電阻式傳感器

1、電阻應變片式傳感器的研究摘 要 本文系統(tǒng)地介紹了電阻應變式傳感器的組成原理及制作工藝,深入淺出地介紹了傳感器由一種非電學量轉化為電學量的詳細過程。闡述了電阻應變式傳感器的工作原理、金屬箔式應變片構成、電橋電路的單臂、半橋、全橋的性能參數, 比較了三種電橋的優(yōu)缺點.關鍵詞 傳感器 ，敏感元件 ，電橋 ，性能參數一 引言隨著科學技術的迅猛發(fā)展，非物理量的測試與控制技術，已越來越廣泛地應用于航天、航空、交通運輸、冶金、機械制造、石化、輕工、技術監(jiān)督與測試等技術領域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去?？梢哉f，測試技術與自動控制水平的高低，是衡量一個國家科學技術現代化程度的重要標志。具體地說傳感器是指

2、那些對被測對象的某一確定的信息具有感受（或響應）與檢出功能，并使之按照一定規(guī)律轉換成與之對應的可輸出信號的元器件或裝置。如果沒有傳感器對被測的原始信息進行準確可靠的捕獲和轉換，一切準確的測試與控制都將無法實現，即使最現代化的電子計算機，沒有準確的信息（或轉換可靠的數據），不失真的輸入，也將無法充分發(fā)揮其應有的作用。傳感器種類及品種繁多，原理也各式各樣。其中電阻應變式傳感器是被廣泛用于電子秤和各種新型機構的測力裝置，其精度和范圍度是根據需要來選定的過高的精度要求對某種使用也無太大意義，過寬的范圍度也會使測量精度降低，而且會造成成本過高及增加工藝上的困難，因此，應根據測量對象的要求，恰當地選擇精度

3、和范圍度是至關重要的。但無論何種條件、場合使用的傳感器，均要求其性能穩(wěn)定，數據可靠，經久耐用。為此，在研究高精度傳感器的同時，必須重視可靠性和穩(wěn)定性的研究。目前，包括床暗器的研究、設計、試制、生產、檢測與應用等諸項內容在內的傳感器技術，已逐漸形成了一門相對獨立的專門學科。一般情況下，由于傳感器設置的場所并非理想，在溫度、濕度、壓力等效應的綜合影響下，可引起傳感器零點漂移和靈敏度的變化，已成為使用中的嚴重問題。雖然人們在制作傳感器過程中，采取了溫度補償及密封防潮的措施，但它與應變片、粘帖膠本身的高性能化、粘帖技術的精確和熟練、彈性體材料的選擇及冷、熱加工工藝的制定均有密切的關系，哪一方面都不能忽

4、視，都需精心設計和制作。同時，還須注意傳感器的安裝方法，支撐結構的設置，如何克服橫向力等問題。二 傳感器原理傳感器是一個完整的測量裝置(或系統(tǒng)), 能把被測非電量轉換成與之有確定對應關系的電量輸出, 以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求.圖1為傳感器組成原理框圖, 它一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成, 有時也將信號調節(jié)與轉換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。 圖2 為應變式傳感器安裝示意圖, 它的工作原理基于金屬的電阻應變效應, 即金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形(拉伸或壓縮)的大小而發(fā)生相應變化的現象.2.1 應變片的結構電阻應變片種類繁多, 形式多樣, 但基本構造大體相

5、同, 以圖3 絲繞式應變片為例。圖3 絲繞式應變片結構以直徑約為0 .025mm 的高電阻率的合金電阻絲繞成形如柵欄的敏感柵, 敏感柵為應變片的敏感元件, 作用是敏感于應變情況.敏感柵黏結在基底上, 基底除了能固定敏感柵外, 還有絕緣作用;敏感柵上面粘貼有覆蓋層, 敏感柵電阻絲兩端焊接引出線, 用以和外線相連.L 為應變片的標距或基長, 是敏感柵沿軸方向測量變形的有效長度;對具有圓弧端的敏感柵, L 指圓弧外側之間的距離;對具有較寬橫柵的敏感柵, L 是兩橫柵內側之間的距離.其寬度b 為最外兩敏感柵外側之間的距離.敏感柵的基長L 和寬度b , 切勿與基底的長度相混淆, 后者只表明應變片的外形尺

