電阻應(yīng)變傳感器

1、每課一新傳感器介紹每課一新傳感器介紹美研制美研制“武士武士”傳感器傳感器美國陸軍正在研制一種可嵌入未來美國陸軍正在研制一種可嵌入未來“武士武士”軍軍服內(nèi)的傳感器系統(tǒng)，指揮官和醫(yī)護(hù)人員可通過這個(gè)服內(nèi)的傳感器系統(tǒng)，指揮官和醫(yī)護(hù)人員可通過這個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測“武士武士”們的生理狀態(tài)。該項(xiàng)研究將產(chǎn)生們的生理狀態(tài)。該項(xiàng)研究將產(chǎn)生下一代戰(zhàn)斗軍服，內(nèi)嵌有可配置的微型無線傳感器下一代戰(zhàn)斗軍服，內(nèi)嵌有可配置的微型無線傳感器群。目前的試驗(yàn)傳感器可監(jiān)測心跳、步行（行軍）群。目前的試驗(yàn)傳感器可監(jiān)測心跳、步行（行軍）的代謝能量消耗、內(nèi)層皮膚溫度以及靈敏或遲鈍情的代謝能量消耗、內(nèi)層皮膚溫度以及靈敏或遲鈍情況。未來的傳感器

2、將把數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)中央集線器況。未來的傳感器將把數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)中央集線器設(shè)備，該設(shè)備做成呼機(jī)大小，佩帶在士兵皮帶上，設(shè)備，該設(shè)備做成呼機(jī)大小，佩帶在士兵皮帶上，形成一個(gè)低功率的無線個(gè)人局域網(wǎng)。傳感器的數(shù)據(jù)形成一個(gè)低功率的無線個(gè)人局域網(wǎng)。傳感器的數(shù)據(jù)提供關(guān)于士兵體力消耗、生理壓力和警覺程度等的提供關(guān)于士兵體力消耗、生理壓力和警覺程度等的信息。信息。 電阻應(yīng)變式傳感器概述電阻應(yīng)變式傳感器概述v工作原理：金屬絲、箔、薄膜在外界應(yīng)力工作原理：金屬絲、箔、薄膜在外界應(yīng)力 作用下電作用下電阻值變化的效應(yīng)阻值變化的效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)v結(jié)構(gòu)簡單，使用方便結(jié)構(gòu)簡單，使用方便v可測力、壓力、位移、應(yīng)變、

3、加速度等物理量；可測力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度等物理量；彈性彈性敏感敏感元件元件力、壓力、壓力、位力、位移移電阻電阻應(yīng)變應(yīng)變片片電橋電橋電路電路RUv易于實(shí)現(xiàn)自動化、多點(diǎn)及遠(yuǎn)距離測量、遙測；易于實(shí)現(xiàn)自動化、多點(diǎn)及遠(yuǎn)距離測量、遙測；v靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；應(yīng)變片用于各種電子衡器應(yīng)變片用于各種電子衡器 磅秤磅秤電子天平電子天平材料應(yīng)變的測量材料應(yīng)變的測量斜拉橋上的斜拉斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試?yán)K應(yīng)變測試 汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)汽車衡汽車衡2.1 2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)

4、金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲受拉時(shí)，金屬絲受拉時(shí)，l變長、變長、r變小，導(dǎo)致變小，導(dǎo)致R變大變大 。lRS應(yīng)變電阻傳感測量原理應(yīng)變電阻傳感測量原理應(yīng)變片應(yīng)變片產(chǎn)生微小變形產(chǎn)生微小變形電阻值變化電阻值變化RSxd RKR測得應(yīng)變值測得應(yīng)變值求得應(yīng)力值求得應(yīng)力值xxE外力外力F FFA電阻絲應(yīng)變片電阻絲應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻絲電阻絲( (敏感柵敏感柵) )轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基底與面膠基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層蓋層引線引線-

