电阻应变传感原理介绍

时间：2023-07-01 理论教育 版权反馈

【摘要】：电阻应变片式的力、压力和扭矩传感器的工作原理是利用弹性敏感器元件将被测力、压力或扭矩转换为应变、位移等，然后通过粘贴在其表面的电阻应变片换成电阻值的变化，经过转换电路输出电压或电流信号。式可写成2.电阻应变片金属电阻应变片金属电阻应变片分为金属丝式和箔式。表5-4 国产应变片的技术数据半导体电阻应变片半导体应变片的工作原理和导体应变片相似。

电阻应变传感原理介绍

电阻应变片式的力、压力和扭矩传感器的工作原理是利用弹性敏感器元件将被测力、压力或扭矩转换为应变、位移等，然后通过粘贴在其表面的电阻应变片换成电阻值的变化，经过转换电路输出电压或电流信号。

1.电阻应变效应

科学实验证明，当电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象，叫做电阻应变效应。

设有一根电阻丝，其电阻率为ρ，长度为l，截面积为S，在未受力时的电阻值为

如图5-33所示，电阻丝在拉力F作用下，长度l增加，截面积S减小，电阻率ρ也相应变化，将引起电阻变化ΔR，其值为

图5-33 金属丝伸长后的几何尺寸变化

对于半径为r的电阻丝，截面积S=πr²，则有ΔS/S=2Δr/r。令电阻丝的轴向应变为ε=Δl/l，径向应变为Δr/r，由材料力学可知Δr/r=-μ（Δl/l）=-με，μ为电阻丝材料的泊松系数，经整理可得

通常把单位应变所引起的电阻相对变化称为电阻丝的灵敏系数，其表达式为

从式（5-39）可看出，电阻丝灵敏系数K由两部分组成：受力后由材料的几何尺寸变化引起的（1+2μ）和由材料电阻率变化引起的（Δρ/ρ）ε^-1。对于金属丝材料，（Δρ/ρ）ε^-1项的值比（1+2μ）小很多，可以忽略，故K=1+2μ。大量实验证明，在电阻丝拉伸比例极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。通常金属丝的K=1.7～3.6。式（5-39）可写成

2.电阻应变片

（1）金属电阻应变片金属电阻应变片分为金属丝式和箔式。图5-34a所示的应变片是将金属丝（一般直径为0.02～0.04mm）贴在两层薄膜之间。为了增加丝体的长度，把金属丝弯成栅状，两端焊在引出线上。图5-34b所示的应变片采用金属薄膜代替细丝，因此又称为箔式应变片。金属箔的厚度一般在0.001～0.01mm之间。箔片是先经轧制，再经化学抛光而制成的，其线栅形状用光刻工艺制成，因此形状尺寸可以做得很准确。由于箔式应变片很薄，散热性能好，在测量中可以通过较大电流，提高了测量灵敏度。

用薄纸作为基底制造的应变片，称为纸基应变片。纸基应变片工作在70℃以下。为了提高应变片的耐热防潮性能，也可以采用浸有酚醛树脂的纸作基底。此时使用温度可达180℃，而且稳定性能良好。除用纸基以外，还有采用有机聚合物薄膜的，这样的应变片称为胶基应变片。

图5-34 电阻应变片

a）丝式 b）箔式

1—应变丝 2—基底 3—引线 4—金属膜引线

对于应变电阻材料，一般希望材料的K值要大，且在较大范围内保持K值为常数；电阻温度系数要小，有较好的热稳定性；电阻率要高，机械强度高，工艺性能好，易于加工成细丝及便于焊接等。

常用的电阻应变丝的材料是康铜丝和镍铬合金丝。镍铬合金比康铜的电阻率几乎大一倍，因此用同样直径的镍铬电阻丝做成的应变片要小很多。另外，镍铬合金丝的灵敏系数也比较大。但是，康铜丝的电阻温度系数小，受温度变化影响小。

应变片的尺寸通常用有效线栅的外形尺寸表示。根据基长不同可分为三种：小基长（L=2～7mm），中基长（L=10～30mm）及大基长（L≥30mm）。

线栅宽B可在2～11mm内变化。表5-4给出了国产应变片的技术数据，供选择时参考。

表5-4 国产应变片的技术数据

（2）半导体电阻应变片半导体应变片的工作原理和导体应变片相似。对半导体施加应力时，其电阻值发生变化，这种半导体电阻率随应力变化的关系称为半导体压阻效应。与金属导体一样，半导体应变电阻也由两部分组成，即由于受应力后几何尺寸变化引起的电阻变化和电阻率变化，这里电阻率变化引起的电阻变化是主要的，所以一般可表示为