6、寸, 并不反映其工作特性。2.2 電阻應變公式推導根據電阻定律其中, 為電阻率;L 和S 分別為電阻的長度和橫截面積.對R 取全微分對式(2)左端除以R , 右端除以得其中r為金屬絲半徑。為金屬絲的徑向應變，則金屬絲受拉時，二則之間的關系為其中, 為金屬材料的泊松比。將式(4)、式(5)代入式(3)得稱為金屬絲的靈敏系數, 表示金屬絲產生單位應變時電阻相對變化的大小.Ks 越大, 單位應變引起的電阻相對變化越大.Ks受兩個因素影響:第一項(1 +2)是由于金屬絲受拉伸后, 材料幾何尺寸發(fā)生變化而引起的;第二項(d/)/x 是由于材料發(fā)生變形時, 其自由電子的活動能力和數量均發(fā)生了變化而引起的,

7、 第二項可正, 可負, 但作為應變材料都選為正值, 否則會降低靈敏度.由于(d/)/x 目前還不能用解析式來表示, 所以Ks只能靠實驗求得.實驗表明, 在金屬絲變形的彈性范圍內, 電阻的相對變化dR/R 與應變x 是成正比的, 因而Ks為一常數:R/R =Ksx。2.3 箔式應變片利用照相制版或光刻腐蝕方法, 將電阻箔材在絕緣基底下制成各種圖形而成的, 箔材厚度多在0 .001 0 .01mm 之間, 利用光刻技術可制成適用于各種需要的形狀美觀的稱為應變花的應變片. 通過光刻、腐蝕等工藝制成的應變敏感元件，用它來轉換被測部位的受力大小及狀態(tài)，通過電橋原理完成電阻到電壓的比例變化它一般是由敏感柵

8、（箔柵）、基底、覆蓋層、膠黏劑及引出線等組成。而當其粘貼在試件（或彈性體）上時，則還應包括試件（或彈性體）、貼片膠和防潮層，從而構成一個復雜的應變傳遞系統(tǒng)。其構成元件的性能對其應變傳遞性能都將產生不同程度的影響。試件的變形通過膠粘劑層傳遞給基底，基底的變形通過膠層傳遞到箔柵上，引起相應的電阻變化，在此傳遞系統(tǒng)中，膠粘劑介于試件（或彈性體）和應變片之間，它對應變傳遞起著關鍵的作用。從應變片的結構可見，應變片的應變傳遞系統(tǒng)實際上是試件（或彈性體）、膠粘劑、基底、膠牯劑、敏感箔柵、膠粘劑、覆蓋層等組成的層狀結構，為此其性能不僅取決于所用的膠粘劑、基底、敏感箔柵、覆蓋層等材料的本身性能，而且還與固化溫

9、度、時間壓力等工藝條件直接有關。應變片或傳感器的穩(wěn)定性取決于敏感箔柵、膠粘劑、基底等本身性能及系統(tǒng)的工藝條件。 金屬箔式應變片的工作原理是建立在電阻應變效應的基礎上。其主要優(yōu)點有:1)制造技術能保證敏感柵尺寸正確, 線條均勻, 可制成任意形狀以適應不同的測量要求;2)敏感柵界面為矩形, 表面積對截面之比遠比圓斷面的大, 故黏合面積大;3)敏感柵薄而寬, 黏結情況好, 傳遞試件應變性能好;4)散熱性好, 允許通過較大的工作電流, 從而增大輸出信號;5)敏感柵彎頭橫向效應可忽略, 蛻變、機械滯后較小, 疲勞壽命高.2.4 電橋電路測量原理圖4 為電橋工作原理圖, 利用電橋平衡原理,調節(jié)電

