《力传感器》PPT课件

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1、1第二章第二章 力传感器力传感器 l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。2l金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片n测量电路测量电路n应变式传感器应用应变式传感器应用l压阻式传感器压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻器件压阻器件第一节第一节 应变式传感器应变式传感器3优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广 频率响应特性较好频率响应特性较好 结

2、构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻 可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、金属应变片式传感器一、金属应变片式传感器核心元件：金属应变片核心元件：金属应变片作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化。作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施

3、；只能测量一点或应变因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。变化等；不能用于过高温度场合下的测量。4各种电子秤各种电子秤广泛应用于广泛应用于5高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡 动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平6机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤7(一一)金属丝式应变片金属丝式应变片1 1、应变效应、应变效应定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化。值将发生变化。设有一根长度为设有一根长度为l

4、、截面积为、截面积为S、电阻率为、电阻率为的金属丝的金属丝，其电阻，其电阻R为为 两边取对数，得两边取对数，得等式两边取微分，得等式两边取微分，得 SlRSlRlnlnlnlnSdSldldRdR8dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知由材料力学知将微分将微分dR、d改写成增量改写成增量R、，则，则)1()21(dldldRdRSKllllRR)/21(金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。在比例关系。比例系数比例系数KS称为金属丝的应变

5、灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数。9物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：由两部分组成：前一部分（前一部分（1+2）：由材料的几何尺寸变化引起，一般）：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属金属0.3，因此（，因此（1+2）1.6；后一部分后一部分 ：电阻率随应变而引起的（称：电阻率随应变而引起的（称“压阻压阻效应效应”）。）。对金属材料，以前者为主，则对金属材料，以前者为主，则KS 1+2；对半导体，对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与实验表明，在金属丝拉

6、伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常轴向应变成正比。通常KS在在1.83.6范围内。范围内。ll/SKllllRR)/21(10电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料bl栅长栅长栅宽栅宽组成：组成：敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂。11注意注意：K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为的钢材时测主应力方向一致，且试件材料的泊松比为的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线恒小于线材

7、的灵敏系数材的灵敏系数KS。KRRRRK3 3、主要特性、主要特性（1 1）灵敏度系数灵敏度系数当金属丝做成应变片后，其电阻当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即在很宽的范围内均为线性关系。即原因原因：胶层传递变形失真，横向效应。：胶层传递变形失真，横向效应。K为金属应变片的灵敏系数为金属应变片的灵敏系数12横向效应横向效应：金属应变片由

8、于敏感栅的两端为半圆弧形：金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻使敏感栅电阻发生变化，其横向应变发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化阻发生变化(除了除了起作用外起作用外)，应变片的这种既受轴向，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象。应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象。（2 2）横向效应横向效应13定义定义：应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加：应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。

9、载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生以减少因机械滞后所产生的实验误差。的实验误差。产生原因产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制

10、造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。剂固化不充分。（3 3）机械滞后机械滞后14产生原因产生原因：由于胶层之间发生：由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏感，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。栅的应变量逐渐减少。（4 4）零点漂移和蠕变）零点漂移和蠕变零点漂移零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。产生原因产生原因：敏感栅通电后的：敏感栅通电后的温度效应温度效应；应变片的；应变片的内应力内应

11、力逐渐变化；逐渐变化；粘结剂粘结剂固化不充分等。固化不充分等。蠕变蠕变：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方向其电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。与原应变量的方向相反。这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性。这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性。15应变片在一定温度下和规定范围（一般为应变片在一定温度下和规定范围（一般为10%）内的）内的最大真实应变值。最大真实应变值。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%主要因素：主要因素：粘结剂和基底材料传递粘结剂和

12、基底材料传递变形的性能及应变片的变形的性能及应变片的安装质量；安装质量；制造与安装应变片时，制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料；粘结剂和基底材料；基底和粘结剂的厚度不基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得的固化处理，才能获得较高的应变极限。较高的应变极限。（5 5）应变极限）应变极限164 4、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿（1 1）温度误差温度误差环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系