5、連接測量導(dǎo)線之用連接測量導(dǎo)線之用1) 敏感柵q 敏感柵用來感受應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為電阻的變化。q 金屬絲電阻應(yīng)變片的敏感柵由具有高電阻率的金屬絲(康銅或鎳鉻合金等，直徑0.0150.05mm左右)繞成。SRR 上式S為常數(shù)，通常很小，為了得到較大的R，就必須增大R值。q 金屬箔式電阻應(yīng)變片的敏感柵是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬柵采用光刻技術(shù)制造，適于大批量生產(chǎn)。其線條均勻，尺寸準(zhǔn)確，阻值一致性好。箔片厚約1um10um，散熱好，黏結(jié)情況好，傳遞試件應(yīng)變性能好。因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片。2) 基底和覆蓋層q 基底和覆蓋層的作用是保持敏感柵的幾何形狀及敏感柵與被測試件之間的電絕緣，并起著防潮

6、、防蝕、防損等作用。3) 引線q 引線起著敏感柵與測量電路之間過渡連接和引導(dǎo)的作用。4) 粘結(jié)劑q 粘結(jié)劑的作用是把覆蓋層和敏感柵固結(jié)在基底上。使用時(shí)，把應(yīng)變片基底再粘貼在試件表面的被測部位。金屬絲的電阻：金屬絲的電阻： ALRdRdAARdLLRdRdALdAARdLAdRdLdLLdLAdAdAdALdLRdR)1 (電阻相對變化：2lldRdldsdsssdRdldsdRlsdll金屬絲的軸向應(yīng)變；金屬絲的軸向應(yīng)變；rdrr金屬絲的徑向應(yīng)變金屬絲的徑向應(yīng)變（ dS /S=2dr/r） ； 泊松系數(shù)；(Poisson ratio)r 電阻相對變化：(12 )dRdR 12SdRdKR令：令

7、：在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)在金屬絲的彈性范圍內(nèi)，靈敏系數(shù)K KS S 為常數(shù)，即為常數(shù)，即 ： sRKR線性關(guān)系線性關(guān)系通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。例如，當(dāng)表示之。例如，當(dāng) 為為0.0000010.000001時(shí)，在工程中時(shí)，在工程中常表示為常表示為1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變()()。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于要大于1 1 10-310-3，即，即10001000 m/mm/m，否則有可能超過材料的極限

8、強(qiáng)度而導(dǎo)，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。致斷裂。xdK/21xKRdRK的大小受兩個(gè)因素影響：一是1+2u，由電阻絲尺寸決定的；另一個(gè)是 ，它表示為電阻率隨應(yīng)變的變化，稱為壓阻效應(yīng)。xd/K是個(gè)常數(shù)，數(shù)值在1.62.0之間。x是一個(gè)無量綱的數(shù)，其值很小，常用微應(yīng)變u來表示。一個(gè)u相當(dāng)于長度為1m的試件變形1um。1um=1*10-6.1.電阻絲式應(yīng)變片電阻絲式應(yīng)變片 (bonded metal-wire gage) 直徑在直徑在0.0120.05mm的金屬絲的金屬絲；2.金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片(bonded metal-foil gage)厚度在厚度在0.0010.01mm的金

9、屬箔；的金屬箔；箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的好的銅鎳合金銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時(shí)間測量時(shí)的蠕變較得多，散熱條件較好，在長時(shí)間測量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹

10、系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。2.2.3 2.2.3 應(yīng)變片的材料應(yīng)變片的材料1.1.敏感柵材料敏感柵材料 對敏感柵的材料的要求：對敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；電阻溫度系數(shù)要??；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)； 在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；在工作溫度

11、范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度； 加工性能良好加工性能良好, ,易于拉制成絲或軋壓成箔材；易于拉制成絲或軋壓成箔材； 易于焊接，對引線材料的熱電勢小。易于焊接，對引線材料的熱電勢小。 常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。鉑鎢合金等，如下表。 基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片既保持基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對位置，蓋片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?；椎娜L稱敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬。為基底長，

12、其寬度稱為基底寬。 基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等基底材料有紙基和膠基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約制成膠膜，厚度約0.030.05mm2.2.基底材料基底材料3.3.黏合劑材料黏合劑材料 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(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)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(jì)的基底方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。和敏感柵

