第二章 應(yīng)變式傳感器

1、2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,1,第二章 應(yīng)變式傳感器,2.1 金屬應(yīng)變片式傳感器,2.2 壓阻式傳感器,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,2,2.1 金屬應(yīng)變式傳感器,核心元件是金屬應(yīng)變片，它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。 應(yīng)用時(shí)將應(yīng)變片粘貼在被測(cè)試件表面，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，引起應(yīng)變片的阻值變化，通過測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)輸出。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,3

2、,應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn) 精度高，測(cè)量范圍廣。 頻率響應(yīng)特性較好。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量輕。 可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場(chǎng)及核 輻射和化學(xué)輻射等惡劣條件下正常工作， 易于實(shí)現(xiàn)小型化、固態(tài)化。 價(jià)格低廉，品種多樣，便于選擇。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,4,應(yīng)變式傳感器的缺點(diǎn)在大應(yīng)變狀態(tài)中具有較明顯的非線性，半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器的非線性更為嚴(yán)重；應(yīng)變片式傳感器輸出信號(hào)微弱，故它的抗

3、干擾能力較差，因此信號(hào)線需要采取屏蔽措施；應(yīng)變式傳感器測(cè)出的只是一點(diǎn)或應(yīng)變柵范圍內(nèi)的平均應(yīng)變，不能顯示應(yīng)力場(chǎng)中應(yīng)力梯度的變化等。,盡管應(yīng)變式傳感器存在上述缺點(diǎn)，但可采取一定補(bǔ)償措施，因此它仍不失為非電量電測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣和最有效的敏感元件。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,5,一、 金屬絲式應(yīng)變片,1 應(yīng)變效應(yīng),金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械形變（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。,設(shè)有一根長(zhǎng)度為l

4、、截面積為S、電阻率為ｐ的金屬絲，其電阻R為：,等式兩邊取對(duì)數(shù)，兩邊再微分，得：,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,6,軸向應(yīng)變：,橫向應(yīng)變：,在彈性范圍內(nèi)：,：泊松比,另外又：,由此得：,將上述關(guān)系式整理后，得,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,7,通常把單位應(yīng)變所引起的電阻值相對(duì)變化量稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)，用KS表示。 KS與金屬材料和電阻絲形狀的有關(guān); KS值是一個(gè)無因次量，即它沒有量綱。,靈敏度系數(shù)KS:,將微分d

5、R、dl改寫成增量ΔR、Δl，可寫成下式：,即金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,8,2 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與材料,敏感柵基底蓋片引線,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,9,由某種金屬細(xì)絲繞成柵形。 金屬細(xì)絲自徑為0.015-0.05 mm。 敏感柵在縱軸方向的長(zhǎng)度稱為柵長(zhǎng)，圖中用 表示。 柵長(zhǎng)有100mm、200mm及1 mm、0.5mm、0.2mm等規(guī)格，

6、分別適應(yīng)于不同的用途。,(1） 敏感柵,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,10,對(duì)敏感柵材料的要求,較大的應(yīng)變靈敏系數(shù)，盡量保持為常數(shù)；高而穩(wěn)定的電阻率；電阻溫度系數(shù)要?。豢寡趸芰Ω?，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度；加工性能良好；易于焊接，對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,11,(2） 基底和蓋片,基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置； 蓋片既保持敏感柵和引

7、線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵。 最早的基底和蓋片多用專門的薄紙制成，基底厚度一般為(0.02～0.04)mm，基底的全長(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,12,(3） 粘結(jié)劑,用于將敏感柵固定在基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起； 使用應(yīng)變片時(shí)，需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。,粘結(jié)劑材料：有機(jī)和無機(jī)兩大類,202

8、4/3/17,控制科學(xué)與工程系,13,(4） 引線,它是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。 常用直徑約(0.1—0.15)mm的鍍錫銅線，或扁帶形的其他金屬材料制成。,對(duì)引線材料的性能要求 電阻率低、 電阻溫度系數(shù)小、 抗氧化性能好、 易于焊接。 大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,14,3 主要特性,(1）靈敏度系數(shù),金屬絲的電阻相對(duì)變化——應(yīng)變之間具有線性關(guān)系； 金屬絲做成電阻應(yīng)變

9、片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲時(shí)不同的，因此必須通過實(shí)驗(yàn)重新測(cè)定。,實(shí)驗(yàn)證明，ΔR／R與ε的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系。即,其中，K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,15,K是在試件受一維應(yīng)力作用，應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致，且試件材料的泊松比為0.285的鋼材時(shí)測(cè)得的。,應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K恒小于線材的靈敏度系數(shù)KS； 原因：膠層傳遞失真；橫向效應(yīng)（不可忽視的因素）。,2024/3/17,