13、数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。又称热输出。17e试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。敏感栅材料线膨胀系数。tRRt 1tget2K应变片灵敏系数。应变片灵敏系数。tKRRge 2设环境引起的构件温度变化为设环境引起的构件温度变化为t t（）时，粘贴在）时，粘贴在试件

14、表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t t，则应变片产生的电阻相对变化为则应变片产生的电阻相对变化为由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当当t t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为18温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化：tKtRRRRRRgett 21ttKKRRgettt可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能的性能(t t,g

15、g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数系数(e e)有关。有关。上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化用，在温度变化t t 时，应变片的温度效应。用应变时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。形式表现出来，称之为热输出。相应的虚假应变为相应的虚假应变为19（2 2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片0getKegtK优点：结构简单，制造和使用方便，但必须在具有一优点：结构简单，制造和使用方便，但必须在具有一定线膨胀系

16、数材料的试件上使用，否则不能达到温度定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。自补偿的目的。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其丝制成，并使其电阻温度系数电阻温度系数和和线膨胀系数线膨胀系数满足上式满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。变片称为单丝自补偿应变片。由前式知，若使应变片在温度变化由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为时的热输出值为零，必须使零，必须使即即20是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为

17、负是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即相反，即(Ra)t=(Rb)t焊点RaRbaeaabebbtaatbbbaKKRRRRRR补偿效果可达补偿效果可达。双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片21A由桥臂电阻

18、和电源电压由桥臂电阻和电源电压E决定的常数。决定的常数。3241RRRRAUSCUSCR2R4R1R3E桥路补偿法可见，当可见，当R3、R4为常数时，为常数时，Rl和和R2对输出电压的作用对输出电压的作用方向相反方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。电路补偿法电路补偿法电桥输出电压与桥臂参数的关系电桥输出电压与桥臂参数的关系22补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2测量应变时，使用两个应变片，一片贴在测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面被

19、测试件的表面，另一片贴在与被测试件另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上。材料相同的补偿块上。23根据被测试件承受应变的情况，将补偿片贴在被测试件根据被测试件承受应变的情况，将补偿片贴在被测试件上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯曲应力构件受单向应力USCR2R4R1R3ERtR5采用热敏电阻进行补偿采用热敏电阻进行补偿24（二）金属箔式应变片（二）金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是片相同。它的

20、电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为般为0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为厚度一般为0.05)mm。25金属箔式应变片和丝式应变片比较：金属箔式应变片和丝式应变片比较：金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近；当箔材和丝材具有同样的截表面的应力状态更为接近；当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能

21、更面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作；箔栅的端部较宽，横向效应较小，好地和试件共同工作；箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。大了应变片的使用范围。蠕

22、变小，疲劳寿命长。蠕变小，疲劳寿命长。便于成批生产，而且生产效率高。便于成批生产，而且生产效率高。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻，故需要作阻值调整；不适于高温环境下测量；此外价格较贵。值调整；不适于高温环境下测量；此外价格较贵。26（三）（三）测量电路测量电路电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流电桥和直流电桥两种。直流电桥比较简单，因此以直流电桥和直流电桥两种。直流电桥比较简单，因此以直流电桥为例分析说明，如图所示。电桥为例分析说明，如图所示。E为电桥供电电源，为电桥供电电源，R1、R

23、2、R3、R4为四个桥臂电阻，当为四个桥臂电阻，当电桥的负载电阻电桥的负载电阻Rg为无穷大时，电桥的输出电压为无穷大时，电桥的输出电压Ug为为 R2R4R1R3E直流电桥原理图RgACDIgB43213241RRRRRRRREUg当当Ug=0时，直流电桥处于平衡时，直流电桥处于平衡状态，则有状态，则有R1R4=R2R3该式说明，电桥平衡时，其相对该式说明，电桥平衡时，其相对两臂电阻的乘积相等或相邻两臂两臂电阻的乘积相等或相邻两臂电阻的比值相等。电阻的比值相等。27右图为单臂工作电桥，右图为单臂工作电桥，R1为工作应变为工作应变片，片，R2、R3、R4为固定电阻，为固定电阻，E为电桥为电桥供电电