13、。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。4.4.引線材料引線材料是從應(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：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)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)

14、敏感柵材料都可制作引線。敏感柵材料都可制作引線。2.32.3應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)1.1.應(yīng)變片電阻值（應(yīng)變片電阻值（R R0 0）電阻應(yīng)變片的電阻值為電阻應(yīng)變片的電阻值為6060、120120、350350，500500和和10001000 等等多種規(guī)格，以多種規(guī)格，以120120最為常用。最為常用。應(yīng)變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓應(yīng)變片的電阻值越大，允許的工作電壓就大，傳感器的輸出電壓也大，相應(yīng)地應(yīng)變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應(yīng)也大，相應(yīng)地應(yīng)變片的尺寸也要增大，在條件許可的情況下，應(yīng)盡量選用高阻值應(yīng)變片。盡量選用高阻值應(yīng)變片。2.2.絕緣電阻絕

15、緣電阻( (敏感柵與基底間電阻值：要求敏感柵與基底間電阻值：要求10101010歐姆；歐姆； K K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。注意，K K是在試件受一維應(yīng)力作用，是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.2850.285的的鋼材時(shí)測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)鋼材時(shí)測得的。測量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K K恒小于線材的恒小于線材的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)K KS S。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽。原因：膠層傳遞變形失真，橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素。視的因素。

16、 3.3.應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（K K）金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)用靈敏度系數(shù)K KS S表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，應(yīng)變特性，與與金屬單絲情況不同金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻應(yīng)變應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變在在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即KRRRRK4.4.機(jī)械滯

17、后機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性不重合，即為特性不重合，即為機(jī)械滯后機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。1機(jī)械應(yīng)變卸載加載指示應(yīng)變i應(yīng)變片的機(jī)械滯后 機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載

18、時(shí)的機(jī)械受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻對于粘貼好的應(yīng)變片，當(dāng)溫度恒定時(shí)，不承受應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的值隨時(shí)間增加而變化的特性，稱為應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變敏感柵通電后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等?；?；

19、粘結(jié)劑固化不充分等。5.5.零漂和蠕變零漂和蠕變?nèi)绻谝欢囟认?，使?yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間增加而變化的特性稱為時(shí)間增加而變化的特性稱為蠕變?nèi)渥儭Ｒ话闳?。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的的方向與原應(yīng)變量的方向相反。方向相反。產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動滑動”，使力傳到敏感柵的應(yīng)變，使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少。量逐漸減少。這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長時(shí)間測量中這是兩項(xiàng)衡量應(yīng)變片特性對時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)，在長時(shí)間測量中其意義更為突出。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。其意義更為突出

20、。實(shí)際上，蠕變中包含零漂，它是一個(gè)特例。6.6.應(yīng)變極限、疲勞壽命應(yīng)變極限、疲勞壽命 在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為差不超過規(guī)定范圍（一般為10%10%）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，）時(shí)的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)力( (包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力) )時(shí)所引起的表面應(yīng)變。時(shí)所引起的表面應(yīng)變。lim真實(shí)應(yīng)變z指示應(yīng)變i10%1主要因素：粘結(jié)劑和基底材料主要因

21、素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，裝質(zhì)量。制造與安裝應(yīng)變片時(shí)，應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑應(yīng)選用抗剪強(qiáng)度較高的粘結(jié)劑和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的和基底材料?；缀驼辰Y(jié)劑的厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)厚度不宜過大，并應(yīng)經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓袒幚恚拍塬@得較高的的固化處理，才能獲得較高的應(yīng)變極限。應(yīng)變極限。疲勞壽命疲勞壽命指對已粘貼好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，指對已粘貼好的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。7.7.允許電流：靜態(tài)允許電流：靜態(tài)25mA,25m

