1、引言

　　傳感器長期穩(wěn)定性是指傳感器在使用過程中其各種技術(shù)指標(biāo)隨時間而變化的程度。傳感器基本技術(shù)指標(biāo)共有十多項，把這些具體指標(biāo)的長期穩(wěn)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(shù)指標(biāo)之間不相互聯(lián)系，其間不存在簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，其關(guān)聯(lián)的技術(shù)和理論知識面廣而且很復(fù)雜。

　　本文論述了應(yīng)變傳感器零點輸出長期穩(wěn)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(wěn)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(yīng)力狀態(tài)，幾何尺寸的變化而導(dǎo)致傳感器零點輸出值的變化。

　　如何提高電阻應(yīng)變式傳感器以下簡稱傳感器的長期穩(wěn)定性，這是國內(nèi)傳感器行業(yè)非常關(guān)心的問題。

　　2、應(yīng)變傳感器工作原理

　　應(yīng)變效應(yīng)——材料在受外力作用時，將產(chǎn)生機械變形，機械變形會產(chǎn)生阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”

　　基本原理——σ=E*ε，ΔR/R=K*

　　ε，其中σ為試件的應(yīng)力，ε為試件的應(yīng)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(shù)，一般在1.7—3.6之間

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

　　檢測電路——把應(yīng)變計的ΔR/R變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，通常采用惠斯登電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)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(yīng)變式傳感器穩(wěn)定性原因探討

　　3.1引起應(yīng)變傳感器不穩(wěn)定原因分析

　　根據(jù)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(zhì)問題。

　　根據(jù)量子力學(xué)原理[5]，金屬由一群依一定規(guī)則排列原子構(gòu)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(dǎo)電的主要原因。當(dāng)金屬兩端產(chǎn)生電勢差(即電壓)時，電子因電場的影響而作規(guī)則的流動，是為電流。在現(xiàn)實中，物質(zhì)的原子排列不可能為完全規(guī)則，因此電子在流動途中會被不按規(guī)則排列的原子打散，是為電阻的來源。

　　根據(jù)電阻定律，導(dǎo)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(dǎo)體的材料有關(guān)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(dǎo)線長度;S：繞制成電阻的導(dǎo)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(dǎo)線的電阻，叫做這種材料的電阻率。是描述材料性質(zhì)的物理量。國際單位制中，電阻率的單位是歐姆·米。與導(dǎo)體長度L，橫截面積S無關(guān)，只與物體的材料和溫度有關(guān)，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(dǎo)體電阻變化是引起傳感器不穩(wěn)定的直接原因，而電阻主要有電阻率、導(dǎo)體橫截面積和導(dǎo)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(xué)中，一定材料的電阻率是按常數(shù)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(shù)來對待。

　　根據(jù)量子力學(xué)，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(yīng)力、壓力、范性形變、材抖的化學(xué)成分和材料的組織結(jié)溝等因素的影響。

　　由于對某種金屬而言材料的化學(xué)成分已經(jīng)確定，應(yīng)力、壓力、范性形變的改變本質(zhì)上是改變了金屬內(nèi)部某些組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(dāng)外力撤消后，固體不能恢復(fù)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(yīng)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(shù)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(xiàn)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(xié)調(diào)，否則材料的連續(xù)性將不能保持。理論分析指出，為了使多晶體通過滑移產(chǎn)生連續(xù)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(tǒng)動作。實驗證明，即使在應(yīng)變很小的情況下，各個晶粒也明顯地在幾個滑移系統(tǒng)上滑移，特別是在靠近晶界的區(qū)域。由于晶粒間界對滑移的阻礙作用，以及多個滑移系統(tǒng)的位錯相互干擾，多晶材料的應(yīng)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(fā)生轉(zhuǎn)動。經(jīng)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(tài)稱為擇優(yōu)取向，得到的組織稱為織構(gòu)。金屬的形變織構(gòu)依照加工方式的差異具有不同的類型，多晶體中有了織構(gòu)之后，其性能在一定程度上表現(xiàn)出各向異性。

