[工学]毕业设计——应变式力传感器

应变式力传感器的设计
专业自动化
班级07084310
学号200713072005姓名王帅
指导教师刘涛
摘要
本文主要介绍应变式力传感器的设计及应用。

当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础，应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。

随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。

在本文中主要介绍传感器的工作原理，电阻应变片的基本工作原理，传感器的选择材料，弹性元件的选择，应变式传感器的结构与设计。

以及简单介绍电阻应变式力传感器的两种应用形式，柱式力传感器，梁式力传感器及它们胶的粘贴类型及工艺原理，最后介绍温度补偿方法等。

关键词：力传感器；电阻应变片；电桥；线性度
Abstract
The article main introduced the variant force sensor design and its application. In Current era, transducer technology has already developed to an independent class of for electronics industry basic product and has been an important technological foundation of information society. The strain type strength transducer is used as measured the strength or weighed in the static, dynamic condition, measured and controlled, automatic gauge and so on is already a large amount of application in the industrial production process of our country. With the deepening reformation of the traditional industry with the modern electronic information technology and the technological development, it’s demanding increases day by day. This essay Mainly introduce the operation principle of the transducer, the basic operation principle of Resistance Strain slice ,the choice of material of the transducer, the choice of the elastic component, structure and design of the Strain type strength transducer ; And introduced two kinds of applied forms of the resistance Strain type strength transducer briefly, column type strength transducer, beam type strength transducer, and Pasting the type of their glue and craft principle, recommend the compensation method of temperature and so on finally. Have looked forward to current situation and prospect of the strain type strength transducer briefly.
Keywords: Force transducer; Resistance Strain slice; Electric Bridge; Linear degree
目录
1 引言 (1)
1.1 课题研究背景 (1)
1.2 国内外发展动态 (1)
2 传感器的相关知识 (3)
2.1 传感器概念 (3)
2.2 传感器的工作原理 (3)
2.3 传感器的组成结构 (5)
3 电阻应变片的相关知识 (7)
3.1 电阻应变片的结构和工作原理 (7)
3.2 电阻应变效应 (8)
3.3 电阻应变片的种类及材料 (10)
3.3.1 电阻应变片的种类 (10)
3.3.2 电阻应变片的材料 (13)
3.4 金属应变片的主要特性 (14)
4 电阻应变式力传感器的设计 (19)
4.1 柱形应变式力传感器 (19)
4.1.2 利用拉伸与压缩应力的称重传感器 (20)
4.1.3 柱式称重传感器的误差来源 (23)
4.2 梁式力传感器 (23)
5 粘贴技术及稳定处理 (28)
5.1 应变片粘贴技术 (28)
5.1.1 粘结剂的选择 (28)
5.1.2 应变计的粘贴 (28)
5.2 弹性元件材料的稳定处理 (29)
6 电阻应变式传感器的信号处理电路 (32)
6.1 转换电路 (32)
6.2 直流电桥 (32)
7 结论 (38)
8 结束语 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
1 引言
1.1课题研究背景
现代信息技术的三大基础是信息的拾取、传输和处理技术，也就是传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”、“大脑”。

如果没有“感官”感受信息，或者“感官”迟钝，都难以形成高精度、高反应速度的控制系统。

可见传感器技术是一种和其他多种现代科学技术密切相关的尖端技术。

应变式力传感器用作静态、动态条件下测力或称重，在我国工业生产过程检测与控制、自动计量等领域已大量应用。

随着技术进步以及用现代电子信息技术改造传统产业的深入，其需求量日趋增加。

传感器是测量装置和控制系统的首要环节。

如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。

可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。

现代电子技术和电子计算机为信息转换与处理提供了极其完善的手段，使检测与控制技术发展到崭新阶段。

但是如果没有各种精确可靠的传感器去检测各种原始数据并提供真实的信息，那么，电子计算机也无法发挥其应有的作用。

1.2国内外发展动态
当今时代，传感器技术已形成为电子工业基础产品的一个独立门类，是信息社会的重要技术基础。

随着科学技术的发展，传感器产品应用范围的不断扩大，在现代科学技术、国民经济、人民生活中都占有重要地位，为此世界各国都给予了高度重视。

我国的863计划和科技攻关计划也把传感器的研究与开发放在重要地位。

据有关资料介绍，在世界范围内传感器的计量逐年上升，世界市场传感器销售额1985年为50亿美元，1990年增加到155亿美元，如今已突破200亿美元，年平均增长率为8%，品种已超过二万种。

