鐵道車輛傳感器技術(shù)-電阻應(yīng)變式傳感器

項(xiàng)目一傳感器技術(shù)

任務(wù)2電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理1.2電阻應(yīng)變式傳感器概述0102電阻應(yīng)變式傳感器的特性03電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用04一、電阻應(yīng)變式傳感器概述

電阻應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測量微小變化量（機(jī)械）的傳感器。用途：將電阻應(yīng)變片粘接到各種彈性敏感元件上可以測定力、壓力、力矩、位移、加速度等參數(shù)，是使用最廣泛的傳感器之一，具有悠久的歷史。

BLR-14A型電阻應(yīng)變式拉壓力高精度傳感器采用剪切結(jié)構(gòu)彈性體，具有精度高、穩(wěn)定性能好、抗偏載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于料斗秤、配料秤和吊鉤秤等配套使用,廣泛用于國防、科研工業(yè)系統(tǒng)中作力的分析及自動化控制。二、電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時，其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。

材料的應(yīng)變效應(yīng):金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大當(dāng)金屬絲受到外力F作用下，而被拉伸（或壓縮）時，上述任何一個參數(shù)均會變化，因此導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化，通過對上式兩邊取對數(shù)后再做微分，即可求其電阻相對變化為若電阻絲是圓的，則，r為電阻絲的半徑，則令為材料的軸向應(yīng)變，為金屬絲徑向應(yīng)變。則式中,μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。或

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系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達(dá)式為（1）對于金屬材料，導(dǎo)電率不變，即dρ/ρ<<1，因此有：當(dāng)金屬材料確定后，應(yīng)變片的電阻變化率取決于材料的幾何形狀變化，其靈敏度系數(shù)為，當(dāng)力作用到用金屬材料制作的應(yīng)變片上時，其電阻相對變化與電阻絲軸向應(yīng)變成正比。（2）對于半導(dǎo)體，由于dρ/ρ項(xiàng)的數(shù)值遠(yuǎn)比（1＋2μ）ε項(xiàng)大，即半導(dǎo)體電阻變化率取決于材料的電子流變化，因此，簡化為：式中π－材料的壓阻系數(shù)；E－材料的彈性模數(shù)。因此靈敏系數(shù)為：（3）常用的應(yīng)變片靈敏度系數(shù)大致是：金屬導(dǎo)體應(yīng)變片約為2左右，但不超過4～5；半導(dǎo)體應(yīng)變片約為100～200?？梢姲雽?dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)值比金屬導(dǎo)體的靈敏度系數(shù)值大50-80倍。

但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴(yán)重，使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。

。2.半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變片外形常用應(yīng)變片的形式

（1）敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。引線是從敏感柵到測量導(dǎo)線之間的過渡部分，用以將敏感柵接入測量電路。(2)覆蓋層與基片將敏感柵緊密地粘貼在中間，對敏感柵起幾何形狀固定和絕緣、保護(hù)作用，基片要將被測體的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上，因此它很薄，一般為0.03～0.06mm,使它與被測體及敏感柵能牢固地粘合在一起，此外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；透采w層的材料有膠膜、紙、玻璃纖維布等。

(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)1.選片:首先檢查應(yīng)變片的外觀，剔除敏感柵有形狀缺陷，片內(nèi)有氣泡、霉斑、銹點(diǎn)的應(yīng)變片，再用電橋測量應(yīng)變片的電阻值，并進(jìn)行阻值選配。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)2.打磨:選擇的構(gòu)件表面待測點(diǎn)需經(jīng)打磨，打磨后表面應(yīng)平整光滑，無銹點(diǎn)。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)3.劃線：被測點(diǎn)精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)4.清洗：用浸有丙酮的藥棉清洗欲測部位表面，清除油垢灰塵，保持清潔干凈。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)5.涂膠：將選好的應(yīng)變片背面均勻地涂上一層粘結(jié)劑，膠層厚度要適中。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)6.黏貼:將應(yīng)變片的十字線對準(zhǔn)構(gòu)件欲測部位的十字交叉線。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)7.校正：輕輕校正方向(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)8.吸膠：蓋上一張玻璃紙，用手指朝一個方向滾壓應(yīng)變片，擠出氣泡和過量的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)9.固化：貼片后最好自然干燥幾小時，必要時可以加熱烘干。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)10.固定導(dǎo)線：將應(yīng)變片的兩根導(dǎo)線引出線焊在接線端子上，再將導(dǎo)線由接線端子引出。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)11.密封：均勻?qū)⒛z水粘貼在應(yīng)變片表面，防止起泡產(chǎn)生，進(jìn)行密封防護(hù)。(3)應(yīng)變片的粘貼技術(shù)12.測試：放置24小時后，對貼片構(gòu)件進(jìn)行測試。（4）應(yīng)變片的材料和種類按材料分：金屬式體型——金屬絲式、金屬箔式、金屬薄膜型半導(dǎo)體式體型——薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、PN結(jié)型對電阻絲材料有如下要求：①靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；②ρ值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；③電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；④與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢小；⑤機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。常用金屬電阻絲材料的性能康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)，進(jìn)入塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數(shù)在±50×10-6/℃的范圍內(nèi)；康銅的加工性能好，易于焊接，因而國內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。三、電阻應(yīng)變式傳感器的特性

（1）機(jī)械滯后溫度不變時，加載與卸載過程中靈敏度系數(shù)不一致的現(xiàn)象。

原因：粘貼過程中敏感柵不適當(dāng)，變形或粘貼劑固化不充分。

消除辦法：實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加，卸載若干次。

（2）零點(diǎn)漂移和蠕變①溫度不變時，即使未加應(yīng)力，應(yīng)變片指示也會變化，稱零點(diǎn)漂移；產(chǎn)生原因：敏感柵通以工作電流后溫度效應(yīng)，粘潔劑固化不充分，當(dāng)應(yīng)變片承受恒定機(jī)械應(yīng)變量。

②應(yīng)變片的指示應(yīng)變隨時間變化稱為蠕變。產(chǎn)生原因：膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變逐漸減少。四、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1.應(yīng)變式力傳感器被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測力元件、發(fā)動機(jī)的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當(dāng)傳感器在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時，不應(yīng)對輸出有明顯的影響。（1）柱（筒）式力傳感器圖（a）、（b）分別為柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連線時考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響，貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于橋路對臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片R5和R7串接，R6和R8串接，作溫度補(bǔ)償用，接于另兩個橋臂上。圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連線圖（2）環(huán)式力傳感器如圖(a)所示為環(huán)式力傳感器結(jié)構(gòu)圖。與柱式相比，應(yīng)力分布變化較大，且有正有負(fù)。環(huán)式力傳感器(a)環(huán)式傳感器結(jié)構(gòu)圖；(b)應(yīng)力分布

對R/h>5的小曲率圓環(huán)，可用下面的式計算出A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。式中：h——圓環(huán)厚度；

b——圓環(huán)寬度；

E——材料彈性模量。這樣，測出A、B處的應(yīng)變，即可得到載荷F。四、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用2.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力,如動力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。

下圖為膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變εr和切向應(yīng)變εt，表達(dá)式分別為式中：

p——膜片上均勻分布的壓力；

R,h——膜片的半徑和厚度；

x——離圓心的徑向距離。由應(yīng)力分布圖可知，膜片彈性元件承受壓力p時，其應(yīng)變變化曲