24、源，供电电源，Ug为电桥的输出电压，负为电桥的输出电压，负载电阻为无穷大，应变片电阻载电阻为无穷大，应变片电阻R1有一有一增量增量R1时，电桥的输出电压为时，电桥的输出电压为 43213241RRRRRRRRRREUg设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，根据直流电桥平衡条件，根据直流电桥平衡条件R1R4=R2R3，忽略分母中的忽略分母中的R1，整理后可得，整理后可得 ERRnnUg112)1(则直流电桥电压灵敏度为则直流电桥电压灵敏度为 EnnRRUKgU211)1(/28当当n=1，且，且R1/R2=R3/R4时，单臂工作电桥的输出电压为时，单臂工作电桥的输出电压为 可见，当单臂工作电桥的供电电

25、源不变，负载电阻无穷可见，当单臂工作电桥的供电电源不变，负载电阻无穷大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量R1相对相对R1R2的值可忽略的情况下，电桥输出电压的值可忽略的情况下，电桥输出电压Ug与应变片电与应变片电阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为常数。常数。如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个桥臂同时受拉或受压，则桥臂同时受拉或受压，则 1

26、14RREUg112RREUg29如果电桥的四个桥臂都接入性能和指标完全相同的工作如果电桥的四个桥臂都接入性能和指标完全相同的工作应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为 11RREUg可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂工作电桥提高工作电桥提高4倍。全桥电路和相邻臂倍。全桥电路和相邻臂工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且当负载电阻无穷大时，没有非线性误当负载电阻无穷大时，没有非线性误差，同时还起到温度补偿作用。差，同时还起到温度补偿作用。例例1 某应变片的电阻某应变片的电阻R=35

27、0,K=2.05,用作应变用作应变为为800m/m的的传感元件。传感元件。求求R/R和和R；若电桥供电电源电压为若电桥供电电源电压为E=3V，计算惠斯登全桥电路的输出电压计算惠斯登全桥电路的输出电压U0。解：解：00.57434.92350RUEVRD=R/R=KR=KR0.00164200则则30例例2 一个一个K的的350应变片被粘贴到铝支柱应变片被粘贴到铝支柱(其弹性模其弹性模量量E73GPa)上。支柱的外径为上。支柱的外径为50mm，内径为，内径为47.5 mm。试计算当支柱承受。试计算当支柱承受1000kg负荷时电阻的变化。负荷时电阻的变化。（提示：（提示：E，为测试的应力；为测试的

28、应力；为应变；为应变；E为材料为材料的弹性模量）的弹性模量）R=KRKR/EKR(F/S)/E根据几何学，承受力的面积根据几何学，承受力的面积S为为因此，对于因此，对于R=350，K，F1000kg9800N和和E73GPa，有，有22219145.25.974)(mmmmmmdDS52.073)10191(98001.235026GPamNR解：解：31（四）（四）应变式传感器应用应变式传感器应用 金属应变片，金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量

29、。等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片应变片作为转换作为转换元件将应变转换为电阻的变化。元件将应变转换为电阻的变化。u柱力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器321 1、柱力式传感器、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式

30、力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变在圆周方向布置同样数目的应变片片,后者取符号相反的横向应变后者取符号相反的横向应变，从而构成了，从而构成了差动对差动对。由于应变。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的夹角的方向，其应变为方向，其应变为：2cos11211沿轴向的应变；沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。弹性元件的泊松比。当当=0时时SEF1当当=90时时SEF12E：弹性元件的杨氏模量332 2、梁力式传感器

31、、梁力式传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为定端宽度为b0，自由端宽度为，自由端宽度为b，梁长为，梁长为L，粱厚为，粱厚为h。力力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。方向上粘贴应变片位置要求不严。n横截面梁横截面梁n双空梁双空梁nS形弹性元件形弹性元件34各种平行双孔梁各种平行双孔梁35P（b）（a）应变式压力传感器3 3、应变式压力传感器、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当测量气体或

