电阻应变式传感器霍婷婷分析

0第3章 应变式传感器 10要求掌握要求掌握电阻应变传感器的基本原理电阻应变传感器的基本原理应变应变电阻电阻 之间的关系之间的关系压阻效应压阻效应半导体应变传感器：应变半导体应变传感器：应变电阻电阻 之间的关系之间的关系测量电路，平衡条件，输出电压公式推导测量电路，平衡条件，输出电压公式推导测量电路的灵敏度测量电路的灵敏度弄清：应力弄清：应力应变应变电阻变化电阻变化输出之输出之间的关系间的关系203.1 电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器第一节第一节 电阻应变片的基本工作原理电阻应变片的基本工作原理 1 1、导电材料的应变电阻效应、导电材料的应变电阻效应 2 2、电阻应变片的结构与类型、电阻应变片的结构与类型第二节第二节 电阻应变片主要特性及参数电阻应变片主要特性及参数第三节第三节 测量电路测量电路 1 1、直流电桥、直流电桥 2 2、交流电桥交流电桥30第一节第一节 电阻应变片的基本工作原理电阻应变片的基本工作原理 1、导电材料的应变电阻效应、导电材料的应变电阻效应405公式推导公式推导0可以看出可以看出,电阻值的相对变化率电阻值的相对变化率dR/R取决取决于三个基本因素于三个基本因素:(1)电阻丝的电阻率相对变化量电阻丝的电阻率相对变化量(d/)。(2)电阻丝长度的相对变化量电阻丝长度的相对变化量(dL/L)。(3)电阻丝截面积的相对变化量电阻丝截面积的相对变化量(dA/A)。0讨论电阻丝（线材）应变与电阻变化：讨论电阻丝（线材）应变与电阻变化：设纵向变化的相对变化量叫纵向应变设纵向变化的相对变化量叫纵向应变，=dl/l 横向变化的相对变化量叫横向应变横向变化的相对变化量叫横向应变 1，1=dr/r（r为半径）为半径）0 dA/A圆圆形形电电阻阻丝丝的的截截面面积积相相对对变变化化量量，设设r为为电电阻阻丝丝的的半半径径，微微分分后可得后可得dA=2r dr，则则 由由材材料料力力学学可可知知，在在弹弹性性范范围围内内，金金属属丝丝受受拉拉力力时时，沿沿轴轴向向伸伸长长，沿沿径径向向缩缩短短，令令dl/l=为为金金属属电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变，那那么么轴轴向向应应变变和和径径向向应应变变的的关关系系可表示为可表示为:式中式中,为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。0如果受拉，则如果受拉，则L变长，截面积变长，截面积A（A=r2）变小变小:dr/r=dA/A=2 推导：推导：dR/R:（带入全微分方程）（带入全微分方程）dR/R=+2d /0dR/R=2d /或或dR/R=dL/L 2 dL/Ld /第一项：第一项：因形变直接引起的电阻相对变化量因形变直接引起的电阻相对变化量,常称其为尺寸常称其为尺寸效应效应 第二项：第二项：因应变使电阻率变化而引起的电阻相对变化量因应变使电阻率变化而引起的电阻相对变化量,常常称其为压阻效应称其为压阻效应 将将 =dL/L带入有带入有 0金属金属材料灵敏系数材料灵敏系数k0灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化，它受两个因变化，它受两个因素影响：素影响：1.是受力后材料几何尺寸变化所引起，是受力后材料几何尺寸变化所引起，即即(12)项；项；2.是受力后材料电阻率变化所引起的，即是受力后材料电阻率变化所引起的，即(d /)/项。项。dR/R=2d /0电阻率变化电阻率变化电阻率变化是因材料发生变化时，其自电阻率变化是因材料发生变化时，其自由电子活动能力和数量均发生变化的缘由电子活动能力和数量均发生变化的缘故，也是因体积变化而造成的，即有故，也是因体积变化而造成的，即有:d d /=c dV/V =c dV/V 式中式中,c,c是一个常数，取决于材料成分是一个常数，取决于材料成分 V V为体积：为体积：V VAL AL dV/V=dA/AdV/V=dA/AdL/L dL/L =(1 =(12 2)dL/L)dL/L0即即:d /=c(12)dL/L 带入上式得带入上式得:k0=(12)c(12)一般金属材料电阻丝在一定变形范围内，一般金属材料电阻丝在一定变形范围内，约约0.30.5,k0第一项约为第一项约为1.6-2.0，第二项第二项近似为近似为0。