电阻应变计技术发展动向

        电阻应变计是称重传感器的核心器件，其敏感栅结构、基底材料、灵敏系数稳定性、机械滞后、蠕变和热输出等技术性能直接影响称重传感器的准确度和稳定性。许多企业都把应变计的生产列入称重传感器的基础工艺。国内外著名称重传感器企业稳定批量生产质量都是从电阻应变计这一源头抓起，或建立与自己产品配套的电阻应变计生产部门，或经过考察确立长期供货的电阻应变计生产企业。90年代以来，以美国VMM公司为代表的应变计敏感栅箔材轧制企业和以美国VMM公司为代表的电阻应变计生产企业，在箔材轧制、热处理和电阻应变计设计技术与制造工艺研究上都取得了突破性进展，主要成果简介如下。

   
     
       为满足称重传感器小型化、微型化的要求，特别是电子秤用能耗小、发热低、稳定性好的称重传感器用大阻值应变计的需要，美国VMM公司研制出2m、2.5m厚的超薄型康铜箔材，为研制微型应变计和大阻值应变计提供了物质基础。目前此产品尚未供应中国市场。

        美国VMM公司电阻应变计的结构设计普遍采用一维、二维和三维有限单元法，建立相应的力学模型，分析应变计的应变传递系数，提出应变计结构设计原则。利用二维有限单元法计算和分析粘贴在弹性体上应变计的应变传递，得出大部分区域是单向应力状态，基本没有应变传递滞后现象，而接近栅丝末端的一小段是剪应力传递区域，剪应力急剧变化，正应力降为零而产生应变传递滞后现象。因此提出设计框状端头，把栅丝应变均匀分布区域作为工作区，将应变传递滞后区域与工作区域隔离开，减小应变计的滞后，这正是称重传感器用应变计所需要的。

        建立三维有限单元六面体力学模型，取一万多个节点，在大容量电子计算机上进行计算，其目的是深入研究应变计结构，主要解决应变计复盖层的力学效果，敏感栅端部结构的力学效应，基底、敏感栅、复盖层厚度对机械滞后的影响，敏感栅结构与蠕变自补偿问题。保证应变计结构形状、几何尺寸、基底和复盖层厚度最合理。

        尽管电阻应变计原理和结构设计都无可挑剔，但其制造工艺决定了它必然存在一些固有的工艺缺陷，传统制造工艺中刻图制片、涂胶光刻、基底制作、粗细腐蚀、阻值调整、引线焊接、涂复盖层、质量检查等工序多为手工操作和控制，人为的因素对产品质量影响很大，而且应变计成功率低，均一性差。而美国VMM公司和德国HBM公司的应变计生产工艺，自动化程度都很高，几乎每道工序都采用计算机自动控制和处理，关键工序如基底制作、光刻腐蚀、精细调阻，引线焊接、质量检测等都在自动化程度很高的专用设备上进行，制造工艺的可重复性好，工艺兑现率高。因此应变计的各项技术指标优良，一致性和稳定性好，批次产品质量几乎无差别。特别是称重传感器专用应变计在灵敏系数稳定性、阻值分散性、机械滞后、蠕变和热输出等技术指标的控制更加严格，为大批量生产C3级称重传感器创造了条件。

       灵敏系数是电阻应变计的重要参数，许多生产厂家都采用等应力悬臂梁进行测试，其结果是灵敏系数分散大，准确度低。我们了解到的国外应变计生产企业，特别重视应变计生产工艺的两头，即开头的结构设计与刻图制版和最后的性能检测与灵敏系数测定。由于电阻应变计不能二次粘贴使用，所以灵敏系数测定是采用抽样的方法在带有标准梁的自动加载测量装置上进行。一次可标定多组不同型号的电阻应变计，每组最多可达10片，组成数10个测量点，通过多路自动扫描测量仪和电子计算机进行控制和运算，最后给出应变计灵敏系数、机械滞后和蠕变值。数据采集系统的分辨率为1με和1μv，精度优于0.02％。

       应变计电阻值的精密调整工艺对其电阻值的分散度和稳定性影响较大。尽管化学调阻比传统的机械调阻有许多优越性，完全能保证产品质量，但其工艺要求严、劳动强度大、生产效率低的缺点也很突出，不适应日产10多万片应变计的大批量生产。美国VMM公司独创了激光自动调阻新工艺，速度快、精度高，应变计电阻值分散小，便于加膜处理制成全密封栅结构的应变计。

       电阻应变计应用技术的研究也取得了突破性的进展。美国VMM公司经过多年的研究与实验开发出EMC（有效模量补偿）系列灵敏度温度自补偿电阻应变计，在许多场合都可以很容易的获得优于±0.0008/°F（0.0014%/℃）的补偿精度。根据不同弹性体材料EMC系列灵敏度温度自补偿应变计有4种类型：M1灵敏系数随温度变化-1.5%/100°F（-2.70％/100℃）适用于不锈钢；M2灵敏系数随温度变化-2.35%/100°F（-4.23%/100℃）适用于铝合金；M3灵敏系数随温度变化-1.25%/100°F（-2.25％/100℃）适用于工具钢；M4灵敏系数随温度变化为-1.35％/100°F（-2.43%/100℃）适用M1和M3之间的“中间区域”（不锈钢与工具钢之间）的补偿。

电阻应变片是电阻型传感器的一种。

       所谓电阻型传感器，就是依据某种物理、化学或生物效应将某种非电量甲的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量甲的电测量。

电阻式传感器的类型很多，包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等，在几何量、机械量、热工量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度、温度等，是传感器大家族中兴旺发达的一个分支。 

若存在某种敏感元件，将另外一种非电量乙转换为该电阻式传感器直接测量的非电量甲，则该电阻式传感器亦可用来测量非电量乙。

各式各样的敏感元件、种类繁多的传感元件，加之敏感元件与传感元件不同的组合方式，构成了丰富多彩、各具特色的测量方案。

1 电阻应变片的结构

如何将这种传感原理应用于具体的测量实践，必须进行具体的材料优选、结构设计，构成具体的测量元件——电阻应变片。

电阻应变片由敏感栅(金属丝或金属箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。

敏感栅是传感元件，它把感受到的应变转换为电阻的变化。

基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上，并使敏感栅与被测弹性体之间相互绝缘。基底必须作的很薄，一般在0.02~0.4mm。

覆盖层用来保护敏感栅。

基底和覆盖层可用专门的薄纸制成，称为纸基；也可用各种粘结剂和有机树脂薄膜制成，称为胶基。多采用后者。

粘合剂把敏感栅与基底粘贴在一起。

引出线作为连接信号调理电路之用，常用直径为0.10~0.15mm的镀锡铜线，并与敏感栅两输出端焊接。

2 电阻应变片的种类

丝式应变片：将直径0.015~0.05mm、长度0.2~200mm范围的金属丝，按图示形状弯曲后，用粘合剂粘贴在基底上而成。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于被测弹性体上，就可构成应变式传感器。

箔式应变片：它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在3μm至10μm之间。与丝式应变片相比，箔式应变片表面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于箔式应变片很薄，因此具有较好的可挠性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。

金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜，然后用蚀刻技术制成各种形状的栅，以形成应变片。薄膜厚度比箔栅还要薄，一般在0.1μm以下，其灵敏系数比箔式还要高，允许电流密度大，工作温度范围较广。