的過(guò)程中，ρ、L、S三者都要發(fā)生變化，從而必然會(huì)引起金屬絲電阻值的變化。當(dāng)受外力伸張時(shí)，長(zhǎng)度增加，截面積減小，電阻值增加;當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長(zhǎng)度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測(cè)出電阻值的變化，便可金屬絲的應(yīng)變情況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中:R---金屬絲電阻值的變化量;Ko---金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù),它主要由試驗(yàn)方法確定,且在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù)值;ε---金屬材料的軸向應(yīng)變值,即,因此又稱(chēng)ε為長(zhǎng)度應(yīng)變值,對(duì)金屬絲而言,其值勤在之間. 在實(shí)際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測(cè)饑械零件的表面。當(dāng)傳感器中的彈性元件或被測(cè)機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，粘貼在其上的應(yīng)變片也隨之發(fā)生相同的機(jī)械變形，引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。這時(shí)，電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻的變化量輸出。金屬電阻應(yīng)變片電橋電路圖金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)測(cè)量時(shí)，需要和電橋電路一起使用;由于應(yīng)變片電橋電路的輸出信號(hào)微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，故多采用交流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，所以應(yīng)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(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋則適合測(cè)量動(dòng)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(jiàn)，下面僅就直流不平衡電橋進(jìn)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(yīng)變片R1，其他三個(gè)橋臂接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片R1末發(fā)生應(yīng)變時(shí)，由于沒(méi)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(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生△R1的電阻變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)

假設(shè)，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(xiě)成為

從式中可以看出，輸出電壓正比于應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的電阻變化量們。3.半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的定義及其應(yīng)用利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件，又稱(chēng)半導(dǎo)體應(yīng)變片。壓阻效應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時(shí)材料的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測(cè)量試件應(yīng)變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測(cè)外力。利用不同構(gòu)形的彈性敏感元件可測(cè)量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、加速度等機(jī)械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（約高50～100倍）、機(jī)械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。P型和N型硅的靈敏系數(shù)符號(hào)相反，適于接成電橋的相鄰兩臂測(cè)量同一應(yīng)力。早期的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕等方法制成，稱(chēng)為體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。它的缺點(diǎn)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(yīng)用和發(fā)展。自70年代以來(lái)，隨著半導(dǎo)體集成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)擴(kuò)散型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，上述缺點(diǎn)得到一定克服。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、車(chē)輛、船舶、機(jī)床、橋梁等各種設(shè)備的機(jī)械量測(cè)量。半導(dǎo)體應(yīng)變片分類(lèi)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種半導(dǎo)體應(yīng)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(shù)脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片可分為6種。①普通型:它適合于一般應(yīng)力測(cè)量；②溫度自動(dòng)補(bǔ)償型：它能使溫度引起的導(dǎo)致應(yīng)變電阻變化的各種因素自動(dòng)抵消，只適用于特定的試件材料；③靈敏度補(bǔ)償型：通過(guò)選擇適當(dāng)?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??；④高輸出（高電阻）型：它的阻值很高（2～10千歐）,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(yīng)力范圍內(nèi),呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性區(qū)域，適用于大應(yīng)變范圍的場(chǎng)合；⑥P-N組合溫度補(bǔ)償型:它選用配對(duì)的P型和N型兩種轉(zhuǎn)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(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在

帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的（圖1）。它通過(guò)改變真空沉積時(shí)襯底的溫度來(lái)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(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個(gè)高電阻N型

硅基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)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(diǎn)是穩(wěn)定性好，機(jī)械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導(dǎo)體應(yīng)變片小一個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)是由于存在P-N結(jié)，當(dāng)溫度升高時(shí),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(kuò)散法制成的。外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是在多晶硅或藍(lán)寶石的襯底上外延一層單晶硅而制成的。它的優(yōu)點(diǎn)是取消了P-N結(jié)隔離，使工作溫度大