10、控制科學(xué)與工程系,16,(2）橫向效應(yīng),應(yīng)變片由于兩端有圓弧形或直線形的橫柵，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，橫柵既對(duì)應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變敏感，又對(duì)垂直于軸線方向的橫向應(yīng)變敏感。應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響，又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。,橫向效應(yīng)給測(cè)量帶來了誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。 敏感柵的縱柵愈窄愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。,絲繞式應(yīng)變片敏感柵的半圓弧形部分,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,17

11、,(3）機(jī)械滯后,,,,,,,,Δε,εl,機(jī)械應(yīng)變?chǔ)?卸載,加載,指示應(yīng)變?chǔ)舏,應(yīng)變片的機(jī)械滯后,,,由于敏感柵材料、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變以后會(huì)有部分殘余變形。因而對(duì)于已經(jīng)安裝好的應(yīng)變片，在一定溫度下，其指示應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變的加載特性和卸載特性不重合，稱為機(jī)械滯后,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,18,機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時(shí)的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若

12、干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。,產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應(yīng)變片時(shí)，敏感柵受到的不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充分等。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,19,(4）零點(diǎn)漂移和蠕變,零漂(zero shift) 對(duì)于已安裝好的應(yīng)變片，在一定溫度下，不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其指示應(yīng)變隨時(shí)間而變化的特性原因：通以工作電流后的溫度效應(yīng)；應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力變化；粘結(jié)劑固化不

13、充分等。 蠕變(creep) 在一定溫度下，使其承受一恒定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。原因：膠層之間發(fā)生“滑動(dòng)”所致。,這兩個(gè)指標(biāo)是衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,20,(5）應(yīng)變極限,影響應(yīng)變極限大小的主要因素是粘結(jié)劑和基片材料傳遞變形的性能及應(yīng)變片的安裝質(zhì)量。,對(duì)于已粘貼好的應(yīng)變片，其應(yīng)變極限是指在一定溫度下，指示應(yīng)變?i 與受力元件的真實(shí)應(yīng)變?z的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值（一

14、般為10%）時(shí)的真實(shí)應(yīng)變?lim 。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,21,當(dāng)被測(cè)應(yīng)變值隨時(shí)間變化的頻率很高時(shí)，需考慮應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時(shí)間很短(估計(jì)約0.2μs)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播，在某一瞬時(shí) t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。,(6）動(dòng)態(tài)特性,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系

15、,22,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,23,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,24,4 溫度誤差及其補(bǔ)償,（1） 溫度誤差 應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度(包括被測(cè)試件的溫度)影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素：,應(yīng)變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)； 電阻絲材料與測(cè)

16、試材料的線膨脹系數(shù)不同。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,25,應(yīng)變片因溫度變化而產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為,式中 為應(yīng)變片材料的電阻溫度系數(shù),因材料膨脹系數(shù)不同，引起的附加應(yīng)變?yōu)?相應(yīng)的電阻變化為:,因此，由溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化為,上式表明：應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的性能 有關(guān)，而且與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù) 有關(guān)。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,26,（2） 溫度補(bǔ)償,單絲自補(bǔ)償法

17、,為使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)的熱輸出為零，必須使,若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，使其電阻溫度系數(shù) 和線膨脹系數(shù) 滿足上式條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。,雙絲組合式自補(bǔ)償法,,這種自補(bǔ)償?shù)臈l件是要求粘貼在某一試件上的兩段敏感柵隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化量大小相等，符號(hào)相反，即,圖2-6 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,27,電橋補(bǔ)償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關(guān)系為

18、 式中　A——由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。,橋路補(bǔ)償法,由上式可知，當(dāng)R3、R4為常數(shù)時(shí)，Rl和R2對(duì)輸出電壓的作用方向相反。利用這個(gè)基本特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償，并且補(bǔ)償效果較好，這是最常用的補(bǔ)償方法之一。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,28,測(cè)量應(yīng)變時(shí)，使用兩個(gè)應(yīng)變片，一片貼在被測(cè)試件的表面，圖中R1稱為工作應(yīng)變片。另一片貼在與被測(cè)試件材料相同的補(bǔ)償塊上，圖中R2，稱為補(bǔ)償應(yīng)變片。在工作過程中補(bǔ)償塊不

