車輛檢測(cè)技術(shù)-電阻應(yīng)變式傳感器

其次章電阻應(yīng)變式傳感器第一節(jié)電阻應(yīng)變式傳感器概述電阻應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小變化量〔機(jī)械〕的傳感器。將電阻應(yīng)變片粘接到各種彈性敏感元件上，可構(gòu)成測(cè)量力、壓力、力矩、位移、加速度等各種參數(shù)的電阻應(yīng)變式傳感器。它是目前用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。雖然型傳感器不斷消滅，為測(cè)量技術(shù)開拓了的領(lǐng)域。但是，由于電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)見在今后它仍將是一種主要的測(cè)試手段。這類傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)潔，使用便利，性能穩(wěn)定、牢靠；易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量、遠(yuǎn)距測(cè)量和遙測(cè)；靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量；可以測(cè)量各種物理量。因此在航空航天、機(jī)械、化工、交通、建筑、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有很廣的應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成電阻值變化，就可以確定被測(cè)量的大小了。彈性敏感元件的作用就是傳感器組成中的敏感元件構(gòu)造形式。電阻應(yīng)變片的作用就是傳感器中的轉(zhuǎn)換元件，是電阻應(yīng)變式傳感器的核心元件。電阻應(yīng)變式傳感器的根本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成傳感器元件電阻值的變化過轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。其類型很多，常用來測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等，是目前使用最廣泛的傳感器之一。其次節(jié)電阻應(yīng)變片—材料的應(yīng)變效應(yīng)(長(zhǎng)度與截面積)械變形，引起該導(dǎo)電材料的電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長(zhǎng)為lA，電阻率為的導(dǎo)體(如金屬絲)，它在未受外力時(shí)的原始電阻為：

lR llA= r2 (2-1)式中——電阻絲的電阻率，單位為Ω.m；l——電阻絲的長(zhǎng)度，單位為m；A——電阻絲截面積，單位為m2；F作用下，而被拉伸(或壓縮)時(shí)，其l、A和ρ均發(fā)生變化，如圖2-1所示，因而導(dǎo)體的電阻隨之發(fā)生變化。通過對(duì)式(2-1)兩邊取對(duì)數(shù)后再作微分，即可求得其電阻相對(duì)變化：2-1導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化dRdldAdR l A (2-2)Ar2r為電阻絲的半徑，對(duì)r微分得dA2rdr，則dAA

r2

2drr 〔2-3〕dl令l

drx為材料的軸向應(yīng)變，r

y為金屬絲徑向應(yīng)變。軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

y x

(2-4)式中——金屬材料的泊松系數(shù)。dA而A

r2

2drr

代入式(2-2)可得：dR(12) R x

d (2-5)對(duì)于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體上式中右末項(xiàng)電阻率相對(duì)變化的受力效應(yīng)是不一樣的分別爭(zhēng)論如下： 1金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)勃底特茲明通過試驗(yàn)爭(zhēng)論覺察，金屬材料的電阻率相對(duì)變化與其體積相對(duì)變化之間有如下關(guān)系：d dVCV(2-6)式中C——由肯定的材料和加工方式打算的常數(shù)；dV dl

dA(12)V l A

(2-7)代入式(2-5)，并考慮到實(shí)際上ΔR/R，故可得:R

K m

(2-8)K (12)C(12)式中m ——金屬絲材的應(yīng)變靈敏系數(shù)(簡(jiǎn)稱靈敏系數(shù))。上式說明：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。K K (12)C(12)對(duì)于金屬材料，0 m ?？梢娝蓛删植拷M成前局部為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，一般金屬μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后局部為電阻率隨應(yīng)變而變的局部。以康銅為例，C≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此時(shí)K0=Km≈2.0。明顯，金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以構(gòu)造尺寸變化為主。對(duì)其他金屬或合金,Km=1.8～4.8。2半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)史密茲等學(xué)者很早覺察，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象就稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：dE

x(2-9)式中:σ——作用于材料的軸向應(yīng)力；π——半導(dǎo)體材料在受力方向的壓阻系數(shù)；E——半導(dǎo)體材料的彈性模量。同樣，將式(2-9)代入式(2-5)，并寫成增量形式可得：ER

Ks

(2-10)K 12E式中 S ——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)實(shí)際狀況并非如此簡(jiǎn)潔當(dāng)(集中電阻長(zhǎng)度方向)壓阻效應(yīng)和橫向(集中電阻寬度方向)(即集中深度)于膜片方向的應(yīng)力遠(yuǎn)比其他兩個(gè)重量小而可無視。綜合式(2-8)和式(2-10)可得半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)為：RKR 0

