【正文】 第 3章 應(yīng)變式傳感器 力 /壓力傳感器應(yīng)用廣泛、影響面寬， 不僅可以測量力和壓力 ，也可以用于測量負(fù)荷、加速度、扭矩、位移等其他物理量，他們都與機(jī)械應(yīng)力有關(guān)，所以把這類傳感器稱為力學(xué)量傳感器。 傳統(tǒng)的測量力的方法是利用彈性元件的形變和位移來表示的 ，其特點(diǎn)是成本低，不需要電源，但體積大、笨重、輸出為非電量。 后來隨著微電子技術(shù)發(fā)展， 利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和彈性與集成電路工藝 ，研制出了半導(dǎo)體力和壓力傳感器，使這類傳感器有了長足的進(jìn)步，而且半導(dǎo)體壓力傳感器正向集成化和智能化方向發(fā)展。 第 3章 應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變計 ， 也稱應(yīng)變片 ， 是進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變測量的關(guān)鍵元件 ，電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器 , 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成 。 當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時 , 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化 , 通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出 , 電量變化的大小反映了被測物理量的大小 。 應(yīng)變式電阻傳感器是目前測量力 、 力矩 、 壓力 、 加速度 、 重量等參數(shù)應(yīng)用最廣泛的傳感器 。 工作原理 電阻應(yīng)變計按照敏感柵所使用的材料可以分為 金屬電阻應(yīng)變片 和 半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 兩種。 一、金屬應(yīng)變計的結(jié)構(gòu) 金屬電阻應(yīng)變片 是一種能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。 由 敏感柵 基底 覆蓋層 引線 4和粘合劑 等組成 。 這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能 。 因此 ， 應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇 。 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 柵長 柵寬 由 敏感柵 基底 覆蓋層 引線 4和粘合劑 等組成 。 這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能 。 因此 ， 應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇 。 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 柵長 柵寬 應(yīng)用時將應(yīng)變片用粘結(jié)劑牢固地粘貼在 被測試件 表面上 。當(dāng)試件受力變形時 ， 應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形 ， 引起應(yīng)變片電阻值變化 ， 通過測量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號輸出 。 應(yīng)變計 金屬應(yīng)變片 （ 1） 敏感柵 由金屬細(xì)絲繞成柵形 。 電阻應(yīng)變片的電阻值為 60Ω 、120Ω 、 200Ω 等多種規(guī)格 ， 以 120Ω 最為常用 。 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 柵長 柵寬 （ 2） 基底和覆蓋層 基底 ： （ 1） 保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置； （ 2）它是將應(yīng)變傳遞到敏感柵的中間介質(zhì)； （ 3）起到敏感柵（金屬絲）與試件之間的絕緣作用。 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 柵長 柵寬 （ 2） 基底和覆蓋層 覆蓋層： 既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵。 （ 3） 引線 是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線 。 對引線材料的性能要求：電阻率低 、 電阻溫度系數(shù)小 、 抗氧化性能好 、 易于焊接 。 大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線 。 （ 4） 粘結(jié)劑 用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。 2 3 4 1 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 b l 柵長 柵寬 二、金屬應(yīng)變計的材料 對電阻絲材料應(yīng)有如下要求： 二、金屬應(yīng)變計的材料 對電阻絲材料應(yīng)有如下要求： ， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù) 。 ， 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 。 ， 否則因環(huán)境溫度變化也會改變其電阻值 。 ， 與其它金屬的接觸電勢小 。 ， 具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能 。 康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料 ， 國內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料 。 三、金屬應(yīng)變計的基本原理 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時 ， 其電阻值將發(fā)生變化 ， 這種現(xiàn)象稱為金屬的 電阻應(yīng)變效應(yīng) 。 設(shè)有一根長度為 l、截面積為 S、電阻率為 ρ 的金屬絲，其電阻 R為 SlR ??圖 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲的電阻變化與受力后橫截面積的變化、長度的變化和電阻率的變化有關(guān)。 圖 金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 兩邊取偏微分，得 SlR ???? dRdSSRdllRdR ????????????其中 SlRSlSRSlR ????????????? ,2則 ??? dSldSS ldlSdR ?????? 2??? dSldSS ldlSdR ?????? 2?????????dSlrdrSldlSdSlSdSSldlSdSldSSldlSdR??????????????????22S=π r 2 ? ?rdrrr d rrrdSdS 22222??? ????則 則 ????????dldlrdrldldrdrldlSldSlrdrSldlSRdR??????????????????/2122RdR——電阻的相對變化 ??d ——電阻率的相對變化 ldl ——金屬絲長度的相對變化或軸向應(yīng)變，用 ξ表示 SdS——截面積的相對變化 ??dldlrdrldlRdR ??????? ?? /21ldlrdrr /???????dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即 徑向應(yīng)變?yōu)?ε r。 εr= –με 由材料力學(xué)知 式中： μ——金屬材料的泊松系數(shù) 即 則 ? ? ??? dldlRdR ??? 21則 )21()21( ??????? ?????? dldldRdR????? ??? 0)//21()/21( Kl lldldl ldRdR ????????? 金屬絲電阻的相對變化與金屬絲的伸長或縮短之間存在比例關(guān)系。 比例系數(shù) K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù) 。 K0的物理意義： 單位應(yīng)變引起的電阻相對變化。 一般金屬絲的 K0取值區(qū)間為： 2～ 6 ldlrdrr /???????其中 泊松系數(shù)是橫向線度的相對縮小和縱向線度相對伸長之間的固定比例，一般材料的 μ 為常數(shù)。 則金屬應(yīng)變計的靈敏系數(shù) K0僅由形變變化引起； 一般金屬的壓阻系數(shù)很小，可以忽略。 則 K0≈ 1+2μ ； ldlrdrr /???????由于 ? ????? ??? 21)/21( 0 ??????? Kl ldRdR 一般材料形變時，晶格畸變引起電阻率變化→ (dρ/ρ)/ε 有一定值，該定值稱為壓阻系數(shù)（表示電阻率隨軸向應(yīng)變 ε 的變化） ?? ??? 0)/21( Kl ldRdR ????? 由于一般材料的壓阻系數(shù) μ 是常數(shù)；則可以看出，當(dāng)金屬絲受拉力變形時，其電阻的相對變化率 dR/R與金屬絲縱向應(yīng)變 ε 成正比。 ? ???? 210