應變傳感器穩定性研究

　　1、引言

　　傳感器長期穩定性是指傳感器在使用過程中其各種技術指標隨時間而變化的程度。傳感器基本技術指標共有十多項，把這些具體指標的長期穩定性問題放在一起討論是很困難。這是因為傳感器多項技術指標之間不相互聯系，其間不存在簡單的數學關系，其關聯的技術和理論知識面廣而且很復雜。

　　本文論述了應變傳感器零點輸出長期穩定性問題。從理論上論述了傳感器零點輸出值隨時間變化的機理。影響傳感器零點輸出長期穩定性因素是在傳感器制造工藝、選材和工人操作因素引起的傳感器工作電路電阻率變化，基底膠和彈性體材料的應力狀態，幾何尺寸的變化而導致傳感器零點輸出值的變化。

　　如何提高電阻應變式傳感器以下簡稱傳感器的長期穩定性，這是國內傳感器行業非常關心的問題。

　　2、應變傳感器工作原理

　　應變效應——材料在受外力作用時，將產生機械變形，機械變形會產生阻值變化，這種因形變而使其阻值發生變化的現象稱為“應變效應”

　　基本原理——σ=E*ε，ΔR/R=K*

　　ε，其中σ為試件的應力，ε為試件的應變，E試件材料的彈性模量，ΔR/R電阻變化率，K為靈敏度系數，一般在1.7—3.6之間

　　測量原理——用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化

　　檢測電路——把應變計的ΔR/R變化轉換成電壓或電流變化，通常采用惠斯登電橋電路實現這種轉換，如圖1。

　　圖1惠斯登電橋

　　平衡條件：R1/R2=Rx/R3=n(1)

輸出電壓：

　　3、影響應變式傳感器穩定性原因探討

　　3.1引起應變傳感器不穩定原因分析

　　根據傳感器的工作原理，引起傳感器零點輸出值變化的因素是傳感器工作電路中電阻的變化。傳感器在制造、使用過程中由于哪些因素影響引起傳感器工作電路電阻的變化是所要研究的本質問題。

　　根據量子力學原理[5]，金屬由一群依一定規則排列原子構成，每顆原子均有一層(或多層)由電子組成的外殼。這些在外殼的電子能脫離原子核的吸引力而到處流動，是金屬能導電的主要原因。當金屬兩端產生電勢差(即電壓)時，電子因電場的影響而作規則的流動，是為電流。在現實中，物質的原子排列不可能為完全規則，因此電子在流動途中會被不按規則排列的原子打散，是為電阻的來源。

　　根據電阻定律，導體的電阻R跟它的長度L成正比，跟它的橫截面積S成反比，還跟導體的材料有關系，其公式為：

　　R=ρL/S(1)

　　其中ρ：制成電阻的材料電阻率;L：繞制成電阻的導線長度;S：繞制成電阻的導線橫截面積，R：電阻值。

　　某種材料制成的長1米、橫截面積是1平方米的導線的電阻，叫做這種材料的電阻率。是描述材料性質的物理量。國際單位制中，電阻率的單位是歐姆·米。與導體長度L，橫截面積S無關，只與物體的材料和溫度有關，有些材料的電阻率隨著溫度的升高而增大，有些反之。

　　通過上述分析可知，導體電阻變化是引起傳感器不穩定的直接原因，而電阻主要有電阻率、導體橫截面積和導體長度決定。

　　3.2影響電阻率變化的原因分析

　　在普通電工學中，一定材料的電阻率是按常數來對待的，可是在研究傳感器的時候卻不能把電阻率按常數來對待。

　　根據量子力學，金屬的電阻率要隨著電子的散射幾率而變化。電子的散射幾率越大，材料的電阻率越大。電子散射幾率是主要受溫度、應力、壓力、范性形變、材抖的化學成分和材料的組織結溝等因素的影響。

　　由于對某種金屬而言材料的化學成分已經確定，應力、壓力、范性形變的改變本質上是改變了金屬內部某些組織結構，導致電子散射幾率變化，所以本文主要對引起電子散射幾率變化的溫度和范性形變進行分析。