式中 ΔR/R——电阻的相对变化；

Δρ/ρ——电阻率的相对变化；

π——半导体压阻系数；

σ——应力。

由于弹性模量E=σ/ε，所以式（5-41）又可写为

式中 K——灵敏系数。

对于不同的半导体，压阻系数以及弹性模量都不一样，所以灵敏系数也不一样，就是对于同一种半导体，随着晶向不同，其压阻系数也不同。

实际使用中，必须注意外界应力相对晶轴的方向，通常把外界应力分为纵向应力σ_L和横向应力σ_t，与晶轴方向一致的应力称为纵向应力；与晶轴方向垂直的应力称为横向应力。与之相关的有纵向压阻系数π_L和横向压阻系数π_t。当半导体同时受两向应力作用时，有

一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，厚度约为0.05～0.08mm，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝与两端焊接，作为引线。为了得到所需的尺寸，还可采用腐蚀的方法。制备好的硅条再粘贴到酚醛树脂的基底上，一般在基底上事先用印制电路的方法制好焊接极。图5-35所示是一种条形半导体应变片。为提高灵敏度，除应用单条应变片外，还有制成栅形的。各种应变片的技术参数、特性及使用要求可参见有关应变片手册。

图5-35 半导体应变片

1—ρ型单晶硅条 2—内引线 3—焊接电极 4—引线 5—基底

3.电阻应变片的粘贴及温度补偿

（1）应变片的粘贴应变片用粘结剂粘贴到试件表面上，粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测试件的应变传到敏感栅上。粘结剂的性能及粘结工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极其重要的关系。

选择粘结剂必须适合应变片材料和被试件材料，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿、耐油、耐老化，动应力测量时耐疲劳等。此外，还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时热加压的可能性等。

常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂类和酚醛树脂类等。(www.daowen.com)

粘贴工艺包括被测试件表面处理、贴片位置的确定、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。

（2）温度误差及其补偿

1）温度误差。作为测量用的应变片，希望它的电阻只随应变而变，而不受其他因素的影响。实际上，应变片的电阻受环境温度（包括试件的温度）的影响很大。因环境温度改变引起电阻变化的主要因素有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数，另一方面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。

温度变化引起的敏感栅电阻的相对变化为（ΔR/R）1，设温度变化Δt，栅丝电阻温度系数为α_t，则

试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同引起的变形使电阻有相对变化

式中 K——应变片灵敏系数；

α_g——试件膨胀系数；

α_s——应变片敏感栅材料的膨胀系数。

因此，由温度变化引起总电阻相对变化为

2）为了消除温度误差，可以采取多种补偿措施。最常用和最好的方法是电桥补偿法，如图5-36a所示。工作应变片R₁安装在被测试件上，另选一个特性与R₁相同的补偿片R_b，安装在材料与试件相同的某补偿件上，温度与试件相同但不承受应变。R₁和R_b接入电桥相邻臂上，造成ΔR_1t与ΔR_bt相同，根据电桥理论可知，当相邻桥臂有等量变化时，对输出没有影响，则上述输出电压与温度变化无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应的输出电压。

图5-36 温度补偿措施

在某些测试条件下，可以巧妙地安装应变片而不需补偿件而保证其灵敏度。如图5-36b所示，测量梁的弯曲应变时，将两个应变片分贴于梁的上、下两面对称位置，R₁与R_b特性相同，所以两个电阻变化值相同而符号相反；但当R₁与R_b按图5-36a接入电桥时，电桥输出电压比单片时增加一倍。当梁的上、下面温度一致时，R₁与R_b可起温度补偿作用。电路补偿法简单易行，使用普通应变片可对各种试件材料在较大温度范围内进行补偿，因而最常用。

（3）转换电路应变片将被测试件的应变ε转换成电阻的相对变化ΔR/R，还需进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。

下面以直流电桥为例进行分析（交流电桥的分析方法相似）。在图5-37所示的电桥电路中，U为直流供桥电压，R₁、R₂、R₃、R₄为4个桥臂电阻，当R_L=∞时，电桥输出电压为