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1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)4.3.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和壓阻式傳感器。電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和壓阻式傳感器。金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片工作原理工作原理是基于金屬導(dǎo)體的是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效 應(yīng)應(yīng)變效 應(yīng)，即，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電 阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變 化現(xiàn)象金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電 阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變 化現(xiàn)象。電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)電阻應(yīng)變片傳感器可以用于測量電阻應(yīng)變片

2、傳感器可以用于測量應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等參數(shù)。具有等參數(shù)。具有體積 小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、使用簡便體積 小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、使用簡便等 等 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)廣 泛應(yīng)用。，在航空、船舶、機(jī)械、建筑等行業(yè)廣 泛應(yīng)用。電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)上式中，任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求其求導(dǎo)數(shù)，可得上式中，任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求其求導(dǎo)數(shù)，可得金屬應(yīng)變片的電阻為金屬應(yīng)變片的電阻為/RlA 2lldRdldAdAAA 代入上式，可得代入上式，可得/Rl A dldAdd

3、RRRRlA 電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)dRdldARlAd 有：有：金屬絲的截面積：金屬絲的截面積：2Ar 金屬絲體積不變：金屬絲體積不變：dldrlr 電阻絲電阻率的相 對變化，與電阻絲 所受正應(yīng)力電阻絲電阻率的相 對變化，與電阻絲 所受正應(yīng)力 有關(guān)有關(guān)電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變電阻絲材料的泊松比電阻絲材料的泊松比壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)E 2dRdldrRlrd dl l 電阻絲材料的彈性模量電阻絲材料的彈性模量電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)

4、械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)2(12)EdRRE 有：有：金屬材料 很小，金屬材料 很小，可 以忽略可 以忽略(12)dRR 電阻絲幾何尺寸改變所引發(fā)的電阻絲幾何尺寸改變所引發(fā)的常數(shù)常數(shù)電阻絲的電阻絲的電阻率電阻率隨應(yīng)變的改變而改變隨應(yīng)變的改變而改變上式可簡化為上式可簡化為此式表明：電阻相對 變化率與應(yīng)變成正比此式表明：電阻相對 變化率與應(yīng)變成正比靈敏度：靈敏度：多在多在1.73.6之間之間12gS 電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)一般市售電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有一般市售電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60、120、350、600和和1000等，以等，以120 最為常用。

5、應(yīng)變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選 用。最為常用。應(yīng)變片的尺寸可根據(jù)使用要求來選 用。電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式兩種。金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式兩種。金屬絲電阻應(yīng)變片金屬絲電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)見下圖。的典型結(jié)構(gòu)見下圖。1粘合層2 基底3粘合層4蓋片5敏感柵6引出線1粘合層2 基底3粘合層4蓋片5敏感柵6引出線電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片 代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適合于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式

6、應(yīng)變片具有的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片 代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適合于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線 條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng) 變性能好線 條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng) 變性能好等等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，因此，目前使用的多為金屬箔 式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見圖。，因此，目前使用的多為金屬箔 式應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見圖。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)壓阻式傳感器壓阻式傳感器工作原 理工作原 理是基于半導(dǎo)

7、體材料的 是基于半導(dǎo)體材料的 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)，即，即單晶半導(dǎo) 體材料在沿某一軸向受 到外力作用時，單晶半導(dǎo) 體材料在沿某一軸向受 到外力作用時，其其電阻 率電阻 率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻式傳感器最簡單 的典型結(jié)構(gòu)如右圖所示，使用方法與金屬應(yīng)變片相 同，粘貼在被測物體上，隨被測試件的應(yīng)變其電阻 值發(fā)生相應(yīng)變化。壓阻式傳感器最簡單 的典型結(jié)構(gòu)如右圖所示，使用方法與金屬應(yīng)變片相 同，粘貼在被測物體上，隨被測試件的應(yīng)變其電阻 值發(fā)生相應(yīng)變化。壓阻式傳感器4.3.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)半導(dǎo)體在壓力、溫

8、度及光輻射作用下，能使其半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使其電阻率 電阻率 發(fā)生很大變化發(fā)生很大變化單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn) 陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn) 陣排列規(guī)律發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃 度的變化載流子遷移率及載流子濃 度的變化，從而，從而引起電阻率的變化引起電阻率的變化。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的分 析公式也適用于半導(dǎo)體電阻材料，故仍可用上式來表 達(dá)。對于，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。電阻應(yīng)變效應(yīng)的分 析公式也適用于半導(dǎo)體電阻材料，故仍可

9、用上式來表 達(dá)。對于金屬材料金屬材料來說，來說，d/比較小，但對于比較小，但對于半導(dǎo) 體材料半導(dǎo) 體材料，d/，即因機(jī)械變形引起的 電阻變化可以忽略，即因機(jī)械變形引起的 電阻變化可以忽略，電阻的變化率電阻的變化率主要是由主要是由d/引 起的。引 起的。dRdldARlAd 壓阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)2dRER 幾何尺寸改變所引發(fā)的幾何尺寸改變所引發(fā)的電阻率電阻率隨隨應(yīng)變改變應(yīng)變改變而改變而改變(12)E 對于半導(dǎo)體：對于半導(dǎo)體：是壓阻式 傳感器的 主要部分是壓阻式 傳感器的 主要部分dRER 靈敏度：靈敏度：比金屬絲電阻應(yīng)變片大比金屬絲電阻應(yīng)變片大50