19、承受應(yīng)變，僅隨溫度發(fā)生變形。由于R1與R2接入電橋相鄰臂上，造成ΔR1t與ΔR2t相同，根據(jù)電橋理論可知，其輸出電壓USC與溫度無關(guān)。當(dāng)工作應(yīng)變片感受應(yīng)變時(shí)，電橋?qū)a(chǎn)生相應(yīng)輸出電壓。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,29,若此時(shí)有應(yīng)變作用，只會(huì)引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應(yīng)變。故由前式可得輸出電壓為,由上式可知，電橋輸出電壓只與應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，與溫度無關(guān)。為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： ①R1和R2須屬于同一批號(hào)的

20、，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同，兩片的初始電阻值也要求相同； ②用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； ③兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。,此方法簡(jiǎn)單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)是三個(gè)條件不易滿足，尤其是條件③。在某些測(cè)試條件下，溫度場(chǎng)梯度較大，R1和R2很難處于相同溫度點(diǎn)。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,30,二、 金屬箔式

21、應(yīng)變片,箔式應(yīng)變片的工作原理和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片。金屬箔的厚度一般為0.003～0.010mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為0.03～0.05mm。,金屬箔式應(yīng)變片,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,31,傳遞試件應(yīng)變性能好，橫向效應(yīng)小表面積大，散熱性能好允許通過的電流大，提高了測(cè)量的靈敏度具有尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適用范圍

22、廣易于批量生產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn),箔式電阻應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn),箔式電阻應(yīng)變片的缺點(diǎn),生產(chǎn)工序較為復(fù)雜，因引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測(cè)量。此外，價(jià)格較貴。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,32,三、 測(cè)量電路,測(cè)量應(yīng)變片的測(cè)量線路多采用交流電橋（配交流放大器），其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡(jiǎn)單，因此首先分析直流電橋。如下圖所示,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,33,由橋路圖可知：,當(dāng) 時(shí)，

23、 ，即電橋處于平衡狀態(tài)。,若電橋的負(fù)載電阻 為無窮大時(shí)，則B、D兩點(diǎn)可視為開路，上式則可簡(jiǎn)化為：,設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)有一增量ΔR，當(dāng)拉伸應(yīng)變時(shí)，ΔR為正；壓縮應(yīng)變時(shí)為負(fù)。則,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,34,設(shè)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻增量ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4時(shí)，則,實(shí)際使用時(shí)，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。,,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,35,（一） 等臂電橋,當(dāng)橋路中R1=R2=R3=R4

24、時(shí)，稱為等臂電橋。則2-25式可寫為：,一般情況下， 都很小，即 ，略去高階微量，得到：,上式表述了惠斯登電橋的兩個(gè)重要特性：相鄰相減、相對(duì)相加。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,36,,當(dāng)ΔRi<<R時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時(shí)，輸出電壓為兩者之和。若相對(duì)

25、兩橋臂應(yīng)變的極性一致時(shí)，輸出電壓為兩者之和；相對(duì)橋臂的應(yīng)變極性相反時(shí)，輸出電壓為兩者之差。,當(dāng)僅單臂工作時(shí)，輸出電壓為,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,37,當(dāng)考慮單臂工作時(shí)，即AB橋臂變化ΔR，則,由上式展開級(jí)數(shù)，得,則電橋的相對(duì)非線性誤差為,可見，Kε愈大，δ愈大，通常Kε<<1。,δ≈1/2?Kε,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,38,例：設(shè)K=2，要求非線性誤差δ<1%，試求允許測(cè)量的最大應(yīng)變值εm

26、ax。結(jié)論：如果被測(cè)應(yīng)變大于10000με，采用等臂電橋時(shí)的非線性誤差大于1%。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,39,（二） 第一對(duì)稱電橋,若電橋橋臂兩兩相等，即 ，則稱它為第一對(duì)稱電橋，如圖所示，實(shí)質(zhì)上它是半等臂電橋。設(shè) 有一增量 ，則由（2-23）式得：,第一對(duì)稱電橋,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,40,（三） 第二對(duì)稱電橋,半等臂電橋的另一種形式為

27、 ，稱為第二對(duì)稱電橋，如圖所示。若R1有一增量ΔR，由（2-23）式得到：,,式中：,第二對(duì)稱電橋,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,41,四、 應(yīng)變式傳感器,金屬應(yīng)變片， 除了測(cè)定試件應(yīng)力、應(yīng)變外，還制造成多種應(yīng)變式傳感器用來測(cè)定力、扭矩、加速度、壓力等其它物理量。 應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一是彈性敏感元件，利用它將被測(cè)物理量（如力、扭矩、加速度、壓力等）轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個(gè)是應(yīng)變片作為