其中，工业自动控制、交通运输、冶金行业市场的份额占35%以上。

电阻应变片式传感器是现代传感器技术的重要组成部分，它利用当电阻应变计安装在弹性体上时，在外载荷作用下，弹性体的变形与其引起电阻应变计的电阻变化之间呈线性关系的原理，制成测量各种物理量的传感器，这种传感器，习惯称为电阻应
变式传感器或是应变计式传感器(Stain gage transducer)。

传感器技术所涉及的知识非常广泛，渗透到各个学科领域。

但是它们的共性是利用物理定律和物质的物理特性，将非电量转换成电量。

所以如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达到高质量的转换效能，是总的发展途径。

由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。

近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这些时代特点，传感器将向以下几个方面发展：为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能提高，例如对于火箭发动机燃烧室的压力测量，希望测量精度的功能优于0.1%，对超精度加工“在线”检测精度高于0.1mm，因此需要研制出高精度的传感器，以满足测量的需求。

目前我国以研制出精度优于0.05%传感器。

2 传感器的相关知识
2.1传感器概念
我们国家标准（GB665-87）是这样定义传感器（transducer/sensor）的：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可以输出信号的器件或装置”。

我们的理解是：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。

这一定义包含了以下几方面的意思：
（1）传感器是测量装置，能完成检测任务；
（2）它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；
（3）他的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理和显示等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；
（4）输入输出有对应关系，且应有一定的精确程度。

我们可以对传感器作字面上的解释：传感器的功能是一感二传，即感受被测信息并传送出去。

2.2传感器的工作原理
电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。

弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。

而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。

这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。

弹性敏感元件的作用就是传感器组成中的敏感元件，要根据被测参数来设计或选择它的结构形式。

电阻应变片的作用就是传感器中的转换元件，是电阻应变片传感器的核心元件。

那么现在举几个简单的例子来说明传感器的原理，如图2.1、2.2所示。

图2.1 柱式力传感器原理图
图2.2 梁式力传感器原理图
上面两个例子简单说明了传感器的工作原理，其中图 2.1是柱式力传感器原理
图。

当圆柱里的应变片受力变形时，1R 、2R 会随力增加而缩短，同时，外面的电阻3R 会受应力而拉伸。

在弹性范围内，应力与应变成正比关系： SE F E l l ==∆=σε （2.1） 式中：F —作用在弹性元件上的集中力；S —圆柱的横截面积。

这个公式说明应力的变化和圆柱体受力的大小和圆柱的横截面积有关，其中一个
变化应力就随着变化。

同样的道理图 2.2是梁式力传感器的简易原理图，弹性元件为一端固定的悬臂
梁，力作用在自由端，顺着l 的方向分别贴上1R ，2R ，3R ，4R 电阻应变片。

此时，1R 、4R 随力增加而拉伸，2R 、3R 随力增加而压缩，两者发生极性相反的等量应变，粘贴应变片处的应变为：
E bR Fl E 26==σ
ε （2.2） 这种传感器会因受力的变化应力也改变。

上述这两种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度高等特点。

2.3 传感器的组成结构
传感器亦称变换器，是将各种非电量（包括物理量，化学量，生物学量等）按一
定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量（一般为电量、磁量等）的装置，它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。

传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成，有时还需加上辅助电源，其原理如图2.3所示。

图2.3 传感器原理框图
其中：（1）敏感元件直接感受被测物理量，如在应变式传感器中为弹性元件；
（2）传感元件将感受到的非电量直接转换成电量，是转换元件；（3）测量电路是将
传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路，使用较多的是电桥电路。

由于传感器元件输出的信号一般较小，大多数的测量电路还包括放大电路，有的还包括显示器，直接在传感器上显示出所测量的物理量；（4）辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。

