3.2 应变式力敏传感器、3.3压阻式力敏传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

3.2 应变式力敏传感器 3.3  压阻式力敏传感器 原理：基于金属或半导体的应变效应，将受力试件上的力/压力变化转变成阻值变化。（电阻式力敏传感器） ⑴ 金属应变式传感器 ⑵ 半导体压阻式传感器 金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。 1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 设有一根长度为l、截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻为R 3.2.1 电阻应变式传感器的工作原理 图1 导体受拉伸后的参数变化 A=π r 2 dA /A=2πrdr/(πr2)=2dr/r dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr，εr= –με 将微分dR、dρ改写成增量ΔR、Δρ，则 泊松比 轴向应变ε -2με 物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： (1)前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起（即“应变效应”） ，一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6； (2)后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 应变效应： 对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ； 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变ε成正比。通常KS在1.6～4.8范围内。 压阻效应： 对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 3.2.2 应变片的结构与分类 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。 1. 金属丝式应变片 使用最早，有纸基、胶基之分。 由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。 但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 2 3 4 1 电阻应变片结构示意图 b l 应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。 （1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、 200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。 栅长 栅宽 对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 （2） 基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。 （4） 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。 2. 金属箔式应变片 金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。 特点: ①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。 ②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。 ③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变