灵敏系数。灵敏系数k0为常数为常数。第一项是应变引起第一项是应变引起,第二项因电阻率而引起，可以忽略。第二项因电阻率而引起，可以忽略。电阻变化反映应力的变化。电阻变化反映应力的变化。0 2 2、电阻应变片的结构与类型、电阻应变片的结构与类型1400大大 类类分类方法分类方法 应应 变变 片片 名名 称称金属金属应变片应变片敏感栅结构单轴应变片；多轴应变片基底材料胶基应变片；金属基应变片；浸胶基应变片；纸制应变片制栅工艺丝绕式应变片；短接式应变片；箔式应变片；薄膜式应变片使用温度低温应变片（-30以下）；常温应变片（-3060）；中温应变片（+60+350）；高温应变片（+350以上）安装方式粘贴式应变片；焊接式应变片；喷涂式应变片；埋入式应变片用 途一般用途应变片；特殊用途应变片（水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）半导体半导体应变片应变片制造工艺体形半导体应变片；扩散硅型半导体应变片；薄膜型半导体应变片；N-P元件半导体型应变片应变片按敏感栅的材料可分为金属应变片和半导体应变片两大类，应变片按敏感栅的材料可分为金属应变片和半导体应变片两大类，见下表：见下表：0具有初始电阻值具有初始电阻值R的（金属）应变丝粘贴于试件表面时，试件受的（金属）应变丝粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化对变化R/R。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：（式（式2-12）式中：x 应变片轴向应变（测量的主应变方向）K=R/(Rx)应变片的灵敏系数（应变片包括：应变栅、基底、粘合剂）它表示在被测试件上的应变片，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化（R/R），与此单向应力引起的试件表面轴向应变（x）之比。（1）灵敏系数灵敏系数 K（标定灵敏系数）（标定灵敏系数）17第二节第二节 电阻应变片主要特性及参数电阻应变片主要特性及参数0必须指出，应变片的灵敏系数必须指出，应变片的灵敏系数 K 并不等于其敏感栅（金属丝）的应并不等于其敏感栅（金属丝）的应变丝灵敏系数变丝灵敏系数 K0（Km、Ks），一般情况下，），一般情况下，K K0。上述规定的标定条件是：上述规定的标定条件是：试件材料取泊松系数试件材料取泊松系数0=0.285 的钢的钢试件单向受力试件单向受力应变片轴向与主应力应变片轴向与主应力（应变）（应变）方向一致方向一致这是因为，这是因为，应变片应变片在单向力在单向力作用下作用下产生产生双向应变双向应变（轴向、横向）（轴向、横向），应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 K 除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数 K 直接关系到直接关系到应变片的应变片的应变测量的精度。应变测量的精度。因此，因此，K值通常采用从批量生产中抽样，在值通常采用从批量生产中抽样，在规定条件规定条件下通过实测下通过实测确定，即应变片的标定；故确定，即应变片的标定；故 K 又称标定灵敏系数又称标定灵敏系数。180yyr金属应变片的敏感栅通常是呈栅状金属应变片的敏感栅通常是呈栅状它由轴向（直段）它由轴向（直段）纵栅纵栅和圆弧（拐弯段）和圆弧（拐弯段）横栅横栅两部分组成两部分组成如下图所示如下图所示纵栅纵栅 l0横栅横栅 r横栅横栅 ry 横向应变横向应变yxx轴向应变轴向应变由于试件承受单向应力由于试件承受单向应力时，应变片表面处于平面应变状态中，时，应变片表面处于平面应变状态中，即轴向（拉伸）应变即轴向（拉伸）应变x 和横向（收缩）应变和横向（收缩）应变y此时，应变片感受的轴向应变此时，应变片感受的轴向应变x 为其测量的主应变为其测量的主应变（2）横向效应和横向效应系数横向效应和横向效应系数 Hxxy纵栅对轴向应变纵栅对轴向应变x 敏感，对横向应变敏感，对横向应变y 不敏感不敏感横栅对轴向应变横栅对轴向应变x 和横向应变和横向应变y 均敏感均敏感190主要在轴向应变主要在轴向应变x 作用下，纵栅轴向变长、径向变细，作用下，纵栅轴向变长、径向变细，电阻变大电阻变大。