第三章 應(yīng)變傳感器

3.1電阻應(yīng)變式傳感器3.2薄膜應(yīng)變電阻及傳感器3.3電阻應(yīng)變傳感器使用中的注意問題第三章應(yīng)變傳感器應(yīng)變傳感器力學(xué)量分為：幾何學(xué)量：位移、形變、長度、厚度等；運動學(xué)量：速度、加速度、角加速度等；力學(xué)量：力、應(yīng)力、壓力等。測量這些物理量的器件成為力學(xué)傳感器或應(yīng)變傳感器。3.1電阻應(yīng)變傳感器電阻應(yīng)變片+彈性元件用于測量位移、加速度、力、力矩、壓力等應(yīng)用于航空、機械、電力、化工等領(lǐng)域電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬導(dǎo)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(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。應(yīng)變片壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在受到外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象一、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)1、敏感柵：

轉(zhuǎn)換元件；2、基底和面膠(覆蓋層)基底，傳遞彈性體的應(yīng)變；面膠，保護電阻絲；粘合劑：

粘合電阻絲和基底；

4、引出線：連接測量導(dǎo)線覆蓋層二、電阻應(yīng)變片的分類（1）按應(yīng)變片敏感柵的材料不同。

金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片（2）按應(yīng)變片的工作溫度不同：常溫應(yīng)變片：-30～60℃中溫應(yīng)變片：60～300℃高溫應(yīng)變片：300℃以上低溫應(yīng)變片：低于-30℃（3）按應(yīng)變片的用途不同，一般用途應(yīng)變片特殊用途應(yīng)變片：水下、疲勞壽命、抗磁感應(yīng)、裂縫擴展等三、常用應(yīng)變片1）絲線應(yīng)變片；2）箔式應(yīng)變片；3）半導(dǎo)體應(yīng)變片；4）金屬薄膜應(yīng)變片；5）高溫及低溫應(yīng)變片；1、絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片的敏感柵為：電阻絲直徑：0.02～0.05mm,常用：0.025mm；電流：10～12mA和40～50mA；電阻值：50～1000Ω,常用：120Ω；2、箔式應(yīng)變片敏感柵：由光刻、腐蝕等工藝制程箔柵厚度：0.003～0.01mm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；表面積大,散熱性能好,

允許通過電流大；蠕變小,疲勞壽命高；3、半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點：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(dǎo)體圧阻效應(yīng)3.2薄膜應(yīng)變電阻及傳感器指用真空熱蒸發(fā)、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等方法制得的薄膜（非機械延展法制得）一、按薄膜厚度分類（1）非連續(xù)金屬膜。厚度小于10-8m,薄膜不連續(xù),孤島分布，孤島之間沒有通道,其導(dǎo)電作用是由隧道效應(yīng)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。這種膜的厚度在10-8～2×10-8m之間,膜面呈不連續(xù)的島狀,各島之間有若干通道。（3）連續(xù)膜。這種膜的厚度一般大于2×10-8m，膜面上基本看不到島狀結(jié)構(gòu)。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。二、薄膜的工作原理對于長為L，橫截面為S的均勻材料（金屬或半導(dǎo)體），兩端的電阻值為式中，ρ—為材料的電阻率。當(dāng)受到一個沿著長度方向的縱向應(yīng)力時，由于幾何形狀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)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用相對變化量表示，則有式中，——縱向應(yīng)變；——泊桑（松）比；E——楊氏彈性模量，π——壓阻系數(shù)。由上式可得令k=1+2μ+πE，則k稱為材料的靈敏系數(shù)或應(yīng)變因子：材料發(fā)生單位應(yīng)變時的電阻變化率材料的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：1+2μ，它由材料的幾何尺寸的變化引起；πE，由材料受力后電阻率發(fā)生的變化引起。

金屬薄膜，

πE值很小，電阻率基本上與應(yīng)力無關(guān)，可以忽略；

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(nèi)，k在1.5~2之間。半導(dǎo)體材料

具有良好的彈性性能和壓阻效應(yīng)，它的壓阻系數(shù)很大；

k主要由πE決定，可高達100以上?？梢灾谱鞒鲮`敏度很高的應(yīng)變片和壓力傳感器。薄膜應(yīng)變傳感器的特點優(yōu)點：

工藝環(huán)節(jié)較少,工藝周期較短,成品率也就較高。

能反復(fù)加載106次以上,

耐疲勞性能良好。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：薄膜應(yīng)變片與彈性體結(jié)合在一起；粘貼式：制作單一薄膜應(yīng)變片，再與彈性體粘合；薄膜式：利用熱蒸發(fā)、濺射、CVD等方法制成

合金型應(yīng)變片和傳感器,

穩(wěn)定性很高,

電阻溫度系數(shù)很?。ㄒ话銥椋?0-5～10-6）／℃）薄膜應(yīng)變傳感器適用于航天、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（一般約為1.7～2.2左右）,大體同金屬絲式和箔式應(yīng)變片的相當(dāng)。半導(dǎo)體Ge、Si薄膜應(yīng)變片及傳感器靈敏系數(shù)較高（一般為30以上）電阻溫度系數(shù)高（約為10-5／℃數(shù)量級）。薄膜應(yīng)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)下工作。二、蠕變、蠕變曲線、零點漂移曲線蠕變現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由三個方面的因素構(gòu)成：溫度、應(yīng)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)展階段，發(fā)生蠕變破裂，均會使部件失效損壞，甚至發(fā)生嚴(yán)重事故。蠕變是指：在應(yīng)力影響下，固體材料緩慢永久性的移動或者變形的趨勢

蠕變曲線：對于已經(jīng)安裝好的應(yīng)變片，在恒定溫度和承受恒定的應(yīng)力的情況下，指示應(yīng)力隨時間變化的曲線。零點漂移曲線：對于已經(jīng)安裝好的應(yīng)變片，在恒定溫度和在不承受應(yīng)力的情況下，指示應(yīng)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(diào)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(nèi)的輸出電平,作出偏離滿度的數(shù)值同時間的關(guān)系曲線。薄膜傳感器在室溫下的零點漂移曲線對于已經(jīng)安裝好的應(yīng)變片，在恒定溫度和在不承受應(yīng)力的情況下，指示應(yīng)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(chǎn)生的熱電勢構(gòu)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(yīng)變傳感器使用中應(yīng)注意的一些問題溫度漂移的補償

常用的電阻應(yīng)變傳感器一般都選用半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料的溫度穩(wěn)定性差。電阻應(yīng)變傳感器受到溫度影響后其輸出要產(chǎn)生溫度漂移。

半導(dǎo)體電阻應(yīng)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，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：可以最大限度地克服溫度的影響。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K溫度漂移的補償電路T↑→K↓→Usc↓，Usc↑←→Ube↓→Ib↑→Ic↑→Uce↓→U′(U′=U-Uce)1234如圖，電源電動勢為E，

R1、R2

、R3、R4為電阻應(yīng)變片