(2-11)K式中 ——半導(dǎo)體絲材的靈敏系數(shù)。K0K

0=Ks

=(1+2μ)+πE。它也由兩局部組成：前局部同樣為尺寸變化所致；后局部為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致，而且πE>>(1+2μ)，因此半導(dǎo)體絲材的K0=Ksm≈πE?？梢?，半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。通常Ks=(50～80)K。m二電阻應(yīng)變片的構(gòu)造電阻應(yīng)變片的構(gòu)造形式很多，但其主要組成局部根本一樣。圖2-2給出了絲式、箔式和半導(dǎo)體三種典型應(yīng)變片的構(gòu)造形式及其組成。圖2-2典型應(yīng)變計(jì)的構(gòu)造及組成 (a)絲式(b)箔式(c)半導(dǎo)體 1—敏感柵2—基底 3—引線4—蓋層 5—粘結(jié)劑6—電極0.025mm具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，感柵上面粘貼有保護(hù)用的掩蓋層。如圖2-2所示。1敏感柵：應(yīng)變計(jì)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。它通常由直徑為0.015～0.05mml 的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。圖中表示柵長(zhǎng)，表示柵寬。100Ω以上。基底：為保持敏感柵固定的外形、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計(jì)工作時(shí)，基底起著把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，基底必需很薄，一般為0.02～0.04mm。有用特地的薄紙制成的基片稱為紙基。有用粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂薄膜制成的膠基。引線：它起著敏感柵與測(cè)量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。蓋層：用紙、膠作成掩蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它把應(yīng)變計(jì)基底再粘貼在試件外表的被測(cè)部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。三應(yīng)變片的種類、材料及參數(shù)金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式二種，如圖2-3所示。2-3絲式應(yīng)變片構(gòu)造回線式應(yīng)變片是將電阻絲繞制成敏感柵粘結(jié)在各種絕緣基底上而制成的，它是一種常用的應(yīng)變片。其敏感柵材料直徑在0.012-0.05mm0.025mm左右為最常用。其基底很薄(一般在0.03mm左右)，粘貼性能好，能保證有效的傳遞變性。引線多用0.15-0.30mm直徑的鍍錫銅線與敏感柵相連接。其制作簡(jiǎn)潔，性能穩(wěn)定，本錢低，易粘貼，但其應(yīng)變橫向效應(yīng)較大。常見的回線式應(yīng)變片構(gòu)造如圖2-3(a)(c)所示。5～10倍的鍍銀絲短接起來而構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)是抑制了橫向效應(yīng)，但制造工藝簡(jiǎn)單。常用材料：康銅、鎳鉻鋁合金、鐵鉻鋁合金以及鉑、鉑烏2-3(b)(d)所示。金屬箔式應(yīng)變片它是利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約0.003～0.01mm的金屬箔片制成所需圖形的敏感2-4所示。它具有很多優(yōu)點(diǎn)：2-4金屬箔式應(yīng)變片①.可制成多種簡(jiǎn)單外形尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，其柵長(zhǎng)l0.2mm，以適應(yīng)不同要求；②.與被測(cè)件粘貼結(jié)面積大；③.散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；④.橫向效應(yīng)小，可以無視。⑤.蠕變和機(jī)械滯后小，疲乏壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：電阻值的分散性比金屬絲的大，有的相差幾十歐姆，需做阻值調(diào)整。在常溫下，金屬箔式應(yīng)變片已逐步取代了金屬絲式應(yīng)變片。金屬薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)進(jìn)展的產(chǎn)物。它是承受真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵，最終加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)－197～317℃缺點(diǎn)：難于掌握電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用應(yīng)力而變化的所謂“壓阻效應(yīng)”。全部材料在某種程度上都呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體的這種效應(yīng)特別顯著，能直接反映出很微小的應(yīng)變。常見的半導(dǎo)體應(yīng)變片是用鍺和硅半導(dǎo)體材料作為敏感柵2-5所示。依據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲一樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。數(shù)隨溫度穩(wěn)定性差，測(cè)量較大應(yīng)變時(shí)非線性嚴(yán)峻；靈敏系數(shù)隨受拉或壓而變，且分散度大，一般在(3-5)%之間，因而使得測(cè)量結(jié)果有(±3-5)%的誤差。四電阻應(yīng)變片的主要特性靜態(tài)特性為了正確選用電阻應(yīng)變片，應(yīng)當(dāng)對(duì)影響其工作特性的主要參數(shù)進(jìn)展了解。①靈敏系數(shù)(K)當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變計(jì)粘貼于試件外表時(shí)，試件受力引起的外表應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變計(jì)的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化ΔR/R。試驗(yàn)證明，在肯定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有以下關(guān)系：R/RKx (2-12)式中εK=(ΔR/R)/ε——應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示：安裝x xx在被測(cè)試件上的應(yīng)變片，在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化(ΔR/R)，與此單向應(yīng)力引起的試件外表軸向應(yīng)變(ε)之比。x00必需指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K并不等于其敏感柵整長(zhǎng)應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)K，一般狀況下，K＜K。這是由于，在單向應(yīng)力產(chǎn)生雙向應(yīng)變的狀況下，K除受到敏感柵構(gòu)造外形、K條件下通過實(shí)測(cè)確定——即應(yīng)變計(jì)的標(biāo)定；故K又稱標(biāo)定靈敏系數(shù)。金屬應(yīng)變計(jì)的敏感柵通常都呈柵狀。它由軸向縱柵和圓弧橫柵兩局部組成，如圖2-5(a)所示。由于試件承受單向00應(yīng)力σ時(shí)，其外表處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向拉伸εε。粘貼在試件外表上x yy的應(yīng)變計(jì)，其縱柵和橫柵各自主要分別敏感εyx