在双向应变，即轴向应变在双向应变，即轴向应变x、横向应变、横向应变y 的双重作用下，横栅半径的双重作用下，横栅半径变小、圆弧弧长变短（轴向变短）、径向变粗，变小、圆弧弧长变短（轴向变短）、径向变粗，电阻变小电阻变小。纵栅纵栅横栅横栅（式（式2-13）纵栅纵栅 主要感受轴向应变主要感受轴向应变x（纵栅受拉伸）（纵栅受拉伸）横栅横栅 感受横向应变感受横向应变y，同时也感受轴向应变，同时也感受轴向应变x（双向应变作用下横栅（双向应变作用下横栅受压缩）受压缩）从而引起应变片总电阻的相对变化为：从而引起应变片总电阻的相对变化为：0在轴向应变在轴向应变x 和横向应变和横向应变y 的作用下，的作用下，横栅所产生应变电阻的增量与纵栅所产生应变电阻的增量方向相反。横栅所产生应变电阻的增量与纵栅所产生应变电阻的增量方向相反。其原因就是横向应变其原因就是横向应变x 和轴向应变和轴向应变y 对横栅作用的结果。对横栅作用的结果。结论：结论：在单位应力、双向应变情况下，横向应变所产生的电阻的变化总是在单位应力、双向应变情况下，横向应变所产生的电阻的变化总是起着抵消轴向应变（测量主应变）所产生的电阻的变化作用。起着抵消轴向应变（测量主应变）所产生的电阻的变化作用。应变片即敏感轴向应变应变片即敏感轴向应变（测量主应变）（测量主应变），又同时受横向应变影响，使其灵敏系数及又同时受横向应变影响，使其灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称为应变片的相对电阻比都减少的现象，称为应变片的横向效应横向效应。210应变片的横向效应是由于本身结构应变片的横向效应是由于本身结构-横栅所产生的横栅所产生的应变片每个横栅（拐弯段）很短，但数量较多，所有横栅的长度占应变片每个横栅（拐弯段）很短，但数量较多，所有横栅的长度占敏感栅总长度的比例较高，因此，横栅的影响不能忽略敏感栅总长度的比例较高，因此，横栅的影响不能忽略横栅给应变片的测量带来了一定的误差横栅给应变片的测量带来了一定的误差应设法消除横向效应的影响应设法消除横向效应的影响应变片横向效应产生的原因应变片横向效应产生的原因应变片横向效应的危害应变片横向效应的危害横向应变所产生的电阻的变化总是起着抵消横向应变所产生的电阻的变化总是起着抵消轴向应变所产生的电阻的变化作用轴向应变所产生的电阻的变化作用它减弱了应变片的输出信号，即电阻的相对它减弱了应变片的输出信号，即电阻的相对变化量变化量R/R220横向效应系数横向效应系数 H式中：n 纵栅的根数l 纵栅的长度r 横栅的半径 推导过程见教材23-24页采用短接式或直角式横栅，使横栅圆弧半径为零，采用短接式或直角式横栅，使横栅圆弧半径为零，可以克服横向效应的影响。可以克服横向效应的影响。（不能完全消除，因为横栅依然存在）（不能完全消除，因为横栅依然存在）减小横向效应的办法减小横向效应的办法 短接式、直角式横栅短接式、直角式横栅230进一步说，它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下增（加载）、减进一步说，它是指粘贴在试件上的应变片，在恒温条件下增（加载）、减（卸载）试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）最大（卸载）试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量（输出）最大不同（差）值。见下图。不同（差）值。见下图。（3）机械滞后机械滞后 Zi （迟滞迟滞）应变片在测量时，加载和卸载过程中的灵敏度系数不一致；即在增应变片在测量时，加载和卸载过程中的灵敏度系数不一致；即在增加或减少机械应变的过程中，对同一机械应变，应变片的（输出）加或减少机械应变的过程中，对同一机械应变，应变片的（输出）指示值不同，其差值即为机械滞后。指示值不同，其差值即为机械滞后。造成机械滞后的原因是造成机械滞后的原因是由于敏感栅基底和粘贴剂材料性能，由于敏感栅基底和粘贴剂材料性能，被测量过载、过热，被测量过载、过热，会使应变片产生残余变形，会使应变片产生残余变形，导致应变片输出不重合。