28、轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,柱式力傳感器 梁式力傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)變式加速度傳感器,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,42,1、柱式力傳感器 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。,在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。由于應(yīng)變片沿圓周方向分布，所以非軸向載荷分量被補(bǔ)償，在與軸線任意夾角的α方向，其應(yīng)變?yōu)?：,ε1——沿軸向的

29、應(yīng)變；μ——彈性元件的泊松比。,當(dāng)α=0時(shí),當(dāng)α=90?時(shí),E：彈性元件的楊氏模量,柱力式傳感器,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,43,2、梁式力傳感器,等強(qiáng)度梁彈性元件,等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁，如圖所示。梁的固定端寬度為b0，自由端寬度為b，梁長(zhǎng)為L(zhǎng)，粱厚為h。,這種彈性元件的特點(diǎn)是：其截面沿梁長(zhǎng)方向按一定規(guī)律變化，當(dāng)力F作用于梁端三角形頂點(diǎn)上，梁內(nèi)各斷面產(chǎn)生的應(yīng)力相等，故在對(duì)L方向上粘貼應(yīng)變片位置要求不嚴(yán)。,2

30、024/3/17,控制科學(xué)與工程系,44,3、應(yīng)變式壓力傳感器,測(cè)量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當(dāng)氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時(shí)，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時(shí)測(cè)量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。,圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖 (b)。,應(yīng)變式壓力傳感器,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,45,4、應(yīng)變式加速度傳感器,由端部固定并帶有慣性質(zhì)量

31、塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。 測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí)，固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向時(shí)，懸臂梁,應(yīng)變式加速度傳感器,自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。,2024/3/17,控制科

32、學(xué)與工程系,46,2.2 壓阻式傳感器,壓阻式傳感器的靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化。,因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,47,一、 壓阻效應(yīng),單晶硅材料在受到應(yīng)力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應(yīng)。,對(duì)于一條形半導(dǎo)體材料，其電阻變化量為：,對(duì)金屬材料：,而半導(dǎo)體材料，若以

33、代入（2-48），則有：,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,48,擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向。,由于πE一般都比（1+2μ）大幾十倍甚至上百倍，因此引起半導(dǎo)體材料電阻相對(duì)變化的主要原因是壓阻效應(yīng)，所以上式可近似寫成,式中π—壓阻系數(shù)；E—彈性模量；σ—應(yīng)力；ε—應(yīng)變上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。,2024/3/1

34、7,控制科學(xué)與工程系,49,二、 晶向和晶面的表示方法,晶面表示方法:,截距式：,法線式：,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,50,密勒指數(shù),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,51,表示方式:,表示晶面,表示晶向,表示晶面族,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,52,方向余弦,某晶向[a b c]的方向余弦為：,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,53,例：,晶向、晶面、晶面族分別為：,晶向、晶面、晶面族分別為：,2024

35、/3/17,控制科學(xué)與工程系,54,例：,x,y,z,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,55,,三、 壓阻系數(shù),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,56,六個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量：,六個(gè)獨(dú)立的電阻率的變化率：,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,57,電阻率的變化與應(yīng)力分量之間的關(guān)系:,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,58,分析,正向壓阻系數(shù)相等橫向壓阻系數(shù)相等剪切壓阻系數(shù)相等切應(yīng)力不可能產(chǎn)生正向壓阻效應(yīng)正向應(yīng)力不可能

36、產(chǎn)生剪切壓阻效應(yīng)剪切應(yīng)力只能在剪切應(yīng)力平面內(nèi)產(chǎn)生壓阻效應(yīng),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,59,壓阻系數(shù)矩陣:,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,60,任意方向（P方向）電阻變化,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,61,σ∥：縱向應(yīng)力σ⊥ ：橫向應(yīng)力π∥：縱向壓阻系數(shù)π ⊥:橫向壓阻系數(shù),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,62,將各個(gè)壓阻系數(shù)向P、Q方向投影,(l1,m1,n1):P方向余弦(l2,m2,n2

37、):Q方向余弦,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,63,分析:,對(duì)P型硅(摻雜三價(jià)元素）：π11、 π12≈0，只考慮π44 ：對(duì)N型硅(摻雜五價(jià)元素） ：π44 ≈0 ， π12 ≈ -1/2π 11、 ，,（參見第38頁(yè)） 通常P-Si的,，請(qǐng)計(jì)算應(yīng)變靈敏系數(shù),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,64,例1：計(jì)算P型硅（100）晶面內(nèi)[011] 晶向的縱向與橫向壓阻系數(shù),,例2：計(jì)算P型硅（110）晶面內(nèi)[1