　　3.2.1范性形變對電阻率的影響

　　固體受外力作用而使各點間相對位置的改變，當外力撤消后，固體不能恢復原狀謂之“索性形變”，又稱為“范性形變”。

　　金屬范性形變的方式可有以下幾種：孿生、滑移、扭折。

　　滑移是金屬晶體范性形變最主要的方式，也就是晶體的相鄰部分在切應力作用下沿著一定的晶面和一定的晶體方向相對移動。在絕大多數情況下，金屬以多晶體形式使用。多晶體是由大量稱為晶粒的小晶體組成，每個晶粒的取向與其相鄰晶粒不同，從而使金屬在外力作用下在宏觀上表現為各向同性體。多晶體范性形變時，一個晶粒的變形必須與相鄰各個晶粒的變形相協調，否則材料的連續性將不能保持。理論分析指出，為了使多晶體通過滑移產生連續性不受破壞的變形，每個晶粒中至少要有五個獨立的滑移系統動作。實驗證明，即使在應變很小的情況下，各個晶粒也明顯地在幾個滑移系統上滑移，特別是在靠近晶界的區域。由于晶粒間界對滑移的阻礙作用，以及多個滑移系統的位錯相互干擾，多晶材料的應變硬化速率較大。

　　多晶體范性形變過程中，各個晶粒在形狀改變的同時也發生轉動。經過較大的形變之后，各個晶粒的某一晶體方向逐漸集中到施力軸方向上來，這種狀態稱為擇優取向，得到的組織稱為織構。金屬的形變織構依照加工方式的差異具有不同的類型，多晶體中有了織構之后，其性能在一定程度上表現出各向異性。

　　滑移過程的機制最終歸結為位錯沿滑移面的運動。在此基礎上可以想象，范性形變所需的力應該是用于克服位錯產生、增殖和運動時所遇到的障礙，而形變速度則決定于單位體積中位錯數量的多少，以及位錯本身的運動速度。由于位錯附近的原子已經從點陣的平衡位置移動出來，使位錯前進一個原子間距，所要求原子的移動距離是很小的，而且隨著位錯的運動，在一些原子勢能升高的同時另一些原子勢能降低，總能量變化很小，所以晶體以位錯運動的機制逐步滑移，比無位錯完整晶體作剛性相對滑移所需的力要小得多;在后一種情況下，要經歷滑移面上的全部原子同時向高能位置移動的過程。然而，位錯畢竟要克服勢壘才能前進，這種來源于晶體周期性結構的阻力稱為點陣阻力。點陣阻力與原子間結合鍵的性質密切相關。金屬晶體在范性性質上與共價晶體和多數離子晶體具有顯著差異的根本原因，在于點陣阻力較小。晶體中的各種缺陷如點缺陷、其他位錯、晶粒間界、第二相質點等，對位錯的運動也產生阻力。

　　同時，金屬晶體就是依靠各正離子與公有的自由電子間的相互引力而結合起來的，而離子與離子間以及電子與電子間的斥力則與這種引力相平衡，使金屬處于穩定的晶體狀態。金屬原子的這種結合方式稱為“金屬鍵”。范性形變引起原子結合鍵的變化和原子間的距離增大，也對電阻率有影響。

　　通過上文論述可知范性形變使晶體點陣發生了改變，造成電場不均勻性，導致電子波散射增加。范性形變程度越大，電子散射幾率越大，電子散射幾率越大，電阻率也越大。同時，范性形使金屬原子間距及結合鍵發生改變，從而導致電阻率有所變化。

　　3.2.2溫度對電阻率的影響

　　溫度越高，電子的振功越強烈，電子也越容易被散射，電子散射率增大，電阻率也增大。

　　3.3幾何形變對電阻的影響

　　定義：由電阻定律可知，影響電阻變化的主要有電阻率、導體橫截面積和導體長度，我們把導體橫截與導體長度之比稱為幾何形變。

　　由熱脹冷縮原理可知，溫度對材料的幾何形變有影響。

　　當試件與電阻絲材料的線膨脹系數相同時，不論環境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態一樣，不會產生附加變形。當試件和電阻絲線膨脹系數不同時，由于環境溫度的變化，電阻絲會產生附加變形，從而產生附加電阻。

　　3.4影響應變式傳感器穩定性原因總結

　　通過上面論述可知，影響應變傳感器穩定性的主要因素是溫度，范性形變，幾何形變。溫度的變化引起應變片電阻率變化及幾何形變，從而導致應變傳感器零輸出時的漂移。范性形變改變了電阻率，導致電阻值改變。在應變片使用中，粘貼方法，殘余應力等產生應變片的幾何形變。

