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2 1電阻應變效應2 2應變計的主要特性2 3應變計的粘貼2 4電橋原理及電阻應變計橋路 2 5溫度誤差及其補償2 6電阻應變儀2 7應變式傳感器2 8幾種新型的微應變式傳感器 第2章應變式傳感器 1 2 7應變式傳感器 電阻應變絲 片 除直接用來測定試件的應變和應力外 還廣泛用作傳感元研制成各種應變式傳感器 用來測定其他物理量 如力 壓力 扭矩 加速度等 應變式傳感器的基本構成通?？煞譃閮刹糠?彈性敏感元件和應變計 絲 彈性敏感元件在被測物理量的作用下 產生一個與它成正比的應變 然后用應變計 絲 作為轉換元件將應變轉換為電阻變化 2 1 測量范圍廣 精度高 測力傳感器 可測10 2 107N的力 精度達到0 05 FS以上 壓力傳感器 可測10 1 107Pa的壓力 精度可達0 1 FS 應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點 3 2 性能穩(wěn)定可靠 使用壽命長 對于稱重而言 機械杠桿稱由于杠桿 刀口等部分相互摩擦產生損耗和變形 欲長期保持其精度是相當困難的 采用電阻應變式稱重傳感器制成的電子秤 汽車衡 軌道衡等 只要傳感器設計合理 應變計選擇確當 粘貼 防潮 密封可靠 就能長期保持性能穩(wěn)定可靠 應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點 4 3 頻率響應特性較好 隨著大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展 已可將電路甚至A D轉換與傳感器組成一個整體 傳感器可直接接入計算機進行數據處理 應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點 5 4 能在惡劣的環(huán)境條件下工作 一般電阻式應變計響應時間約為10 7s 半導體應變計可達10 11s 若能在彈性元件上采取措施 則由它們構成的應變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動態(tài)過程 應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點 6 5 易于實現小型化 整體化 只要進行適當的結構設計及選用合適的材料 應變式傳感器可在高 低 溫 高速 高壓 強烈振動 強磁場及核輻射和化學腐蝕等惡劣的環(huán)境條件下正常工作 應變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下特點 7 2 7 1彈性敏感元件不僅對于應變式傳感器 對其他某些類型的傳感器 彈性敏感元件在傳感器技術中也占有極為重要的地位 在傳感器工作過程中 一般是由彈性敏感元件把各種形式的物理量轉換成形變 再由轉換元件 例如電阻應變計 轉換成電量 所以在傳感器中彈性元件是應用最廣泛的元件之一 其質量的優(yōu)劣直接影響傳感器的性能及精度 有時還是傳感器的核心部分 8 通常彈性敏感元件具有以下性能要求 1 彈性儲能 應變能 高 彈性儲能是材料在開始塑性變形以前單位體積所儲存的彈性能 它表示彈性材料儲存變形功而不發(fā)生永久變形的能力 彈性極限 楊氏模量 極限應變 9 通常彈性敏感元件具有以下性能要求 2 具有較強的抗壓 或抗拉 強度 以便高載荷下的安全 3 受溫度影響小 彈性模量溫度系數小而穩(wěn)定 熱膨脹系數小 10 通常彈性敏感元件具有以下性能要求 4 具有良好的機械加工和熱處理性能 易于機械加工及熱處理 5 具有良好的重復性和穩(wěn)定性 6 熱處理后應有均勻穩(wěn)定的組織 且各向同性 7 具有高的抗氧化 抗腐蝕性能 11 2 7 2應變式測力與稱重傳感器 應變式測力傳感器由彈性體 應變計和外殼組成 彈性體是測力傳感器的基礎 應變計是傳感器的核心 根據彈性體的結構形式的不同可分為 柱式 輪輻式 梁式 環(huán)式等 12 1 柱式傳感器 柱式傳感器是稱重 或測力 傳感器應用較普遍的一種形式 它分為圓筒形和柱形兩種 其結構是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應變計 結構示意圖 外形 橫向粘貼的應變計既作為溫度補償 也起到提高靈敏度的作用 截面積隨載荷改變所導致的非線性 筒式結構可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來 改善了應力線分布 在筒壁上還能開孔 形成許多條應力線 從而與載荷在端面的分布無關 并可減少偏心載荷 非均布載荷的影響 使引起的誤差更小 15 2 輪輻式傳感器 輪輻式傳感器是一種剪切力傳感器 輪輻條成對地連接在輪圈和輪轱之間 可為四根或八根 圖中為四根 采用鋼球傳遞重力 因為圓球壓頭有自動定中心的功能 輪轱 輪圈 輪輻條 承壓應變計 拉伸應變計 矩形輻條產生平行四邊形的變形 當外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時 使矩形輻條產生平行四邊形的變形 17 輪輻式傳感器測量橋路 3 懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種稱重測力傳感器 采用彈性梁及電阻應變計作敏感轉換元件 組成全橋電路 當垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時 電阻應變計隨金屬彈性梁一起變形 其應變使電阻應變計的阻值變化 因而應變電橋輸出與拉力 或壓力 成正比的電壓信號 配以相應的應變儀即可顯示或記錄重量 或力 懸臂梁式傳感器結構圖 幾種梁式傳感器外形 等強度梁 等截面梁 彈性模量 懸臂梁式傳感器一般可測0 5kg以下的載荷 最小可測幾十克重 懸臂梁式傳感器也可達到很大的量程 如鋼制工字懸臂梁結構傳感器量程為0 2 30t 精度可達0 02 FS 懸臂梁式傳感器具有結構簡單 應變計容易粘貼 靈敏度高等特點 4 環(huán)式傳感器 環(huán)式常用于測幾十千克以上的大載荷 與柱式相比 它的特點是應力分布變化大 且有正有負 圖2 31圓環(huán)式傳感器彈性元件結構 拉力環(huán) 壓力環(huán) 表2 1幾種應變式測力與稱重傳感器的性能 23 2 7 3應變式壓力傳感器 應變式壓力傳感器由電阻應變計 彈性元件 外殼及補償電阻組成 一般用于測量較大的壓力 它廣泛用于測量管道內部壓力 內燃機燃氣的壓力 壓差和噴射壓力 發(fā)動機和導彈試驗中的脈動壓力 以及各種領域中的流體壓力等 24 圖2 32筒式壓力傳感器的彈性元件 1 筒式壓力傳感器 筒式壓力傳感器的彈性元件 一端肓孔 另一端有法蘭與被測系統連接 當應變管內腔與被測壓力相通時 圓筒部分周向應變?yōu)?在薄壁筒上貼有兩片應變計作為工作片 實心部分貼有兩片應變計作為溫度補償片 被測壓力 圓筒外徑 圓筒內徑 2 膜片式壓力傳感器 該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片 膜片受力時的應變分布 當膜片一面受壓力p作用時 膜片的另一面 應變計粘貼面 上的徑向應變 r和切向應變 t為 平膜片工作部分半徑 平膜片厚度 膜片的彈性模量 膜片的泊松系數 任意點離圓心的徑向距離 在膜片中心即x 0處 r和 t均達到正的最大值 即 而在膜片邊緣 即x R處 t 0 而 r達到負的最大值 最小值 29 3 組合式壓力傳感器 組合式壓力傳感器 通常用于測量小壓力 波紋膜片 膜盒 波紋管等彈性敏感元件感受壓力后 推動推桿使梁變形 電阻應變計粘貼于梁的根部感受應變 因為懸臂梁剛性較大 所以這種組合可以克服穩(wěn)定性較差 滯后較大的缺點 圖2 35組合式壓力傳感器 2 7 4應變式加速度傳感器 應變式加速度傳感器 懸臂梁 固定一質量塊 殼體 應變計 電引線 運動方向 假設懸臂梁為等強度梁 作加速運動時梁根部的應變?yōu)?加速度傳感器的靈敏度M表示加速度為1g時梁上下兩個應變計應變量 若梁的上下各貼一應變計 組成半橋 則靈敏度是梁應變的兩倍 即 慣性塊質量 等強度梁折算到自由端的等效質量 一般為梁質量的1 6 32 若梁的上下各貼兩片應變計 組成全橋 則靈敏度又是上式的兩倍 傳感器的固有頻率為 33 2 8幾種新型的微應變式傳感器 2 8 1壓阻效應壓阻效應是微應變式傳感器依據的基本效應 由歐姆定律知 流過一電阻 的電流 和電壓 之間的關系 描述材料特性 電場強度 電阻率 電流密度 34 若存在壓阻效應 35 單晶硅為立方晶體 是各項異性體 壓阻系數矩陣為 縱向壓阻系數 橫向壓阻系數 剪切向壓阻系數 36 11 12 44隨材料的摻雜類型 濃度和環(huán)境溫度的不同而變化 對P型硅 切向壓阻系數 44有最大值 對N型硅 縱向壓阻系數 11有最大值 對單晶硅 37 2 8 2敏感元件加工新技術 1 薄膜技術薄膜技術是在一定的基底上 用真空蒸鍍 濺射 化學氣相淀積 CVD 等工藝技術加工成零點幾微米至幾微米的金屬 半導體或氧化物薄膜的技術 這些薄膜可以加工成各種梁 橋 膜等微型彈性元件 也可加工為轉換元件 有的可作為絕緣膜 有的可用作控制尺寸的犧牲層 在傳感器的研制中得到了廣泛應用 38 1 真空蒸鍍在真空室內 將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱 當真空度抽到0 0133Pa以上時 加大鎢絲的加熱電流 使材料融化 繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā) 在基底上凝聚成膜 真空室 基底 鎢絲 接高真空泵 39 2 濺射在低真空室中 將待濺射物制成靶置于陰極 用高壓 通常在1000V以上 使氣體電離形成等離子體 等離子中的正離子以高能量轟擊靶面 使待濺射物的原子離開靶面 淀積到陽極工作臺上的基片上 形成薄膜 靶 陰極 直流高壓 陽極 基片 惰性氣體入口 接真空系統 40 3 化學氣相淀積 CVD 化學氣相淀積是將有待積淀物質的化合物升華成氣體 與另一種氣體化合物在一個反應室中進行反應 生成固態(tài)的淀積物質 淀積在基底上生成薄膜 41 2 微細加工技術微細加工技術是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度有關 對硅材料進行精細加工制作復雜微小的敏感元件的技術 1 體型結構腐蝕加工體型結構腐蝕加工常用化學腐蝕 濕法 和離子刻蝕 干法 技術 單晶硅常用化學腐蝕方法 化學腐蝕是利用腐蝕劑對需要加工的部分進行化學反應 形成特定的體形結構 42 單晶硅立體結構的腐蝕加工過程 43 2 表面腐蝕加工 犧牲層技術 44 方形平膜片結構 除用于壓力傳感器外 亦可用于電容式傳感器 2 8 3微型硅應變式傳感器的一些基本結構 懸臂梁結構 可用于加速度傳感器 橋式結構