（下面具体介绍这几种元件的性能）
（1）敏感元件：敏感元件是能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。

例如铂
式电阻能根据感受温度的升降而改变其阻值，阻值的变化就是对温度升降做出的响应，所以铂式电阻就是一种温度敏感元件。

又如弹性膜盒能根据感受压力的高低而引起形变，形成程度就是对压力高低做出的响应。

因此，弹性膜盒是一种压力敏感元件。

为了获得被测变量的精确数值，不仅要求敏感元件对所测变量的响应足够灵敏，还希望它不受或少受其它环境因素的影响。

也就是说，敏感元件的输出响应最好单值地取决于输入被测变量。

例如箔电阻的阻值除受温度影响外，也受应力的影响，这就要求用适当的工艺消除应力。

弹性膜盒的形变除取决于压力变化外，也和环境温度变化有关，必要时应采取温度补偿措施。

敏感元件的输出响应与输入变量之间如果是线性关系，当然最便于应用。

即使是非线性关系，只要这种关系不随时间而变化，也可以满足使用的基本要求；
（2）传感元件：传感器不只是一般的敏感元件，它的输出响应还应该必须是易于传送的物理量，所以就要用到传感元件。

传感元件是指传感器中能够将敏感元件感受或响应的被测量转换成易于传递的物理量的部分。

例如弹性膜盒的输出响应是形变，是微小的几何量（位移），不便于远距离传送；
（3）测量电路：转换电路是将转换元件输出的可用信号作为输入，将其进行放大、显示和记录的电路。

转换电路的类型和被测量、测量原理以及转换元件有关，常用的电子器件有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等。

3 电阻应变片的相关知识
3.1电阻应变片的结构和工作原理
电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。

这类传感器大致分为两类：电阻应变式和电位计式。

利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。

压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。

传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器。

如图(3.1)所示，将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外施压力作用时，弹性敏感元件将产生应变，电阻应变片将它们转换成电阻变化，再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。

它是目前应用较多的压力传感器之一，因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。

图3.1传统的电阻应变片
传统的电阻应变式压力传感器的电阻敏感栅是刻录在一层绝缘脂薄膜上，而薄膜又通过粘结剂粘合到弹性基片上，由于弹性元件与粘结剂及绝缘脂膜之间的弹性模量不同，弹性元件的应变不能直接传递给敏感栅，而是要通过粘结剂、绝缘脂膜才能到达敏感栅，从而产生较大的蠕变和滞后，影响传感器的灵敏度、响应度、线性度等性能。

另外，由于粘结剂不能在高温条件下使用，这也使它的应用范围受到限制。

为了消除绝缘薄膜层和粘结剂层对传感器性能的影响，本文尝试采用真空镀膜方法及光刻技术，在弹性元件上直接刻录敏感栅，弹性元件与敏感栅直接接触，以克服常规工艺导致的滞后和蠕变大的缺陷。

另外，如果弹性材料和结构选择恰当，还可制成耐高温、耐腐蚀的全隔膜式薄膜压力传感器
3.2 电阻应变效应
1.金属材料的电阻应变效应
早在1856年英国物理学家首先发现了金属的电阻应变效应。

金属导体的电阻随
着它所受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。

这就是电阻应变片赖以工作的物理基础。

虽然这种物理现象很早为人们所知，但因为当时测量技术还不发达，因而未能得
到利用。

直至二次大战时期，由于电子技术的进一步发展，美国研制出了粘贴式电阻应变片，并首先应用于航空工业，对当时航空技术的发展做出了贡献。

为什么金属导体的电阻会随着其变形而改变呢？道理很简单，这是因为导体的电
阻是与材料的电阻系数以及它的几何尺寸（长度和截面）有关的，导体在承受机械变形过程中，这三者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻发生变化。

下面来求导体的电阻变化与变形之间的量的关系，即金属材料的灵敏系数。

2.电阻—应变特性
设有一根长为l 、截面为S 、电阻系数为ρ的金属丝，其电阻为R 、有： S l R ρ= （3.1）
式中：R —电阻值（Ω）；ρ—电阻系数(12-⋅⋅Ωm mm )；l —电阻丝长度（m ）；S —电阻丝截面2)(mm 。