10、路使其達到平衡, 即電橋輸出電壓U =0 ,即圖4 中伏U0示數為“0” .當其中某一個電阻(R1到R 4中)發(fā)生變化時, 電橋平衡被破壞, 此時輸出電壓U不為零, 利用電壓變化可反映電阻阻值的變化.其中一個或幾個電阻換成應變片, 并將其粘貼于待測器件上, 先調節(jié)電橋平衡,再對器件施加壓力使器件發(fā)生形變(應變片亦隨之發(fā)生了形變), 此時, 應變片電阻發(fā)生變化, 電橋輸出電壓也發(fā)生變化, 輸出電壓的變化即可反映器件的受力情況. 圖4 電橋工作原理圖直流電橋的特性方程：計算輸出電壓，利用戴維南定理可以將圖4中電橋電路圖等效為以下電路， 等效內阻戴維南定理等效電路 由此可以計算出電橋電路輸出等效電流

11、為等效電動式 Uo=Ucd=UacUad 將U0和Rk代入等效電流If中可得直流電橋的特性方程已知電橋平衡是電路中等效電流If=0則可以得到電橋平衡的條件為或直流電橋的靈敏度靈敏度是電橋測量技術的一個重要指標，電橋的靈敏度可以用電橋測量臂的單位相對變化量引出輸出端電壓或電流的相對變化來表示，即電壓靈敏度：電流靈敏度：其中Uo =Uo U初始 =Uo Uo = Uac Uad （1）單臂變化 R1R+R由靈敏度定義可知單臂變化時的靈敏度為Su = 0.25U（2）兩臂變化 即R1R+ R R3R-R由靈敏度定義可知單臂變化時的靈敏度為Su = 0.5U(3)四個橋臂同時變化 即 全橋 R1R +

12、R R2R-R R3R-R R4R+R由靈敏度定義可知單臂變化時的靈敏度為Su = U由此可知，測量電橋輸出給放大器（在放大器的輸出電阻很大的條件下）的電壓大小，是由驅動電源電壓U和橋臂電阻的相對變化量決定的，而且是正比關系。輸出電壓大小還和橋臂變化元件多少有關系，橋臂變化做適當的調配后，橋臂變化越多，輸出電壓越大。提高測量電橋的靈敏度，可提高驅動電源電壓和增加變化的橋臂，但不能無限增大驅動電源電壓，因為橋臂變化元件的耗散的功率有限，過大將被燒壞。應變片的粘貼技術電測技術中，應變片粘貼質量的優(yōu)劣對測量的可靠性影響很大，是一個非常關鍵性的環(huán)節(jié)，必須予以注意為提高電測結果的準確性，我們應在應變片的

13、粘貼過程中做到認真操作，一絲不茍在選好應變片準備粘貼之前，我們應對應變片作嚴格仔細地檢查，檢查的內容包括： (1)應變片的外形檢查，即檢查應變片是否存在斷路、短路現象、片中各部位是否有損傷、折斷發(fā)生、片內是否夾有氣泡或霉變現象等等 (2)應變片電阻值的檢測為保證使用的應變片的電阻誤差不超過允許范圍(這個范圍通常在±05歐)，可事先用精度較高的歐姆表或采用直流電橋對其進行檢測，以免因同組使用的應變片的阻值誤差太大而造成測量結果欠準 (3) 檢查應變片上是否標有中心線若無，則應在其基蓋上補畫出縱、橫線條，這樣可方便粘貼應變片與此同時，被測試件的表面

14、上應劃出定位線。以確保應變片的粘 貼到位若被測試件的表面質量不高，將會影響應變片的粘貼，為此，我們應用刮刀或銼刀清除被測點處的氧化皮及污垢，然后用細砂皮紙在試件粘貼部位(一般應 大于應變片面積35倍左右的表面)進行打磨，沿貼片方向打出45。交叉紋，以保證表面的足夠光滑，最后用劃針在被測點處進行畫線，從而保證應變片能牢固順利地粘貼。粘貼應變片前，還需用脫脂棉球蘸上清潔溶劑，如丙酮、無水酒精、四氯化碳等溶劑擦洗被測點處的油污，直至棉球上無明顯油漬為止，且注 意此時勿用手觸摸清洗后的表面然后在應變片的粘貼面處涂上薄薄一層膠水，如KH501、KH502膠，一般宜薄不宜厚將