导致应变片输出不重合。通常在室温条件下，要求机械滞后通常在室温条件下，要求机械滞后 Zi 310。实际中，可在测试前通过多次重复实际中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减少机械滞后产生预加、卸载，来减少机械滞后产生的误差。的误差。01000机械应变（）指示应变zi max应变片机械滞后特性应变片机械滞后特性加载卸载zii240应变片在恒温恒载条件下，应变片在恒温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。输入信号恒定时，应变片指示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。如图所示。如图所示。试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时间变化的现象试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时间变化的现象称为零漂。称为零漂。如图所示。如图所示。蠕变反映了应变片在长时间工作中蠕变反映了应变片在长时间工作中对时间的稳定性对时间的稳定性;通常要求通常要求 315。（4）蠕变蠕变 和零漂和零漂 P0蠕变蠕变 （时间漂移）（时间漂移）零漂零漂 P0 （零点时间漂移）（零点时间漂移）引起蠕变的主要原因引起蠕变的主要原因制作应变片时内部的内应力和工作中出制作应变片时内部的内应力和工作中出现的剪应力，使敏感栅金属丝、基底，现的剪应力，使敏感栅金属丝、基底，尤其是胶层之间产生的滑移所致。尤其是胶层之间产生的滑移所致。适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。有利于蠕变性能的改善。P0时间01000指示应变应变片的蠕变和零漂特性应变片的蠕变和零漂特性250应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限制值时，应变片的输出特性将当试件输入的真实应变超过某一限制值时，应变片的输出特性将出现非线性。出现非线性。（5）应变极限应变极限lim在恒温条件下，使在恒温条件下，使非线性误差达到非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应时的真实应变值，称为应变极限变极限lim。如下图所示。如下图所示。应变极限是衡量应变片测量最大范围和过载范围能力的指标应变极限是衡量应变片测量最大范围和过载范围能力的指标通常要求通常要求lim800010%真实应变lim指示应变应变片的应变极限特性应变片的应变极限特性0真实应变真实应变影响影响lim的主要因素及改善的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。措施，与蠕变基本相同。260(6)(6)电阻应变片的温度特性电阻应变片的温度特性应变片电阻随温度变化必造成误差应变片电阻随温度变化必造成误差,称这称这种误差为应变片的温度误差。种误差为应变片的温度误差。应进行应进行温度补偿。两种方法：。两种方法：(a)同步补偿同步补偿：把受力应变片贴在受力件上把受力应变片贴在受力件上,把补偿片贴在不受力但环把补偿片贴在不受力但环境温度相同的材料上境温度相同的材料上,接入电桥线路接入电桥线路相邻的桥臂相邻的桥臂上上,相相互补偿。电桥输出只反映应变大小互补偿。电桥输出只反映应变大小,与温度无关。与温度无关。0(a)同步补偿同步补偿法(b)差动补偿差动补偿0（b）差动补偿：差动补偿：将应变片贴在上表面将应变片贴在上表面,补偿片贴在对应下补偿片贴在对应下表面表面,弯曲时弯曲时,工作应变片电阻值增加工作应变片电阻值增加,补补偿片电阻值减小偿片电阻值减小,两个电阻接在电桥的相两个电阻接在电桥的相邻两臂。结果：邻两臂。结果：电桥输出增加一倍电桥输出增加一倍,提高输出灵敏度提高输出灵敏度,上下温度一致，补偿环境温度造成的误上下温度一致，补偿环境温度造成的误差。差。03.2 半导体压阻传感器半导体压阻传感器 半导体压阻传感器也称为也称为固态压阻式固态压阻式传传感器感器(solid-state piezoresistive sensor)。