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[工学]4传感器技术及其应用
第4章 应变式传感器 4.1 电阻应变效应 4.2 应变计的主要特性 4.3 电桥原理及电阻应变计桥路 4.4 温度误差及其补偿 4.5 电阻应变仪 4.1 电阻应变效应 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器, 是常用的传感器之一。 应变式传感器的核心元件是电阻应变计, 本章将先以较大篇幅对其加以介绍, 然后再介绍应变式传传感器的特性。 电阻应变计, 也称应变计或应变片, 是一种能将机械构件上的应变的变化转换为电阻变化的传感元件。 图2.1为其构造简图。 排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1, 用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片(即保护片)3 电阻丝较细, 一般在0.015~0.06 mm, 其两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(0.1~0.2mm)4作为引线, 以便与测量电路连接。 图4.1中, l称为应变计的标距, 也称(基)栅长, a称为(基)栅宽, l×a称为应变计的使用面积。 图 4.1 电阻应变计构造简图 4.1.1 电阻应变效应 长为l、 截面积为A、 电阻率为ρ的金属或半导体丝, 电阻 若导电丝在轴向受到应力的作用, 其长度变化Δl, 截面积变化ΔA, 电阻率变化Δρ, 而引起电阻变化ΔR, 设电阻丝为圆形截面, 直径为d, 因 则 有 式中 为单根导电丝的灵敏系数, 表示当发生应变时, 其电阻变化率与其应变的比值。 k0的大小由两个因素引起, 一项是由于导电丝的几何尺寸的改变所引起, 由(1+2μ)项表示, 另一项是导电丝受力后, 材料的电阻率ρ发生变化而引起, 由(Δρ/ρ)/(Δl/l)项表示。 引用 其中, π表示压阻系数, ε=Δl/l为应变 对金属来说, π、E很小, 可忽略不计, μ=0.25~0.5, 故k0=1+2μ≈1.5~2。对半导体而言, πE比1+2μ大得多, 压阻系数π=(40-50)×10-11m2/N, 杨氏模量E=1.67×1011Pa, 则πE≈50~100, 故(1+2μ)可以忽略不计。可见, 半导体灵敏度要比金属大50~100倍 4.1.2 应变计的分类 应变计有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几百mm, 短的仅0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案; 就使用环境上说, 有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁场等; 而安装形式, 有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。 主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将应变计分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下: 半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他形式 金属电阻应变计常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式等。 丝式应变计是最早应用的品种。 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如图4.2所示。 弯曲部分作成圆弧(U)形是最早常用的一种形式, 制作简单但横向效应较大。 直角(H)形两端用较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变计所代替。 图 4.2敏感栅的构成 箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅(厚度一般在0.003~0.01mm)。与丝式应变计相比有如下优点: (1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变计和微型小基长(如基长为0.1 mm)的应变计。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。 (6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。 图4.3画出了几种箔式应变计 图4.3 几种箔式应变计 薄膜式应变计是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜(厚度在零点几纳米到几百纳米), 再加上保护层制成。 其优点是灵敏度高, 允许通过的电流密度大, 工作温度范围广, 可工作于-197~317°C, 也可用于核辐射等特殊情况下。制作应变计敏感元件的金属材料应有如下要求: (1) k0大, 并在尽可能大的范围内保持常数。 (2) 电阻率ρ大。 这样, 在一定电阻值要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短。 (3) 电阻温度系数小。高温使用时, 还要求耐高温氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。 常用的敏感元件材料是康铜(铜镍合金)、镍铬合金、铁铬铝合金、 铁镍铬合金等。 常温下使用的应变计多由康铜制成。 半导体应变计应用较
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