電阻式傳感器

1、電阻應(yīng)變片式傳感器的研究摘 要 本文系統(tǒng)地介紹了電阻應(yīng)變式傳感器的組成原理及制作工藝,深入淺出地介紹了傳感器由一種非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量的詳細(xì)過程。闡述了電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理、金屬箔式應(yīng)變片構(gòu)成、電橋電路的單臂、半橋、全橋的性能參數(shù), 比較了三種電橋的優(yōu)缺點(diǎn).關(guān)鍵詞 傳感器 ，敏感元件 ，電橋 ，性能參數(shù)一 引言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運(yùn)輸、冶金、機(jī)械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去?？梢哉f，測試技術(shù)與自動(dòng)控制水平的高低，是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。具體地說傳感器是指

2、那些對(duì)被測對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的可輸出信號(hào)的元器件或裝置。如果沒有傳感器對(duì)被測的原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測試與控制都將無法實(shí)現(xiàn)，即使最現(xiàn)代化的電子計(jì)算機(jī)，沒有準(zhǔn)確的信息（或轉(zhuǎn)換可靠的數(shù)據(jù)），不失真的輸入，也將無法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。其中電阻應(yīng)變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機(jī)構(gòu)的測力裝置，其精度和范圍度是根據(jù)需要來選定的過高的精度要求對(duì)某種使用也無太大意義，過寬的范圍度也會(huì)使測量精度降低，而且會(huì)造成成本過高及增加工藝上的困難，因此，應(yīng)根據(jù)測量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度

3、和范圍度是至關(guān)重要的。但無論何種條件、場合使用的傳感器，均要求其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，經(jīng)久耐用。為此，在研究高精度傳感器的同時(shí)，必須重視可靠性和穩(wěn)定性的研究。目前，包括床暗器的研究、設(shè)計(jì)、試制、生產(chǎn)、檢測與應(yīng)用等諸項(xiàng)內(nèi)容在內(nèi)的傳感器技術(shù)，已逐漸形成了一門相對(duì)獨(dú)立的專門學(xué)科。一般情況下，由于傳感器設(shè)置的場所并非理想，在溫度、濕度、壓力等效應(yīng)的綜合影響下，可引起傳感器零點(diǎn)漂移和靈敏度的變化，已成為使用中的嚴(yán)重問題。雖然人們?cè)谥谱鱾鞲衅鬟^程中，采取了溫度補(bǔ)償及密封防潮的措施，但它與應(yīng)變片、粘帖膠本身的高性能化、粘帖技術(shù)的精確和熟練、彈性體材料的選擇及冷、熱加工工藝的制定均有密切的關(guān)系，哪一方面都不能忽

4、視，都需精心設(shè)計(jì)和制作。同時(shí)，還須注意傳感器的安裝方法，支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置，如何克服橫向力等問題。二 傳感器原理傳感器是一個(gè)完整的測量裝置(或系統(tǒng)), 能把被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出, 以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求.圖1為傳感器組成原理框圖, 它一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成, 有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。 圖2 為應(yīng)變式傳感器安裝示意圖, 它的工作原理基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng), 即金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象.2.1 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片種類繁多, 形式多樣, 但基本構(gòu)造大體相

5、同, 以圖3 絲繞式應(yīng)變片為例。圖3 絲繞式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)以直徑約為0 .025mm 的高電阻率的合金電阻絲繞成形如柵欄的敏感柵, 敏感柵為應(yīng)變片的敏感元件, 作用是敏感于應(yīng)變情況.敏感柵黏結(jié)在基底上, 基底除了能固定敏感柵外, 還有絕緣作用;敏感柵上面粘貼有覆蓋層, 敏感柵電阻絲兩端焊接引出線, 用以和外線相連.L 為應(yīng)變片的標(biāo)距或基長, 是敏感柵沿軸方向測量變形的有效長度;對(duì)具有圓弧端的敏感柵, L 指圓弧外側(cè)之間的距離;對(duì)具有較寬橫柵的敏感柵, L 是兩橫柵內(nèi)側(cè)之間的距離.其寬度b 為最外兩敏感柵外側(cè)之間的距離.敏感柵的基長L 和寬度b , 切勿與基底的長度相混淆, 后者只表明應(yīng)變片的外形尺