原理是基于半导体材料压阻效原理是基于半导体材料压阻效应应,也称为也称为半导体应变式传感器。半导体材料半导体材料在在机械应力机械应力的作用下的作用下,使得材使得材料本身的料本身的电阻率电阻率发生了较大的变化发生了较大的变化,这种这种现象叫做现象叫做压阻效应压阻效应。这与。这与金属金属电阻的电阻的应变效应有根本的区别。有根本的区别。0原理原理晶体在晶体在应力作用下下,晶格间的载流子晶格间的载流子(空穴、空穴、电子电子)的相互作用发生了变化的相互作用发生了变化,从能量的角度从能量的角度来看来看,原子结构中的原子结构中的导带和价带之间的禁带导带和价带之间的禁带宽度发生了变化宽度发生了变化,这就影响了导带中这就影响了导带中载流子载流子数目数目,同时又使同时又使载流子的迁移率载流子的迁移率发生变化发生变化,因因此晶体的电阻率变化，通常称为此晶体的电阻率变化，通常称为压阻式传感器。半导体应变片灵敏系数要比金属应变片大几半导体应变片灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。十倍至一百多倍。半导体晶片压阻效应的方向性很强。半导体晶片压阻效应的方向性很强。01 半导体应变片压阻效应：半导体应变片压阻效应：半导体应变片在轴向受力作用时，其电半导体应变片在轴向受力作用时，其电阻相对变化为阻相对变化为:其中，电阻率相对变化其中，电阻率相对变化,其值与半导体应其值与半导体应变片轴向所受应力之比为一常数变片轴向所受应力之比为一常数E 0E为半导体应变片的压阻效应，为半导体应变片的压阻效应，为半为半导体材料的压阻系数，导体材料的压阻系数，E为扬氏模量。为扬氏模量。由于半导体材料压阻效应由于半导体材料压阻效应E远大于（远大于（12），忽略（），忽略（12）得到）得到 0KS 为半导体应变片灵敏系数为半导体应变片灵敏系数半导体应变片灵敏系数半导体应变片灵敏系数50200,而一般金属应而一般金属应变片灵敏系数只有变片灵敏系数只有14。用半导体应变元件制成传感器获得高灵敏度、用半导体应变元件制成传感器获得高灵敏度、低机械滞后、体积小等优点。低机械滞后、体积小等优点。缺点：温度系数较大，非线性比较大等。缺点：温度系数较大，非线性比较大等。0 2半导体应变元件主要类型半导体应变元件主要类型 1）.体型半导体应变片用用P型或型或N型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成薄片薄片,将此硅条粘贴在带有引线焊接箔的底基上将此硅条粘贴在带有引线焊接箔的底基上,焊焊接好后成为应变片。接好后成为应变片。(a)普通型普通型 (b)补偿式体型应变片补偿式体型应变片02）扩散式半导体应变片将将P型半导体扩散到型半导体扩散到N型硅基底上型硅基底上,形成一层极薄的导形成一层极薄的导电电P型层线条型层线条,连接引线后形成扩散式半导体应变片连接引线后形成扩散式半导体应变片,通通常称压敏电阻片。常称压敏电阻片。0半导体压敏电阻片半导体压敏电阻片体积小、尺寸为体积小、尺寸为 1mm2mm0.06mm 精度高、灵敏系数精度高、灵敏系数:k50200 频响范围大频响范围大 电阻值电阻值:3000K 士士 10%扩散式应变元件可制作成敏感和换能元扩散式应变元件可制作成敏感和换能元件组合整体件组合整体,摆脱传统粘贴工艺摆脱传统粘贴工艺 03.半导体压阻式传感器的医学应用扩散硅型脉搏传感器的结构图扩散硅型脉搏传感器的结构图 硅橡胶膜硅橡胶膜感受压力变化感受压力变化,一扩散硅片上扩散有一扩散硅片上扩散有4个接成全桥的电阻,传感器室内充满传感器室内充满硅油硅油,以传递压阻效以传递压阻效应引起力敏电阻变化应引起力敏电阻变化,重量重量2.5g,2.5g,各向异性小各向异性小,重复重复性好。测量指尖、挠骨、手腕上部等部位的脉搏。性好。测量指尖、挠骨、手腕上部等部位的脉搏。0心导管式压阻传感器结构图：心内压力通过硅橡胶膜传递给硅膜片心内压力通过硅橡胶膜传递给硅膜片,引起扩散电阻引起扩散电阻变化。导管通过静脉导入心脏内。变化。导管通过静脉导入心脏内。在心导管端部装有扩散型压阻传感器在心导管端部装有扩散型压阻传感器,扩散膜片装在金扩散膜片装在金属支座上属支座上,导线由导管引出导线由导管引出