22、A,動態(tài)：動態(tài)：7575100mA100mA；q半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)，是指半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。q半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化可由下式表示：電阻率dRR)21 (q 半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻率變化引起的/遠(yuǎn)大于由幾何變形引起的(1+2)，其電阻變化率為：)21 (RRRR半導(dǎo)體材料壓阻系數(shù)用力的關(guān)系電阻率的相對變化與作1111:ERREq 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為：EK1-應(yīng)力；應(yīng)力；E-E-半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的彈性模量；的彈性模量；-沿半沿半導(dǎo)體小條縱向的應(yīng)變。導(dǎo)體小條縱向的應(yīng)變。xRdRK/q半導(dǎo)體應(yīng)變片分為兩類：1. 體型

23、半導(dǎo)體應(yīng)變片 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是將半導(dǎo)體單晶硅或者鍺加工成條狀，在兩端焊上引線后粘貼在膠膜基地上即成。1. 將應(yīng)變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力。2. 將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。用來測量力、位移、壓力、加速度、扭矩等物理參數(shù)。靜態(tài)測量：要求彈性體剛度小，反作用力小，動態(tài)測量：固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)好測點(diǎn)位移 測桿 彈簧伸長 懸臂梁彎曲1 1、測點(diǎn)；、測點(diǎn)；2 2、懸臂梁；、懸臂梁；3 3、彈簧；、彈簧；7 7、應(yīng)變片、應(yīng)變片測點(diǎn)的位移：測點(diǎn)的位移：x=x1+x2 x1-x=x1+x2 x1-懸臂梁自由端的位移，懸臂梁自由端的位移， x2- x2-

24、彈簧的伸長量。彈簧的伸長量。1)211 (xKKx若選k2k1，能使懸臂梁的端點(diǎn)位移很小，而測量的位移卻很大，還能保持很好的線性關(guān)系。2-擴(kuò)散電阻；3-硅梁；4-質(zhì)量塊m質(zhì)量塊受到加速度a的作用時(shí)，加速度產(chǎn)生力f=ma，懸臂梁受到彎矩作用產(chǎn)生應(yīng)變力，上表面延展性變形。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，外形小巧，性能優(yōu)越，集成度高，可測低頻加速度應(yīng)用：航空-風(fēng)洞試驗(yàn)，過載加速度，振動 工業(yè)-汽車振動參數(shù)測試（0Hz），主動式消振器 建筑-建筑物晃動，大橋橋梁擺動，加速度質(zhì)量塊彎矩應(yīng)變MEMS：微型電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)-微型壓阻式傳感器變小集成，智能，滯后、蠕壓阻式傳感器靈密度高，非線性大半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器非線性小，金

25、屬應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器：2.42.4應(yīng)變片的應(yīng)用應(yīng)變片的應(yīng)用2.4.12.4.1應(yīng)變片的選擇應(yīng)變片的選擇1.1.應(yīng)變片類型的選擇應(yīng)變片類型的選擇2.2.材料的選擇材料的選擇3.3.阻值的選擇阻值的選擇4.4.尺寸的選擇尺寸的選擇 2.4.22.4.2應(yīng)變片的使用應(yīng)變片的使用 1. 1. 去污：采用手去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力粘貼力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 2.2.貼片：在應(yīng)變片的表貼片：在應(yīng)

26、變片的表面和處理過的粘貼表面面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘上，各涂一層均勻的粘貼膠貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下手指揉和滾壓，排出下面的氣泡面的氣泡 。 3.3.測量測量 ： 從分開的端子處，預(yù)從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。折斷和壞的應(yīng)變片。 4.4.焊接：焊接： 將引線和端子用烙將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷要把端子扯斷。 5.5.固定：固定： 焊接后用膠布將焊接后

27、用膠布將引線和被測對象引線和被測對象固定在一起，防固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)止損壞引線和應(yīng)變片變片。 2.5 2.5 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化化R R/ /R R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，才能用電路測量儀表進(jìn)或電流的變化，才能用電路測量儀表進(jìn)行測量。電阻應(yīng)變片的測量線路多采用行測量。電阻應(yīng)變片的測量線路多采用交流電橋交流電橋( (配交流放大器配交流放大器) )，其原理和直，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此流電橋相似。直流電橋比較簡單，因此首先分析直流電橋。首先分析直流電橋。2.5

