传感技术复习笔记(3)——电阻应变计式传感器

1 应变效应

  • 导体或半导体材料在外界力(固体内部应力)的作用下产生机械变形时,其电阻值发生变化, 这种现象称为“应变效应”。

1.1 应变电阻的结构

传感技术复习笔记(3)——电阻应变计式传感器_第1张图片

  • 一根长l,截面积为A的金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为: R = ρ l A R=\rho \frac{l}{A} R=ρAl
  • 当电阻丝(均质细棒)受到拉力 F 作用时,将伸长dl,横截面积相应减小dA,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ,从而引起电阻值相对变化量为:
    d R R = d ρ ρ − d l l + d A A \frac{dR}{R}=\frac{d\rho }{\rho }-\frac{dl}{l}+\frac{dA}{A} RdR=ρdρldl+AdA

1.2 灵敏系数 K

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- 灵敏系数 K 受两个因素影响:
- 材料几何尺寸的变化, 即1+2μ;
- 材料的电阻率发生的变化, 即(dρ/ρ)/ε。
- 大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。

2 金属和半导体

2.1 金属材料的应变电阻效应

  • 金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。
  • 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。
  • 这就是金属材料的应变电阻效应。
  • 对金属或合金, 一般Km=1.8~4.8。

2.2 半导体材料的压阻效应

  • 压阻效应是指半导体材料,当某一轴向受外力作用时, 其电阻率ρ发生变化的现象。
  • 由于πE>>(1+2μ),因此半导体丝材的灵敏系数Ks≈πE。即半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(50~80)Km。

2.3 金属-半导体应变片特性小结

2.3.1 灵敏度

  • 金属电阻丝: Km=1+2 m, m为金属材料的泊松系数, m =0.3~0.5
  • 半导体材料: Ks=(50~80)Km, 可测微小应变(600微应变),长度相对变化量为10-6mm/mm为1微应变

2.3.2 线性度

  • 金属电阻丝:非线性误差小,在较大测量范围内应变片灵敏系数基本不变
  • 半导体材料:非线性误差严重,测量范围小

2.3.3 动态特性

  • 金属电阻丝:响应速度在低频时较好,但随频率提高,响应速度有可能跟不上而导致失真
  • 半导体材料:因体积小,保证响应速度良好的频率范围较宽

3 电阻应变计的结构与类型

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3.1 电阻应变计的结构

  1. 敏感栅:实现试件表面应变向电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.015~0.05mm的金属丝绕成栅状,或用金属箔腐蚀成栅状。
  2. 基底:为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置,通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄,一般为0.02~0.04mm。
  3. 引线:起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1~0.15mm的低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。
  4. 盖层:用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层;起着防潮、防蚀、防损等作用。
  5. 粘结剂:制造应变计时,用它分别把盖层和敏感栅固结于基底;使用应变计时,用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。
    常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温,常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。

3.2 电阻应变计的类型

  1. 金属丝式应变片
    主要有丝绕式(回线式)和短接式二种。回线式最为常用,制作简单,性能稳定,成本低,易粘贴,但横向效应较大。
    短接式应变计的最大优点是横向效应系数很小(<0.1%),但由于它的焊点多,焊点处截面变化剧烈,因而疲劳寿命短。
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  2. 金属箔式应变片
    利用照相制版或光刻技术将厚约0.003~0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅,也称为应变花
    传感技术复习笔记(3)——电阻应变计式传感器_第5张图片
  3. 半导体应变片
    由单晶半导体经切型、切条、光刻腐蚀成形,然后粘贴在薄的绝缘基片,最后再加上保护层。 但重复性、温度及时间稳定性差。
    灵敏系数大,比丝栅式、箔片式大几十倍,因而输出的信号大;
    横向效应系数小;
    机械滞后小;
    本身的体积小,便于制作小型传感器
    传感技术复习笔记(3)——电阻应变计式传感器_第6张图片

4 静态特性(灵敏度)

  • Δ R / R = K ε x \Delta R/R=K\varepsilon _{x} ΔR/R=Kεx ε x \varepsilon _{x} εx应变计的轴向应变
  • 一般K<K0(应变片敏感栅整长应变丝的灵敏系数)
  • 灵敏系数 K 除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外,尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。
  • K值通常采用从批量生产中抽样,在规定条件下通过实测确定,即应变片的标定;故 K 又称标定灵敏系数。

5 应变电桥

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5.1 电桥平衡条件

R 1 R 3 = R 2 R 4 R_1 R_3 = R_2 R_4 R1R3=R2R4

  • 相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。

5.2 单臂电桥的电压灵敏度

在这里插入图片描述

6 电阻应变计的温度效应及其补偿

6.1 温度效应

  • 由温度变化引起的应变片电阻变化的现象,称为应变片的温度效应。
  • 在温度的作用下,应变片电阻相对变化与其
    • 敏感栅材料的电阻温度系数αt
    • 敏感栅材料线膨胀系数βt
    • 试件和基底材料体膨胀系数βs 有关

6.2 热输出

  • 应变片在无测量应力作用时的温度效应用应变形式表示,称为应变片相对的热输出(温度作用的结果实际最终是以应变的形式表现出来)
  • 前部分αtΔt/K 为应变片的热阻效应所造成;
    后部分(βs-βt)Δt 为敏感栅与试件(和基底)热膨胀失配所引起。
    在这里插入图片描述
  • 在工作温度变化较大时,热输出给应变片的测量造成很大的误差,因此,这种热输出的干扰必须加以补偿和消除。

6.3 热输出补偿方法

6.3.1 温度自补偿法

  • 精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 。
  1. 单丝自补偿应变计
    在研制和选用应变计时,若选择敏感栅的合金材料,其αt 、βt能与试件材料的βs相匹配,即满足 ε t = 0 \varepsilon _t =0 εt=0,达到温度自补偿的目的。
  2. 双丝自补偿应变计
    敏感栅由电阻温度系数一正一负的两种合金丝串接而成。当工作温度变化时,若Ra栅产生正的热输出εa与Rb栅产生负的热输出εb相等或相近,就可达到自补偿的目的
    传感技术复习笔记(3)——电阻应变计式传感器_第8张图片

6.3.2 桥路补偿法

  • 桥路补偿法是利用电桥桥臂两边上电压和、差原理来达到补偿的目的
  1. 双丝桥式法
    与双丝自补偿应变片雷同
    不同的是,敏感栅是由电阻温度系数同符号的两种合金丝串接而成;而且栅的两部分电阻 R1和 R2分别接入电桥的相邻两臂上。
    工作栅R1接入工作臂,补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)接入补偿臂,另两臂接入平衡电阻R3和R4
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  2. 补偿块法——两个应变片
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