　　4、改善應變式傳感器穩定性方法探討

　　解決應變式傳感器零點輸出長期穩定性的問題，就必須解決傳感器制造工藝和整個傳感器制造過程中控制電阻材料的電阻率變化因素、基底膠和彈性體材料的應力狀態、幾何尺寸的變化問題。怎樣解決這些問題是具體的技術問題。在實際工程中，可以從以下方面改善應變式傳感器穩定性。

　　4.1應變片的粘貼

　　敏感元件是電阻應變式傳感器的重要組成部分，在實際測量中常選用應變片，因此應變片的粘貼成了關鍵技術之一。

　　應變片粘貼注意分清應變片的正、反面(有引出線引出的一面為正面)，用左手捏住應變片的引線，右手上膠，在應變片的粘貼面(反面)上勻而薄地涂上一層粘結劑。待一分鐘后，當膠水發粘時，校正方向(應變片的定位線與十字線交叉線對準，其電阻柵的絲繞方向與十字線中較長線的方向一致，即保證電阻柵的中心與十字交叉點對準，再墊上塑料薄膜，用手沿一個方向滾壓1~2分鐘即可。見圖2。

　　圖2 應變片粘貼示意圖

　　應變片粘貼完畢后的檢查：應變片貼好后，先檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現象，再用數字萬用表的電阻檔檢查應變片有無短路、斷路和阻值發生突變(因應變片粘貼不平整導致)的現象，如發生上述現象，就會影響測量的準確性，這時要重貼。

　　4.2殘余應力的消除

　　當完成應變片全部粘貼后，把彈性體與筒體焊接在一起，再消除一次殘余應力。考慮到貼片用的粘合劑在過高的溫度下會老化，只能采取反復加載和機械振動來去除應力.采用反復加載和機械振動的辦法，有利于內應力的加速釋放。特別是在應變式傳感器中，在貼片后進行疲勞加載，有利于改善傳感器的性能。

　　4.3溫度補償

　　電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。

　　(1)橋路補償法

　　電橋補償是最常用的且效果較好的線路補償法。圖3所示是電橋補償法的原理圖。電橋輸出電壓Uo與橋臂參數的關系為：

　　Uo=A(R1R4-RBR3)(2)

　　(2)式中：A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數。

　　R1—工作應變片;RB—補償應變片

　　由上式可知，當R3和R4為常數時，R1和RB對電橋輸出電壓U0的作用方向相反。利用這一基本關系可實現對溫度的補償。測量應變時，工作應變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應變片RB粘貼在與被測試件材料完全相同的補償塊上，且僅工作應變片承受應變。如圖3所示。

　　當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環境溫度為t℃的溫度場中，調整電橋參數，使之達到平衡，有

　　Uo=A(R1R4-RBR3)=0(3)

　　圖3 電橋補償法

　　工程上，一般按R1=R2=R3=R4選取橋臂電阻。當溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應變片的因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態，即：

　　Uo=A[(R1+ΔR1t)

　　R4-(RB+ΔRBt)R3]=0(4)

　　若此時被測試件有應變ε的作用，則工作應變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應變，故不產生新的增量，此時電橋輸出電壓為：

　　Uo=AR1R4Kε(5)

　　由上式可知，電橋的輸出電壓Uo僅與被測試件的應變ε有關，而與環境溫度無關。應當指出，若實現完全補償，上述分析過程必須滿足四個條件：

　　①在應變片工作過程中，保證R3=R4。

　　②R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數α，線膨脹系數β，應變靈敏度系數K和初始電阻值R0。

　　③粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數相同。

　　④兩應變片應處于同一溫度場。

　　(2)應變片的自補償法這種溫度補償法是利用自身具有溫度補償作用的應變片，稱之為溫度自補償應變片。這種方法是通過精心選擇敏感柵材料與結構參數來實現熱輸出補償。粘貼在被測部位上的是一種特殊應變片，當溫度變化時，產生的附加應變為零或相互抵消，這種應變片稱為溫度自補償應變片。

　　5、總結

　　應變傳感器的長期穩定性是國內傳感器行業非常關心的問題。由于應變傳感器在工程應用中，除了其自身物理特性造成的不穩定外，還受應變片粘貼方法，被測試件彈性體殘余應力等外界因素影響。本文從材料力學，量子力學和電子學方面深入探討了造成應變傳感器不穩定性的本質原因，并總結了改善不穩定性常用的方法。由于造成應變傳感器測試系統不穩定的因素很多，如焊接方法，測試中連接線的擺動等，本文只分析總結了最本質的一些原因，并給出了一些工程中最常見的改善方法，更全面的方法還得在以后工程應用中不斷總結積累。