KC04040204-m04-電阻應(yīng)變片.

1、傳感器及應(yīng)用學(xué)習(xí)輔導(dǎo) 電阻應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片的分類及其工作原理 電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片 又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘 合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變， 使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí) 產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大 器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 一、金屬電阻應(yīng)變片 1. 金屬電阻應(yīng)變片的分類及其結(jié)構(gòu) 金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式，

2、薄膜式三種。金屬絲電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)見圖。它 主要由粘合層1、3,基底2、蓋片4,敏感柵5,引出線6構(gòu)成。 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫第7頁/共6頁 圖 2.1-2 金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。 金屬箔柵采用光刻技 術(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、 尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、 傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見下圖。 ZLH Ri 3 (1 )薄膜式應(yīng)變片 薄膜式應(yīng)變片的敏感柵是以蒸鍍或?yàn)R射法沉積的金屬、合金薄膜制成的。其厚度 一般在0.1卩m以下。實(shí)際上，通常是將薄膜式應(yīng)變片與傳感器的彈性體制成一個(gè)

3、不 可分割的整體，亦即在傳感器彈性體的應(yīng)變敏感部位表面上首先沉積形成很薄的絕緣 層，然后在其上面沉積薄膜應(yīng)變片的圖形，然后再覆上一層保護(hù)層。由于薄膜式應(yīng)變 片與傳感器的彈性體之間只有一層超薄絕緣層（厚度僅為幾個(gè)納米），很容易通過彈 性體散熱，因此允許通過比其他種類應(yīng)變片更大的電流，并可以獲得更高的輸出和更 佳的穩(wěn)定性。 應(yīng)變式力傳感器 5 MS空E 5更 * a- 盒 t 爭(zhēng)盧 Ji蛙- r; 5創(chuàng) 電阻應(yīng)變片的外形 電阻應(yīng)變片 ？電阻應(yīng)變式力傳感器的核心是電阻應(yīng)變片。 ?導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下伸長或縮短時(shí)，它的電阻值會(huì)相 化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 ?將應(yīng)變片貼在被測(cè)物體上，使

4、其隨著被測(cè)物的應(yīng)變一起伸縮，這樣應(yīng)變片里面 的金屬材料就隨著外界的應(yīng)變變長或縮短，其阻值也就會(huì)相應(yīng)的變化。 ?應(yīng)變片就是利用應(yīng)變效應(yīng)，通過測(cè)量電阻的變化而對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量的。 應(yīng)的發(fā)生變 2.金屬電阻應(yīng)變片工作原理簡介 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲在受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻隨著 所發(fā)生機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化。電阻應(yīng)變效應(yīng)的理論公式如下： 式中* fi電 51 率（mmm/m） L一金屬絲的民度（mh S金展絲的載面積（mmjn ll 由上式可知，金屬絲在承受應(yīng)力而發(fā)生機(jī)械變形的過程中, 從而必然會(huì)引起金屬絲電阻值的變化。當(dāng)受外力伸張時(shí)， L、S三者都要發(fā)生

5、變化， 長度增加，截面積減小， 電阻值增 加；當(dāng)受壓力縮短時(shí)，長度減小，截面積增大，電阻值減小。因此，只要能測(cè)出電阻值的變 化，便可金屬絲的應(yīng)變情況。這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為 式中： R-金屬絲電阻值的變化量； Ko-金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)，它主要由試驗(yàn)方法確定，且在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù)值 -金屬材料的軸向應(yīng)變值,即 勤在0.24-0.4 之間。 L ,因此又稱為長度應(yīng)變值,對(duì)金屬絲而言,其值 在實(shí)際應(yīng)用中，將金屬電阻應(yīng)變片粘貼在傳感器彈性元件或被測(cè)饑械零件的表面。當(dāng)傳感器 中的彈性元件或被測(cè)機(jī)械零件受作用力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，粘貼在其上的應(yīng)變片也隨之發(fā)生相同的 機(jī)械變形，引起應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。 這時(shí)，

6、電阻應(yīng)變片便將力學(xué)量轉(zhuǎn)換為電阻的變 化量輸出。 3.金屬電阻應(yīng)變片電橋電路圖 金屬電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)測(cè)量時(shí)，需要和電橋電路一起使用；由于應(yīng)變片電橋電路的 輸出信號(hào)微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，故多采用交流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行 放大處理，所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電供電，組成交流電橋。根據(jù)讀數(shù)方法的不 同，電橋又分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。 平衡電橋僅適合測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋 則適合測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。 為了方便起見，下面僅就直流不平衡電橋 由于直流電橋和交流電橋在工作原埋上相似， 進(jìn)行介紹。 R1, 圖所示電路是輸出端接放大器的直流不平衡電橋的電路。第一橋臂接電阻應(yīng)變片 其