6、寸, 并不反映其工作特性。2.2 電阻應(yīng)變公式推導(dǎo)根據(jù)電阻定律其中, 為電阻率;L 和S 分別為電阻的長度和橫截面積.對(duì)R 取全微分對(duì)式(2)左端除以R , 右端除以得其中r為金屬絲半徑。為金屬絲的徑向應(yīng)變，則金屬絲受拉時(shí)，二則之間的關(guān)系為其中, 為金屬材料的泊松比。將式(4)、式(5)代入式(3)得稱為金屬絲的靈敏系數(shù), 表示金屬絲產(chǎn)生單位應(yīng)變時(shí)電阻相對(duì)變化的大小.Ks 越大, 單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化越大.Ks受兩個(gè)因素影響:第一項(xiàng)(1 +2)是由于金屬絲受拉伸后, 材料幾何尺寸發(fā)生變化而引起的;第二項(xiàng)(d/)/x 是由于材料發(fā)生變形時(shí), 其自由電子的活動(dòng)能力和數(shù)量均發(fā)生了變化而引起的,

7、 第二項(xiàng)可正, 可負(fù), 但作為應(yīng)變材料都選為正值, 否則會(huì)降低靈敏度.由于(d/)/x 目前還不能用解析式來表示, 所以Ks只能靠實(shí)驗(yàn)求得.實(shí)驗(yàn)表明, 在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi), 電阻的相對(duì)變化dR/R 與應(yīng)變x 是成正比的, 因而Ks為一常數(shù):R/R =Ksx。2.3 箔式應(yīng)變片利用照相制版或光刻腐蝕方法, 將電阻箔材在絕緣基底下制成各種圖形而成的, 箔材厚度多在0 .001 0 .01mm 之間, 利用光刻技術(shù)可制成適用于各種需要的形狀美觀的稱為應(yīng)變花的應(yīng)變片. 通過光刻、腐蝕等工藝制成的應(yīng)變敏感元件，用它來轉(zhuǎn)換被測部位的受力大小及狀態(tài)，通過電橋原理完成電阻到電壓的比例變化它一般是由敏感柵

8、（箔柵）、基底、覆蓋層、膠黏劑及引出線等組成。而當(dāng)其粘貼在試件（或彈性體）上時(shí)，則還應(yīng)包括試件（或彈性體）、貼片膠和防潮層，從而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)變傳遞系統(tǒng)。其構(gòu)成元件的性能對(duì)其應(yīng)變傳遞性能都將產(chǎn)生不同程度的影響。試件的變形通過膠粘劑層傳遞給基底，基底的變形通過膠層傳遞到箔柵上，引起相應(yīng)的電阻變化，在此傳遞系統(tǒng)中，膠粘劑介于試件（或彈性體）和應(yīng)變片之間，它對(duì)應(yīng)變傳遞起著關(guān)鍵的作用。從應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)可見，應(yīng)變片的應(yīng)變傳遞系統(tǒng)實(shí)際上是試件（或彈性體）、膠粘劑、基底、膠牯劑、敏感箔柵、膠粘劑、覆蓋層等組成的層狀結(jié)構(gòu)，為此其性能不僅取決于所用的膠粘劑、基底、敏感箔柵、覆蓋層等材料的本身性能，而且還與固化溫

9、度、時(shí)間壓力等工藝條件直接有關(guān)。應(yīng)變片或傳感器的穩(wěn)定性取決于敏感箔柵、膠粘劑、基底等本身性能及系統(tǒng)的工藝條件。 金屬箔式應(yīng)變片的工作原理是建立在電阻應(yīng)變效應(yīng)的基礎(chǔ)上。其主要優(yōu)點(diǎn)有:1)制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸正確, 線條均勻, 可制成任意形狀以適應(yīng)不同的測量要求;2)敏感柵界面為矩形, 表面積對(duì)截面之比遠(yuǎn)比圓斷面的大, 故黏合面積大;3)敏感柵薄而寬, 黏結(jié)情況好, 傳遞試件應(yīng)變性能好;4)散熱性好, 允許通過較大的工作電流, 從而增大輸出信號(hào);5)敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可忽略, 蛻變、機(jī)械滯后較小, 疲勞壽命高.2.4 電橋電路測量原理圖4 為電橋工作原理圖, 利用電橋平衡原理,調(diào)節(jié)電

10、路使其達(dá)到平衡, 即電橋輸出電壓U =0 ,即圖4 中伏U0示數(shù)為“0” .當(dāng)其中某一個(gè)電阻(R1到R 4中)發(fā)生變化時(shí), 電橋平衡被破壞, 此時(shí)輸出電壓U不為零, 利用電壓變化可反映電阻阻值的變化.其中一個(gè)或幾個(gè)電阻換成應(yīng)變片, 并將其粘貼于待測器件上, 先調(diào)節(jié)電橋平衡,再對(duì)器件施加壓力使器件發(fā)生形變(應(yīng)變片亦隨之發(fā)生了形變), 此時(shí), 應(yīng)變片電阻發(fā)生變化, 電橋輸出電壓也發(fā)生變化, 輸出電壓的變化即可反映器件的受力情況. 圖4 電橋工作原理圖直流電橋的特性方程：計(jì)算輸出電壓，利用戴維南定理可以將圖4中電橋電路圖等效為以下電路， 等效內(nèi)阻戴維南定理等效電路 由此可以計(jì)算出電橋電路輸出等效電流