　　滑移過程的機制最終歸結(jié)為位錯沿滑移面的運動。在此基礎(chǔ)上可以想象，范性形變所需的力應(yīng)該是用于克服位錯產(chǎn)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(shù)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(jīng)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(jīng)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(jié)構(gòu)的阻力稱為點陣阻力。點陣阻力與原子間結(jié)合鍵的性質(zhì)密切相關(guān)。金屬晶體在范性性質(zhì)上與共價晶體和多數(shù)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(zhì)點等，對位錯的運動也產(chǎn)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(jié)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(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”。范性形變引起原子結(jié)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(fā)生了改變，造成電場不均勻性，導(dǎo)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(jié)合鍵發(fā)生改變，從而導(dǎo)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(dǎo)體橫截面積和導(dǎo)體長度，我們把導(dǎo)體橫截與導(dǎo)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(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時，不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時，由于環(huán)境溫度的變化，電阻絲會產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。

　　3.4影響應(yīng)變式傳感器穩(wěn)定性原因總結(jié)

　　通過上面論述可知，影響應(yīng)變傳感器穩(wěn)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(yīng)變片電阻率變化及幾何形變，從而導(dǎo)致應(yīng)變傳感器零輸出時的漂移。范性形變改變了電阻率，導(dǎo)致電阻值改變。在應(yīng)變片使用中，粘貼方法，殘余應(yīng)力等產(chǎn)生應(yīng)變片的幾何形變。

　　4、改善應(yīng)變式傳感器穩(wěn)定性方法探討

　　解決應(yīng)變式傳感器零點輸出長期穩(wěn)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(yīng)力狀態(tài)、幾何尺寸的變化問題。怎樣解決這些問題是具體的技術(shù)問題。在實際工程中，可以從以下方面改善應(yīng)變式傳感器穩(wěn)定性。

　　4.1應(yīng)變片的粘貼

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

　　應(yīng)變片粘貼注意分清應(yīng)變片的正、反面(有引出線引出的一面為正面)，用左手捏住應(yīng)變片的引線，右手上膠，在應(yīng)變片的粘貼面(反面)上勻而薄地涂上一層粘結(jié)劑。待一分鐘后，當(dāng)膠水發(fā)粘時，校正方向(應(yīng)變片的定位線與十字線交叉線對準(zhǔn)，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(zhǔn)，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(yīng)變片粘貼示意圖

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

　　4.2殘余應(yīng)力的消除

　　當(dāng)完成應(yīng)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(yīng)力?？紤]到貼片用的粘合劑在過高的溫度下會老化，只能采取反復(fù)加載和機械振動來去除應(yīng)力.采用反復(fù)加載和機械振動的辦法，有利于內(nèi)應(yīng)力的加速釋放。特別是在應(yīng)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(yīng)變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應(yīng)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(shù)的關(guān)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(shù)。

　　R1—工作應(yīng)變片;RB—補償應(yīng)變片

　　由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)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(guān)系可實現(xiàn)對溫度的補償。測量應(yīng)變時，工作應(yīng)變片R1粘貼在被測試件表面上，補償應(yīng)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(yīng)變片承受應(yīng)變。如圖3所示。

　　當(dāng)被測試件不承受應(yīng)變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t℃的溫度場中，調(diào)整電橋參數(shù)，使之達(dá)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(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時，兩個應(yīng)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(tài)，即：

　　Uo=A[(R1+ΔR1t)

　　R4-(RB+ΔRBt)R3]=0(4)

　　若此時被測試件有應(yīng)變ε的作用，則工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)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(yīng)變ε有關(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。應(yīng)當(dāng)指出，若實現(xiàn)完全補償，上述分析過程必須滿足四個條件：

　　①在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。

　?、赗1和RB兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α，線膨脹系數(shù)β，應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。

　?、壅迟N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(shù)相同。

　?、軆蓱?yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。

　　(2)應(yīng)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(yīng)變片，稱之為溫度自補償應(yīng)變片。這種方法是通過精心選擇敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償。粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補償應(yīng)變片。

　　5、總結(jié)

　　應(yīng)變傳感器的長期穩(wěn)定性是國內(nèi)傳感器行業(yè)非常關(guān)心的問題。由于應(yīng)變傳感器在工程應(yīng)用中，除了其自身物理特性造成的不穩(wěn)定外，還受應(yīng)變片粘貼方法，被測試件彈性體殘余應(yīng)力等外界因素影響。本文從材料力學(xué)，量子力學(xué)和電子學(xué)方面深入探討了造成應(yīng)變傳感器不穩(wěn)定性的本質(zhì)原因，并總結(jié)了改善不穩(wěn)定性常用的方法。由于造成應(yīng)變傳感器測試系統(tǒng)不穩(wěn)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(jié)了最本質(zhì)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(yīng)用中不斷總結(jié)積累。