15、應變片的方位線對準事先在試件 上的劃線，此時應密切注意應變片的方位線與試件的劃線是否重合，這時可在應變片上蓋上一層透明紙(或臘紙)，一只手捏住應變片的引出線，另一只手的手指 反復輕輕滾壓透明紙表面，以便將里面多余的膠水和氣泡擠出滾壓應變片時切記不能垂直用力，不能產生滑動或轉動，待膠水和氣泡被完全擠出后，還應保持手指 不動約一分鐘左右當然也可以在試件表面蓋上一層玻璃紙，然后墊上一塊硅皮，用夾具或平整的壓塊輕壓應變片的粘貼處，這些做法的目的均是為了保證應變片在 粘貼過程中不發(fā)生錯移，保證其方位線與被測試件測試點處的定位線完全重合。 粘貼后的應變片可

16、讓其在室溫中自然干燥15至24h為節(jié)省時間，也可在自然干燥數小時后，用紅外線燈進行烘烤，但溫度應控制在不超過40度80度范圍若一開始就烘烤，則應變片敏感柵材料的電阻系數將會隨溫度的驟然變化而改變，這對于后面的測試工作不利上述工作完成后，還應對應變片的粘貼質量進行檢查，例如可通過放大鏡觀察應變片粘貼位置和方位角是否準確，粘貼表面有無氣泡，應變片是否粘貼牢固；用萬用表 測量應變片有無斷路、短路現象若無異常，則再用低壓變阻表測量應變片的引出線和金屬試件之間的絕緣電阻是否符合要求。這一阻值通常應達到100M歐以上 才可作用 接下來，我們在應變片的引出線附近粘貼一片接線端子

17、，同時在引出線下面粘貼一層絕緣膠布。此舉意在保證引出線焊點處的絕緣爾后將測量 導線的一端靠近應變片的引出線，在測量導線焊接端去皮約3mm 并涂上焊錫后，用電烙鐵將應變片引出線與測量導線進行錫焊接時要快且準，以免產生氧化物而影響焊點質量應變片接好導線后應立即在應變片的焊接 端子處涂上一層防護層，以對其進行防濕、防潮、防老化處理，從而延長其使用壽命短期防護可采用凡士林作防護劑，長期防護可采用密封性好的防護劑。如環(huán)氧 樹脂、氯丁橡膠、硅橡膠密封劑等。展望傳感囂是實現測試與自動控制（包括遙感、遙測、遙控）的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始信息進行準確可靠的捕獲與轉

18、換，那么可想而知，一切準確的測試與控制將無法實現。當前世界范的信息革命正在猛烈沖擊若各個領域，信息革命的兩大重要支柱就是信息的采集與處理，信息的采集（捕獲）與轉換主要依賴于各類傳感器，而應變片式傳感器又是傳感器中應用最廣泛的傳感器之一。信息的處理則主要依賴于各類計算機。電子技術與電子計算機為信息的處理提供了極其完善的手段，計算機與智能儀器很快地在各十科學技術部門發(fā)揮著巨大的作用，但是，如果沒有各種類型傳感器去準確地捕獲井轉換信息，即使最現代化的計算機也特無法充分發(fā)揮其應有的作用。所以傳感器制作的精良和精確是至關重要的，我們應該充分利用所學知識，不斷創(chuàng)新。雖然現在傳感器技術已經很成熟，但是還有很多不足，還有許多值得改進的地方。這正是我們努力的方向和目標。參考文獻1 醫(yī)用傳感器 第2版 陳安寧 主編 科學出版社2 電阻應變片式傳感器的研究 楊艷安盼龍趙瑞娟 物理與工程