11、為等效電動(dòng)式 Uo=Ucd=UacUad 將U0和Rk代入等效電流If中可得直流電橋的特性方程已知電橋平衡是電路中等效電流If=0則可以得到電橋平衡的條件為或直流電橋的靈敏度靈敏度是電橋測量技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，電橋的靈敏度可以用電橋測量臂的單位相對(duì)變化量引出輸出端電壓或電流的相對(duì)變化來表示，即電壓靈敏度：電流靈敏度：其中Uo =Uo U初始 =Uo Uo = Uac Uad （1）單臂變化 R1R+R由靈敏度定義可知單臂變化時(shí)的靈敏度為Su = 0.25U（2）兩臂變化 即R1R+ R R3R-R由靈敏度定義可知單臂變化時(shí)的靈敏度為Su = 0.5U(3)四個(gè)橋臂同時(shí)變化 即 全橋 R1R +

12、R R2R-R R3R-R R4R+R由靈敏度定義可知單臂變化時(shí)的靈敏度為Su = U由此可知，測量電橋輸出給放大器（在放大器的輸出電阻很大的條件下）的電壓大小，是由驅(qū)動(dòng)電源電壓U和橋臂電阻的相對(duì)變化量決定的，而且是正比關(guān)系。輸出電壓大小還和橋臂變化元件多少有關(guān)系，橋臂變化做適當(dāng)?shù)恼{(diào)配后，橋臂變化越多，輸出電壓越大。提高測量電橋的靈敏度，可提高驅(qū)動(dòng)電源電壓和增加變化的橋臂，但不能無限增大驅(qū)動(dòng)電源電壓，因?yàn)闃虮圩兓暮纳⒌墓β视邢?，過大將被燒壞。應(yīng)變片的粘貼技術(shù)電測技術(shù)中，應(yīng)變片粘貼質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)測量的可靠性影響很大，是一個(gè)非常關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意為提高電測結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們應(yīng)在應(yīng)變片的

13、粘貼過程中做到認(rèn)真操作，一絲不茍?jiān)谶x好應(yīng)變片準(zhǔn)備粘貼之前，我們應(yīng)對(duì)應(yīng)變片作嚴(yán)格仔細(xì)地檢查，檢查的內(nèi)容包括： (1)應(yīng)變片的外形檢查，即檢查應(yīng)變片是否存在斷路、短路現(xiàn)象、片中各部位是否有損傷、折斷發(fā)生、片內(nèi)是否夾有氣泡或霉變現(xiàn)象等等 (2)應(yīng)變片電阻值的檢測為保證使用的應(yīng)變片的電阻誤差不超過允許范圍(這個(gè)范圍通常在±05歐)，可事先用精度較高的歐姆表或采用直流電橋?qū)ζ溥M(jìn)行檢測，以免因同組使用的應(yīng)變片的阻值誤差太大而造成測量結(jié)果欠準(zhǔn) (3) 檢查應(yīng)變片上是否標(biāo)有中心線若無，則應(yīng)在其基蓋上補(bǔ)畫出縱、橫線條，這樣可方便粘貼應(yīng)變片與此同時(shí)，被測試件的表面

14、上應(yīng)劃出定位線。以確保應(yīng)變片的粘 貼到位若被測試件的表面質(zhì)量不高，將會(huì)影響應(yīng)變片的粘貼，為此，我們應(yīng)用刮刀或銼刀清除被測點(diǎn)處的氧化皮及污垢，然后用細(xì)砂皮紙?jiān)谠嚰迟N部位(一般應(yīng) 大于應(yīng)變片面積35倍左右的表面)進(jìn)行打磨，沿貼片方向打出45。交叉紋，以保證表面的足夠光滑，最后用劃針在被測點(diǎn)處進(jìn)行畫線，從而保證應(yīng)變片能牢固順利地粘貼。粘貼應(yīng)變片前，還需用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，如丙酮、無水酒精、四氯化碳等溶劑擦洗被測點(diǎn)處的油污，直至棉球上無明顯油漬為止，且注 意此時(shí)勿用手觸摸清洗后的表面然后在應(yīng)變片的粘貼面處涂上薄薄一層膠水，如KH501、KH502膠，一般宜薄不宜厚將