7、他三個(gè)橋臂接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片R1末發(fā)生應(yīng)變時(shí)，由于沒有阻值變化，電橋維持初始 平衡條件的 R1.R4=R2.R3，因而輸出為零，即 U0UT=A(RI.R4 R2.R3)=0 當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片產(chǎn)生R1的電阻變化，電橋處于不平衡狀態(tài)，此時(shí) out =- f/pB （尺1-厶尺1+ 4） 尺t /?4 尺2 兒 O H P 假設(shè) ,并考慮到電橋初始平衡條件 3 ,省略去分母中的微量 n斤I 則上式可寫成為 從式中可以看出，輸出電壓正比于應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的電阻變化量們。 二、半導(dǎo)體應(yīng)變片 1.半導(dǎo)體應(yīng)變片的定義及其應(yīng)用 半導(dǎo) 利用半導(dǎo)體單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的一種敏感元件，又稱半導(dǎo)體應(yīng)

8、變片。壓阻效 應(yīng)是半導(dǎo)體晶體材料在某一方向受力產(chǎn)生變形時(shí)材料的電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。 體應(yīng)變片需要粘貼在試件上測(cè)量試件應(yīng)變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測(cè) 外力。利用不同構(gòu)形的彈性敏感元件可測(cè)量各種物體的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、扭矩、力口 速度等機(jī)械量。半導(dǎo)體應(yīng)變片與電阻應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高(約高5000 倍)、機(jī)械滯后小、體積小、耗電少等優(yōu)點(diǎn)。P型和N型硅的靈敏系數(shù)符號(hào)相反，適 于接成電橋的相鄰兩臂測(cè)量同一應(yīng)力。早期的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕 等方法制成，稱為體型半導(dǎo)體應(yīng)變片。它的缺點(diǎn)是電阻和靈敏系數(shù)的溫度系數(shù)大、非 線性大和分散性大等。這曾限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。自70年代以來

9、，隨著半導(dǎo)體集 成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)擴(kuò)散型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，上述缺點(diǎn) 得到一定克服。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要應(yīng)用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、車輛、船舶、機(jī)床、橋梁等各 種設(shè)備的機(jī)械量測(cè)量。 2. 半導(dǎo)體應(yīng)變片分類 （1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 6種。 這種半導(dǎo)體應(yīng)變片是將單晶硅錠切片、研磨、腐蝕壓焊引線，最后粘貼在鋅酚 醛樹脂或聚酰亞胺的襯底上制成的。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片可分為 普通型：它適合于一般應(yīng)力測(cè)量； 溫度自動(dòng)補(bǔ)償型：它能使溫度引起的導(dǎo)致應(yīng)變電阻變化的各種因素自動(dòng)抵消， 只適用于特定的試件材料； 靈敏度補(bǔ)償型：通過選擇適當(dāng)?shù)囊r底材料（例如不銹鋼），并采用穩(wěn)流電路， 使溫度引起的靈敏度變化極??；

10、高輸出（高電阻）型：它的阻值很高（210千歐），可接成電橋以高電壓供電 而獲得高輸出電壓，因而可不經(jīng)放大而直接接入指示儀表。 適用于大應(yīng)變 超線性型：它在比較寬的應(yīng)力范圍內(nèi)，呈現(xiàn)較寬的應(yīng)變線性區(qū)域， 范圍的場(chǎng)合； P-N組合溫度補(bǔ)償型：它選用配對(duì)的 P型和N型兩種轉(zhuǎn)換元件作為電橋的相鄰兩 臂，從而使溫度特性和非線性特性有較大改善。 （2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在 A/店;: 帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的（圖1）。它通過改變真空沉積時(shí)襯底的溫度 來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適 于不同試件材料的溫度自補(bǔ)償薄

11、膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和 半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。 （3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個(gè)高電阻 （圖 硅基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成 2）。它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，機(jī)械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導(dǎo)體 應(yīng)變片小一個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)是由于存在P-N結(jié)，當(dāng)溫度升高時(shí)，絕緣電阻大為下降。 新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用擴(kuò)散法制成的。 （4）外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片 它的優(yōu)點(diǎn)是 這種應(yīng)變片是在多晶硅或藍(lán)寶石的襯底上外延一層單晶硅而制成的。 取消了 P-N結(jié)隔離，使工作溫度大為