28、.1恒壓源直流電橋恒壓源直流電橋如圖所示。電源如圖所示。電源E E為恒壓源，其內(nèi)為恒壓源，其內(nèi)阻為零。根據(jù)電路學(xué)中的克?；糇铻榱?。根據(jù)電路學(xué)中的克希霍夫定律，列出電路方程：夫定律，列出電路方程： R2R4R1R3Ui恒壓電橋電路原理圖RLACDILB1I2I3I4I213433443311442200LLiLLLLIIIIIII RI RUI RI RI RI RI RI R14230123412343412iLURRR RIRRRRRRRRRR RRR式中式中 RL為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓為負(fù)載電阻，因而其輸出電壓UL為為:14231234123434121iLLLLUR RR RUI R

29、RRRRR RRRR RRRR聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計(jì)中流過的電流聯(lián)立求解上述方程，求出檢流計(jì)中流過的電流I Io o為為: :當(dāng)當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，時(shí)，IL=0，UL=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的若電橋的負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL為無窮大，則為無窮大，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上兩點(diǎn)可視為開路，上式可以化簡為式可以化簡為:14231234oiR RR RUURRRR設(shè)設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)R1有一增量有一增量R1，當(dāng)為拉伸應(yīng)，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，變時(shí)，R1為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，R1為負(fù)。在上式中以為負(fù)。在上式中以R1+R1代替代

30、替R1，則，則1142311234oiRR RR RUURRRRR(2-12)41310124113U11iRRRRURRRRRR整理得：整理得：(2-13)2413RRnRR定義定義橋臂比橋臂比：10211iRnUURn(2-14)02111UiUnKURnR1011144iiRUUK UR定義定義電橋靈敏度：電橋靈敏度：差動電橋差動電橋兩臂差動兩臂差動電橋的輸出電壓為：電橋的輸出電壓為：3110112234iRRRUURRRRRR 設(shè)初始時(shí)為設(shè)初始時(shí)為R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；則上式為；則上式為120122 2iURRURRR 若工作時(shí)應(yīng)變片一片受拉、

31、一片受壓，即若工作時(shí)應(yīng)變片一片受拉、一片受壓，即RR1 1= =RR2 2=R=R，則，則022iiUURUKR可見，這時(shí)輸出電壓可見，這時(shí)輸出電壓U U0 0與與R/RR/R間成嚴(yán)格的線性關(guān)系，且電橋靈間成嚴(yán)格的線性關(guān)系，且電橋靈敏度比單臂電橋提高一倍。敏度比單臂電橋提高一倍。312431244112ioRRRRURRRRURRRRRRRR若采用四臂差動電橋（若采用四臂差動電橋（全橋全橋），如圖，），如圖，并設(shè)初始時(shí)并設(shè)初始時(shí)R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；工作時(shí)各個(gè)；工作時(shí)各個(gè)橋臂中電阻應(yīng)變片電阻的變化為：橋臂中電阻應(yīng)變片電阻的變化為：RR1 1、RR2 2

32、、RR3 3、RR4 4；則電橋輸出為：；則電橋輸出為：0iiRUUK UR 若若RR1 1=R=R4 4= =RR2 2= =RR3 3=R=R，則有，則有 2.5.22.5.2恒流源電橋恒流源電橋3411234RRIIRRRR1221234RRIIRRRR設(shè)供電電流為設(shè)供電電流為I I，當(dāng)，當(dāng)RR1 1=0=0時(shí)，且負(fù)時(shí)，且負(fù)載電阻很大，通過各臂的電流為載電阻很大，通過各臂的電流為1423011231234R RR RUI RI RIRRRR 輸出電壓為：輸出電壓為：014414R RRUIIRRRR 若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且若電橋初始處于平衡狀態(tài)，且R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R；當(dāng)；當(dāng)R R1 1變?yōu)樽優(yōu)镽+RR+R時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為2.5.32.5.3交流電橋