和ε2-5(b)。從而引起總的電阻相對(duì)變化為：2-52-5(a)應(yīng)變計(jì)敏感柵的組成；(b)橫向效應(yīng)RKR x

Ky

K(1aH)x

(2-13)式中:K——縱向靈敏系數(shù)，它表示當(dāng)m＝0時(shí)，單位軸向應(yīng)變?chǔ)乓鸬碾娮柘鄬?duì)變化；Kx y x y——橫向靈敏系數(shù)，它表示當(dāng)ε＝0時(shí)，單位橫向應(yīng)變?chǔ)?/p>

引起的電阻相對(duì)變化；x ya / HK /Ky x——雙向應(yīng)變比； y x——雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比。式(2-13)為一般狀況下應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換公式。它說明：a / 在標(biāo)定條件下，有 y x 0，則：R/RK(1H) kx 0 x x (2-14)H)式中： x 0由式(2-14)可見，在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變狀況下，橫向應(yīng)變總是起著抵消縱向應(yīng)變的作的現(xiàn)象，稱為橫向效應(yīng)。其大小用橫向效應(yīng)系數(shù)H(百分?jǐn)?shù))來表示，即：yKHyK

100%x

(2-15)y(即①試件取泊松比μ≠0.285的一般材料；②主yεx的應(yīng)變計(jì)進(jìn)展測(cè)試，將會(huì)產(chǎn)生較大誤差；其相對(duì)誤差為：

和ε)Ke H1H0

( a)0

(2-16)假設(shè)單向應(yīng)力與應(yīng)變計(jì)軸向全都，則有a=-μ，則式(2-16)變成：e H1H0

( )0

(2-17)由此可見，要消減橫向效應(yīng)產(chǎn)生的誤差，有效的方法是減小橫向效應(yīng)系數(shù)0理論分析和rlr試驗(yàn)說明：對(duì)絲繞式應(yīng)變計(jì)，縱柵0愈長(zhǎng)，橫柵愈小，則H愈小。因此，承受短接式或2-3(b)、(d)(花)2-4〕就是據(jù)此設(shè)計(jì)的。②機(jī)械滯后(Zj)j有用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會(huì)使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生剩余變形，導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)輸出的不重合。這種不重合性用機(jī)械滯后(Zj)來衡量。它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒溫條件下增(加載)、減(卸載)試件應(yīng)變的過程中，對(duì)應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量(輸出)2-6Z＜3～10με。實(shí)測(cè)中，可在測(cè)試前通過屢次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。j③蠕變(θ)和零漂(P0)2-7中θ所示。2-5(a)應(yīng)變計(jì)敏感柵的組成；(b)橫向效應(yīng)2-7中的P0所示。θ＜3～15μs要緣由是，制作應(yīng)變計(jì)時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和工作中消滅的剪應(yīng)力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。圖2-6應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后特性 圖2-7應(yīng)變計(jì)的蠕變和零漂特性④應(yīng)變極限(ε)lim應(yīng)變片的線性(靈敏系數(shù)為常數(shù))10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限ε2-8所示。應(yīng)變極限是衡量limε≥8000μεε的主要因素及改善措施，與蠕變根本一樣。

lim

lim2-8應(yīng)變片的應(yīng)變極限特性動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)說明，機(jī)械應(yīng)變波是以一樣于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當(dāng)它依次通過肯定厚度的基底、膠層(兩者都很薄，可無視不計(jì))和柵長(zhǎng)l而為應(yīng)變計(jì)所響應(yīng)時(shí)，就會(huì)有時(shí)間的遲后。應(yīng)變計(jì)的這種響應(yīng)遲后對(duì)動(dòng)態(tài)(高頻)應(yīng)變測(cè)量，尤會(huì)產(chǎn)生誤差。應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)特性就是指其感受隨時(shí)間變化的應(yīng)變時(shí)之響應(yīng)特性。①對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng)應(yīng)變片對(duì)正弦應(yīng)變波的響應(yīng)是在其柵長(zhǎng)l02-9表示一頻率為f，幅值為ε0

的正弦波，vx方向傳播時(shí)，在某一瞬時(shí)t的分布圖。應(yīng)變片中點(diǎn)xt的瞬時(shí)應(yīng)變?yōu)? t

sin(2/)x

t