10、70倍倍gdR RSE 上式可簡化為上式可簡化為壓阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)金屬絲電阻應(yīng)變片金屬絲電阻應(yīng)變片 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性能差溫度穩(wěn)定性能差、靈敏度離散度大、在較大的應(yīng)力作用下非線性誤差大等。、靈敏度離散度大、在較大的應(yīng)力作用下非線性誤差大等。可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片?？芍貜?fù)性不如金屬應(yīng)變片。主 要 區(qū) 別主 要 區(qū) 別壓阻式傳感器壓阻式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：壓阻式傳感器的壓阻式傳感器的最突出優(yōu)點(diǎn)最突出優(yōu)點(diǎn)是是靈敏度 高靈敏度 高。另外還有機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及它 本身體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了使用范圍。另外還有機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及它 本身體積小等特

11、點(diǎn)，擴(kuò)大了使用范圍。壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)利用利用導(dǎo)體形變導(dǎo)體形變引起電阻的變化引起電阻的變化利用利用半導(dǎo)體電阻率半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化變化引起電阻的變化小 結(jié)小 結(jié)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)固態(tài)壓阻式傳感器的固態(tài)壓阻式傳感器的工作原理工作原理：與壓阻式傳感器相 同，都是利用半導(dǎo)體材料的：與壓阻式傳感器相 同，都是利用半導(dǎo)體材料的壓阻壓阻效應(yīng)效應(yīng)。區(qū)別在于區(qū)別在于：壓阻式傳感器壓阻式傳感器是由單晶半導(dǎo)體材料構(gòu)成，是利用半導(dǎo)體電阻做成粘貼式敏感元件是由單晶半導(dǎo)體材料構(gòu)成，是利用半導(dǎo)體電阻做成粘貼式敏感元件。固態(tài)壓 固態(tài)壓 阻式傳感器阻式傳感器中的

12、敏感元件則是在半導(dǎo)體材料的基 片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，所以也稱 為擴(kuò)散型壓阻式傳感器。中的敏感元件則是在半導(dǎo)體材料的基 片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，所以也稱 為擴(kuò)散型壓阻式傳感器。固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器機(jī)械力作用機(jī)械力作用硅片產(chǎn)生應(yīng)變硅片產(chǎn)生應(yīng)變導(dǎo)電層發(fā)生電阻變化導(dǎo)電層發(fā)生電阻變化固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量 壓力和加速度等物理量固態(tài)壓阻式傳感器主要用于測量 壓力和加速度等物理量。固態(tài)壓阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)利用壓阻效應(yīng)構(gòu)成的半導(dǎo)體加速度敏感元件如下 圖。懸臂梁3由于加速度而產(chǎn)生位移，該位移引起擴(kuò) 散壓阻層區(qū)域變形從而引起壓

13、阻層電阻變化，檢測電 阻變化即可檢測出加速度大小。在利用壓阻效應(yīng)構(gòu)成的半導(dǎo)體加速度敏感元件如下 圖。懸臂梁3由于加速度而產(chǎn)生位移，該位移引起擴(kuò) 散壓阻層區(qū)域變形從而引起壓阻層電阻變化，檢測電 阻變化即可檢測出加速度大小。在100Hz左右的帶寬 中，可檢測 左右的帶寬 中，可檢測(0.001 50)g（g=9.8m/s2)的加速度。)的加速度。采用平面擴(kuò)散工藝 技術(shù)，在它上面形 成四個性能一致的 電阻，構(gòu)成全橋；在梁的自由段連接 上敏感質(zhì)量塊，組 成懸臂梁應(yīng)變式加 速度傳感器。采用平面擴(kuò)散工藝 技術(shù)，在它上面形 成四個性能一致的 電阻，構(gòu)成全橋；在梁的自由段連接 上敏感質(zhì)量塊，組 成懸臂梁應(yīng)變式

14、加 速度傳感器。固態(tài)壓阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器特點(diǎn)特點(diǎn)：靈敏度非常高靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接 用于測量；，有時傳感器的輸出不需放大可直接 用于測量；分辨率高分辨率高，測量壓力時可測出1020Pa的微壓；測量元件的有效面積可做得，測量壓力時可測出1020Pa的微壓；測量元件的有效面積可做得很小很小，故，故頻率響應(yīng)高頻率響應(yīng)高；可測量低頻加速度和直線加速度可測量低頻加速度和直線加速度。其最大的。其最大的缺點(diǎn)缺點(diǎn)是 是 溫度誤差大溫度誤差大，故，故需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。需溫度補(bǔ)償或恒溫條件下使用。固態(tài)

15、壓阻式傳感器華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)4）其它其它表示應(yīng)變計性能的表示應(yīng)變計性能的參數(shù)參數(shù)（工作溫度、滯后、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。（工作溫度、滯后、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。1）幾何參數(shù)：幾何參數(shù)：絲柵寬度絲柵寬度b，制造廠常用，制造廠常用 bL 表示。表示。2）電阻值：電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。應(yīng)變計的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。電阻應(yīng)變片華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼

16、技術(shù)1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕、斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆。3.試件表面處理：貼片處用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼：在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕、斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆。3.試件表面處理：貼片處用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼：在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。電阻應(yīng)變片華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測試技術(shù)5.焊線：用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。5.焊線：用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變