鐵道車輛傳感器技術-電阻應變式傳感器

項目一傳感器技術

任務2電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器結構和工作原理1.2電阻應變式傳感器概述0102電阻應變式傳感器的特性03電阻應變式傳感器的應用04一、電阻應變式傳感器概述

電阻應變式傳感器是利用金屬的電阻應變效應制造的一種測量微小變化量（機械）的傳感器。用途：將電阻應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型電阻應變式拉壓力高精度傳感器采用剪切結構彈性體，具有精度高、穩(wěn)定性能好、抗偏載能力強等特點，適應于料斗秤、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、電阻應變式傳感器結構和工作原理

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

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

材料的應變效應:金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大當金屬絲受到外力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變，為金屬絲徑向應變。則式中,μ為電阻絲材料的泊松比，負號表示應變方向相反?；?/p>

通常把單位應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變所引起的電阻相對變化量，其表達式為（1）對于金屬材料，導電率不變，即dρ/ρ<<1，因此有：當金屬材料確定后，應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，當力作用到用金屬材料制作的應變片上時，其電阻相對變化與電阻絲軸向應變成正比。（2）對于半導體，由于dρ/ρ項的數(shù)值遠比（1＋2μ）ε項大，即半導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）常用的應變片靈敏度系數(shù)大致是：金屬導體應變片約為2左右，但不超過4～5；半導體應變片約為100～200?？梢姲雽w應變片的靈敏度系數(shù)值比金屬導體的靈敏度系數(shù)值大50-80倍。

但半導體材料的溫度系數(shù)大，應變時非線性比較嚴重，使它的應用范圍受到一定的限制。

。2.半導體應變片及金屬絲式應變片的結構金屬絲式應變片的內部結構應變片外形常用應變片的形式

（1）敏感柵是應變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護作用的覆蓋層，兩端焊接引出導線。引線是從敏感柵到測量導線之間的過渡部分，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、保護作用，基片要將被測體的應變準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)應變片的粘貼技術1.選片:首先檢查應變片的外觀，剔除敏感柵有形狀缺陷，片內有氣泡、霉斑、銹點的應變片，再用電橋測量應變片的電阻值，并進行阻值選配。(3)應變片的粘貼技術2.打磨:選擇的構件表面待測點需經(jīng)打磨，打磨后表面應平整光滑，無銹點。(3)應變片的粘貼技術3.劃線：被測點精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位。(3)應變片的粘貼技術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)應變片的粘貼技術5.涂膠：將選好的應變片背面均勻地涂上一層粘結劑，膠層厚度要適中。(3)應變片的粘貼技術6.黏貼:將應變片的十字線對準構件欲測部位的十字交叉線。(3)應變片的粘貼技術7.校正：輕輕校正方向(3)應變片的粘貼技術8.吸膠：蓋上一張玻璃紙，用手指朝一個方向滾壓應變片，擠出氣泡和過量的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻。(3)應變片的粘貼技術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)應變片的粘貼技術10.固定導線：將應變片的兩根導線引出線焊在接線端子上，再將導線由接線端子引出。(3)應變片的粘貼技術11.密封：均勻將膠水粘貼在應變片表面，防止起泡產生，進行密封防護。(3)應變片的粘貼技術12.測試：放置24小時后，對貼片構件進行測試。（4）應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、金屬薄膜型半導體式體型——薄膜型、擴散型、外延型、PN結型對電阻絲材料有如下要求：①靈敏系數(shù)大，且在相當大的應變范圍內保持常數(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??；⑤機械強度高，具有優(yōu)良的機械加工性能。常用金屬電阻絲材料的性能康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內能保持為常數(shù)，進入塑性變形范圍內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；康銅的加工性能好，易于焊接，因而國內外多以康銅作為應變絲材料。三、電阻應變式傳感器的特性

（1）機械滯后溫度不變時，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，變形或粘貼劑固化不充分。

消除辦法：實驗之前應將試件預先加，卸載若干次。

（2）零點漂移和蠕變①溫度不變時，即使未加應力，應變片指示也會變化，稱零點漂移；產生原因：敏感柵通以工作電流后溫度效應，粘潔劑固化不充分，當應變片承受恒定機械應變量。

②應變片的指示應變隨時間變化稱為蠕變。產生原因：膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變逐漸減少。四、電阻應變式傳感器的應用1.應變式力傳感器被測物理量為荷重或力的應變式傳感器時，統(tǒng)稱為應變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測等。應變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，當傳感器在受到側向作用力或力的作用點少量變化時，不應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，應變片粘貼在彈性體外壁應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)式力傳感器結構圖。與柱式相比，應力分布變化較大，且有正有負。環(huán)式力傳感器(a)環(huán)式傳感器結構圖；(b)應力分布

對R/h>5的小曲率圓環(huán)，可用下面的式計算出A、B兩點的應變。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處的應變，即可得到載荷F。四、電阻應變式傳感器的應用2.應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力,如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內部的壓力、槍管及炮管內部的壓力、內燃機管道的壓力等。應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，應變片貼在膜片內壁，在壓力p作用下，膜片產生徑向應變εr和切向應變εt，表達式分別為式中：

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。由應力分布圖可知，膜片彈性元件承受壓力p時，其應變變化曲