设导线在力F 的作用下，其长度l 变化dl ，截面S 变化dS ，半径r 变化dr ，电阻
系数ρ变化ρd ，因而将R 引起变化dR 。

将（3.1）式微分，可得
)(ρρd S dS l dl R dR +-=
即： ρρd S dS l dl R dR +-= （3.2）
因为2r S π=，rdr dS π2=所以：
r dr S dS 2= （3.3） 令ε=l
dl ，为电阻丝轴向相对伸长即轴向应变，而r dr 则为电阻丝径向相对伸长即径向应变，两者的比例系数即泊松系数为μ，负号表示方向相反，有： μεμ-=-=l dl r dr （3.4）
将（3.4）式代入（3.3）式得： με2-=S dS （3.5）
将（3.5）式代入（3.2）式并经整理后得： εερρ
μ])21[(d R dR ++= （3.6）
即：
ερρμεd R dR
K ++==)21(0 （3.7）
0K 称为金属材料的灵敏系数，它的物理意义为单位应变所引起的电阻相对变化。

由（3.7）式可知，金属材料的灵敏系数受两个因素的影响；一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，既（1+2μ）项；另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起的，即ερρd 项。

这是由于材料发生更变形时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，由于这一项目前不能用解析式来表达，所以0K 只能依靠实验求得。

根据大量实验证明，在电阻丝拉伸的比例极限内，电阻的相对变化与应变是成正比的，即0K 为一常数。

因此（3.7）式以增量表示可写为： ε0K R
R =∆ （3.8） 上式表示金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比。

3.应变片测试原理
用应变片测量应变或应力，是将应变片粘贴在被测对象上。

在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相应的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。

如果应用仪器测出应变片的电阻值变化R
∆。

则根
ε，而根据应力-应变关系。

据式（3.8），可以得到被测对象的应变值为
x
σE
ε
=（3.9）式中：σ—试件的应力；ε—试件的应变；可以得到应力值σ。

通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。

3.3电阻应变片的种类及材料
3.3.1电阻应变片的种类
现代应变片根据实际需要已发展成为多种型式：尺寸长的有几百毫米，短的仅0.2毫米；形式上有单片。

应变花和特殊形状的图案;使用环境，有高温、低温、水下、抗辐射、高压、抗强磁场等；安装形式有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。

此外，应变片的工艺和原理还被移植到其他领域，产生了许多性能优良的特殊片，如高精密电阻、疲劳片、裂纹片、测温片及传感器补偿片等。

因此，传感器仅仅是应变片技术的应用领域之一。

下面具体介绍几种应变片的特点，见表3.1：
1.金属丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式两种，图3.2所示为回线式应变片。

图3.2回线式应变片
它的敏感栅材料直径在0.012～0.05mm之间，以0.025mm左右为最常用,回线的曲率半径r为0.1～0.3mm，基片用厚度为0.03mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能保证有效地传递变形。

引线多用0.15～0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。

因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。

但因弯曲部的变形使其横向效应较大。

所有电阻片中，丝式片属最基本的传统结构，也是传感器中常用的品种，其生产和使用历史较长。

丝材加工及处理技术比较成熟，灵敏系数比较一致，温度系数可选择适当的合金成分及热处理进行调节，因此可达到自补偿。

但直径不能过细，否则会要限制使用电压。

表3.1用于传感器的各种应变片
应变片种类电
阻
材
料
电阻值
（ ）
灵敏系数
（k）
滞后
及蠕
变
制造
工艺
备注
金属丝式片金
属
丝
＜1000 2.0~6.0小简易
使用方便、价廉，温度系数和K值一致性好，可用
很长的丝，疲劳寿命长，能承受较大变形，能用多
种合金材料金属
金属箔片式金
属
箔
＜2000 2.0~2.4很小简易
形状任意，能制于各种基片上，阻值一致性好，K
值温度系数好，横向效应好
2.箔式应变片
箔式片的丝栅尺寸小，形状任意、柔软、横向效应小，容许电流大，疲劳寿命高，蠕变及滞后好，应用日益增多，早期获得均匀的箔材比较困难，但目前已是应变式传感器中使用的主要品种。