15、應(yīng)變片的方位線對(duì)準(zhǔn)事先在試件 上的劃線，此時(shí)應(yīng)密切注意應(yīng)變片的方位線與試件的劃線是否重合，這時(shí)可在應(yīng)變片上蓋上一層透明紙(或臘紙)，一只手捏住應(yīng)變片的引出線，另一只手的手指 反復(fù)輕輕滾壓透明紙表面，以便將里面多余的膠水和氣泡擠出滾壓應(yīng)變片時(shí)切記不能垂直用力，不能產(chǎn)生滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，待膠水和氣泡被完全擠出后，還應(yīng)保持手指 不動(dòng)約一分鐘左右當(dāng)然也可以在試件表面蓋上一層玻璃紙，然后墊上一塊硅皮，用夾具或平整的壓塊輕壓應(yīng)變片的粘貼處，這些做法的目的均是為了保證應(yīng)變片在 粘貼過程中不發(fā)生錯(cuò)移，保證其方位線與被測試件測試點(diǎn)處的定位線完全重合。 粘貼后的應(yīng)變片可

16、讓其在室溫中自然干燥15至24h為節(jié)省時(shí)間，也可在自然干燥數(shù)小時(shí)后，用紅外線燈進(jìn)行烘烤，但溫度應(yīng)控制在不超過40度80度范圍若一開始就烘烤，則應(yīng)變片敏感柵材料的電阻系數(shù)將會(huì)隨溫度的驟然變化而改變，這對(duì)于后面的測試工作不利上述工作完成后，還應(yīng)對(duì)應(yīng)變片的粘貼質(zhì)量進(jìn)行檢查，例如可通過放大鏡觀察應(yīng)變片粘貼位置和方位角是否準(zhǔn)確，粘貼表面有無氣泡，應(yīng)變片是否粘貼牢固；用萬用表 測量應(yīng)變片有無斷路、短路現(xiàn)象若無異常，則再用低壓變阻表測量應(yīng)變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻是否符合要求。這一阻值通常應(yīng)達(dá)到100M歐以上 才可作用 接下來，我們?cè)趹?yīng)變片的引出線附近粘貼一片接線端子

17、，同時(shí)在引出線下面粘貼一層絕緣膠布。此舉意在保證引出線焊點(diǎn)處的絕緣爾后將測量 導(dǎo)線的一端靠近應(yīng)變片的引出線，在測量導(dǎo)線焊接端去皮約3mm 并涂上焊錫后，用電烙鐵將應(yīng)變片引出線與測量導(dǎo)線進(jìn)行錫焊接時(shí)要快且準(zhǔn)，以免產(chǎn)生氧化物而影響焊點(diǎn)質(zhì)量應(yīng)變片接好導(dǎo)線后應(yīng)立即在應(yīng)變片的焊接 端子處涂上一層防護(hù)層，以對(duì)其進(jìn)行防濕、防潮、防老化處理，從而延長其使用壽命短期防護(hù)可采用凡士林作防護(hù)劑，長期防護(hù)可采用密封性好的防護(hù)劑。如環(huán)氧 樹脂、氯丁橡膠、硅橡膠密封劑等。展望傳感囂是實(shí)現(xiàn)測試與自動(dòng)控制（包括遙感、遙測、遙控）的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)

18、換，那么可想而知，一切準(zhǔn)確的測試與控制將無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前世界范的信息革命正在猛烈沖擊若各個(gè)領(lǐng)域，信息革命的兩大重要支柱就是信息的采集與處理，信息的采集（捕獲）與轉(zhuǎn)換主要依賴于各類傳感器，而應(yīng)變片式傳感器又是傳感器中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一。信息的處理則主要依賴于各類計(jì)算機(jī)。電子技術(shù)與電子計(jì)算機(jī)為信息的處理提供了極其完善的手段，計(jì)算機(jī)與智能儀器很快地在各十科學(xué)技術(shù)部門發(fā)揮著巨大的作用，但是，如果沒有各種類型傳感器去準(zhǔn)確地捕獲井轉(zhuǎn)換信息，即使最現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)也特?zé)o法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。所以傳感器制作的精良和精確是至關(guān)重要的，我們應(yīng)該充分利用所學(xué)知識(shí)，不斷創(chuàng)新。雖然現(xiàn)在傳感器技術(shù)已經(jīng)很成熟，但是還有很多不足，還有許多值得改進(jìn)的地方。這正是我們努力的方向和目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 醫(yī)用傳感器 第2版 陳安寧 主編 科學(xué)出版社2 電阻應(yīng)變片式傳感器的研究 楊艷安盼龍趙瑞娟 物理與工程