38、 1 0]晶向的 縱向與橫向壓阻系數(shù),2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,65,影響壓阻系數(shù)因素：擴(kuò)散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴(kuò)散雜質(zhì)濃度NS增加時(shí)，壓阻系數(shù)就會(huì)減小。壓阻系數(shù)與擴(kuò)散電阻表面雜質(zhì)濃度NS的關(guān)系如圖。,2. 影響壓阻系數(shù)的因素,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,66,表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加壓阻系數(shù)下降得很快，而表面雜質(zhì)濃度較高時(shí)壓阻系數(shù)受溫度的影響較小,為了使靈敏度較高，溫漂小，在

39、確定半導(dǎo)體材料的型號(hào)和摻雜濃度方面要從多方面考慮,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,67,四、 固態(tài)壓阻器件,（一） 壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理,利用固體擴(kuò)散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一片N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層，再裝上引線接點(diǎn)。若在圓形硅膜片上擴(kuò)散出四個(gè)P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,68,1—N-Si膜片 2—P-Si導(dǎo)電層 3—粘貼劑

40、 4—硅底座 5—引壓管 6—Si 保護(hù)膜 7—引線,固態(tài)壓阻器件,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,69,（二） 測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,為了減少溫度影響，壓阻器件一般采用恒流源供電，如 下圖所示。假設(shè)電橋中的兩個(gè)支路的電阻相等，即RABC=RADC=2（R+ΔRT），故有,因此電橋輸出為,整理后得,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,70,可見，電橋輸出與電阻變化成正比，即與被測(cè)量成正比，與恒流源成正比，

41、即與恒流源電流大小和精度有關(guān)。但與溫度無關(guān)，因此不受溫度影響。,但是，壓阻器件本身受到溫度影響后，要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移，因此必須采取溫度補(bǔ)償措施。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,71,1、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償,零點(diǎn)溫度漂移是由于四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，如圖所示。其中，RS是串聯(lián)電阻；RP是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用。補(bǔ)償原理如下：,2024/3/1

42、7,控制科學(xué)與工程系,72,由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致B、D兩點(diǎn)電位不等，譬如，當(dāng)溫度升高時(shí)，R2的增加比較大，使D點(diǎn)電位低于B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)的電位差即為零位漂移。要消除B、D兩點(diǎn)的電位差，在R2上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻RP，用來約束R2的變化。當(dāng)溫度變化時(shí)，可減小B、D點(diǎn)之間的電位差，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?當(dāng)然，如在R4上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為正、阻值較大的電阻進(jìn)行補(bǔ)償，作用是一樣的。,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,73,2、靈

43、敏度溫度補(bǔ)償,靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變小；溫度降低時(shí)，壓阻系數(shù)變大，說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。,補(bǔ)償靈敏度溫漂可以采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。溫度升高時(shí)，因?yàn)殪`敏度降低，這時(shí)如果提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當(dāng)增大，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。反之，溫度降低時(shí)，靈敏度升高，如果使電源電壓降低，電橋的輸出適當(dāng)減小，同樣可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,74,因?yàn)?/p>

44、二極管PN結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度每升高1℃時(shí)，正向壓降約減小(1.9～2.5)mV。將適當(dāng)數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中，見圖2-28。電源采用恒壓源，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降減小，于是電橋的橋壓增加，使其輸出增大。只要計(jì)算出所需二極管的個(gè)數(shù)，將其串入電橋電源回路，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?圖2-29是擴(kuò)散硅差壓變送器典型的測(cè)量電路原理圖，它由應(yīng)變橋路、溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、恒流源、輸出放大及電壓-電流轉(zhuǎn)換單元組成。,2024/3/1

45、7,控制科學(xué)與工程系,75,,圖2-29 變送器電路原理圖,2024/3/17,控制科學(xué)與工程系,76,電橋由電流值為1mA的恒流源供電。硅杯未承受負(fù)荷時(shí)，因R1=R2=R3=R4，I1=I2= 0.5mA，故A、B兩點(diǎn)電位相（UAC=UBC），電橋處于平衡狀態(tài)，因此電流I0=4mA。,硅杯受壓時(shí)，R2減小，R4增大，因I2不變，導(dǎo)致B點(diǎn)電位升高。同理，R1增大，R3減小，引起A點(diǎn)電位下降，電橋失去平衡（其增量為ΔUAB）。A、B間的電