箔式片所用箔材，一般厚为3～5微米，常用铜镍合金（如康铜），但近年来随着技术的发展，应变片用箔材也发展成为系列。

制作方法除开光化学腐蚀外，也可采用精密冲压法，冲压法与腐蚀法比较，栅条无毛刺，性能比较一致。

我国由于原材料（箔材性能尚不完全过关）和工艺（箔式片不易粘贴，焊点容易脱落等）关系，目前丝式片、尤其是高温和低温片，仍占主要地位。

下面是箔式片的主要优点：
（1）制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求；
（2）敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远较圆断面的为大，故粘合面积大；
（3）敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；
（4）散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；
（5）敏感栅弯头横向效应可以忽略；
（6）蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。

3.薄膜应变片
薄膜片是目前高精度传感器中很有前途的新型电阻片（国外称之为无蠕变工艺）。

其原理，虽早在五十年代初就有人提出过，但遇到多方面的工艺困难，制成的薄膜稳定性差无法实用，直到最近十余年才有所突破。

目前，对于金属薄膜片而言，比较成熟的方法有两种：一是真空蒸发，二是溅射式阴极扩散。

由于溅射的分子具有很大的
能量，不能蒸发只凝结在表面，故附着力强，膜的性能好。

为了沉积基底绝缘材料，进一步改善溅射过程，需采用高频溅射系统，这种片的优点是：阻值比箔式高，形状和尺寸也比箔式片更小更精确，没有箔式片腐蚀所引入的疵病；制成的结构导热良好，对于较宽的工作温度范围也可达到较完善的补偿。

尤其突出的是：陶瓷绝缘代替了胶接，既避免了复杂的分选和粘贴技术，而且对胶所引入的漂移、疲劳等弱点都有很大的克服。

制成的传感器可以达到较高的水平。

4.半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。

所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。

常用的半导体应变片系用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状，根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。

3.3.2电阻应变片的材料
1.敏感栅材料
K和电阻率ρ要尽可能高而制造应变片时，对敏感栅材料的要求：①灵敏系数
s
稳定，电阻变化率R
K
R
∆与机械应变ε之间应具有良好而宽广的线性关系，既要求
s 在很大范围内为常数；②电阻温度系数小，电阻-温度间的线性关系和重复性好；③机械强度高，碾压及焊接性能好，与其他金属之间接触热电势小；④抗氧化、耐腐蚀性能强，无明显机械滞后。

此外，制作应变片敏感栅常用的材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、贵金属（铂、铂钨合金等）材料等，材料性能见表3.2。

表3.2常用应变电阻丝材
2.应变片基底材料
应变片基底材料有纸和聚合物两大类，纸基逐渐被胶基（有机聚合物）取代，因
为胶基各方面性能都好于纸基。

胶基是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚约0.03-0.05mm 。

对基底材料性能有如下要求：①机械强度好，挠性好；②粘贴性能好；③电绝缘
性能好；④热稳定性和抗湿性好；⑤无滞后和蠕变。

3.引线材料
康铜丝敏感栅应变片，引线系采用直径为0.05-0.18mm 的银铜丝，采用点焊焊接。

其他类型敏感栅，多采用直径与上述相对的铬镍、铁铬铝金属丝或偏带作为引线。

与敏感栅点焊相接。

3.4 金属应变片的主要特性
1.灵敏系数
灵敏系数是指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片
的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。

εR
R k ∆= (3.10)
应变片的电阻R 的应变特性与金属丝不同，因此必须用实验方法对应变片的灵敏
系数K 进行测定。

测定时必须按规定的标准，例如受轴向单向力（拉或压），试件材料泊松系数为μ=0.285的钢等。

一批产品中只能抽样5％的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数，又称“标称灵敏系数”。

实验表明，电阻应变片的灵敏系数k 值恒小于电阻丝的灵敏系数0k ，其原因除了粘结层传递变形失真外，还存在有横向效应。