32、液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或）或与传感器外壳作成一体，如图与传感器外壳作成一体，如图(b)。应变片364 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器壳体壳体机座机座aFR1R2m充满硅油37二、二、压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效

33、应和微电子技术制成的，是一种新的是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。集成化等。（一）（一）压阻效应压阻效应固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化的现象被称为压阻效应。的现象被称为压阻效应。21dRdR21RdREd2121ERdR对半导体材料对半导体材料对金属材料对金属材料电阻相对变化量电阻相对变化量压阻系数压阻系数应力应力E弹性模量弹性模量38由于由于E一般都比（一般都比（1+2）大几十倍甚

34、至上百倍，因此，）大几十倍甚至上百倍，因此，引起压阻效应的主要原因是引起压阻效应的主要原因是半导体材料电阻相对变化半导体材料电阻相对变化，则上式可近似写成则上式可近似写成 式中式中 压阻系数；压阻系数；E弹性模量；弹性模量；应力；应力；应变。应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是硅是各向异性材料各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方

35、向。ERdR39 C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示（二）晶向、晶面的表示方法（二）晶向、晶面的表示方法 结晶体具有多面体的形态，由分子、原子或离子结晶体具有多面体的形态，由分子、原子或离子有规则排列而成。多面体的表面由许多晶面围合而成。有规则排列而成。多面体的表面由许多晶面围合而成。晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。表示。硅为立方晶体结构，就硅为立方

36、晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为取立方晶体的三个相邻边为X、Y、Z。在晶轴。在晶轴X、Y、Z上取与所有晶轴相交的某晶上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示。面为单位晶面，如图所示。40此晶面与坐标轴上的截距为此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶。已知某晶面在面在X、Y、Z轴上的截距为轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与，它们与单位晶面在坐标轴截距的比可写成单位晶面在坐标轴截距的比可写成 p、q、r为没有公约数为没有公约数(1除外除外)的简单整数。取其倒数得的简单整数。取其倒数得h、k、l也为没有公约数的简单整数。依据上式可知，也为没有公约数的简单整数。依据上式可

37、知，截距截距OAx、OBy、OCz的的晶面晶面，能用三个简单整数，能用三个简单整数h、k、l来表示。来表示。h、k、l称为密勒指数。而晶向是晶面的法称为密勒指数。而晶向是晶面的法线方向，根据规定，晶面符号为线方向，根据规定，晶面符号为(hkl)，晶面全集符号，晶面全集符号为为hkl，晶向符号为，晶向符号为 hkl，晶向全集符号为，晶向全集符号为hkl。rqpOCOCOBOBOAOAzyx:lkhpppOCOCOBOBOAOAzyx:1:1:1:41（三）固态压阻器件（三）固态压阻器件1 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理 利用固体扩散技术，将利用固体扩散技术，将P型杂质型杂质扩

38、散到一片扩散到一片N型硅底型硅底层层上，形成一层极薄的上，形成一层极薄的导电导电P型层型层，装上引线接点后，装上引线接点后，即形成即形成扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出。若在圆形硅膜片上扩散出四个四个P型电阻型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。器件通常称为固态压阻器件，如图所示。1 N-Si膜片膜片 2 P-Si导电层导电层 粘贴剂粘贴剂 硅底座硅底座 引压管引压管 Si 保护膜保护膜 3 7 引线引线 42USCRR+RT恒流源供电ACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE2 2、测量

39、桥路及温度补偿、测量桥路及温度补偿为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。假设电桥中两个支路的电阻相等，即假设电桥中两个支路的电阻相等，即 RABC=RADC=2（R+RT），故有），故有因此，电桥的输出为因此，电桥的输出为IIIADCABC21TTBDSCRRRIRRRIUU2121 可见，电桥输出与电阻变化成可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。但与温度无关，因小和精度有关。但与温度无关，因此不受温度的影响。但是，压阻器此

40、不受温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响后，要产生零件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。IUSC=IR43（1 1）零点温度补偿）零点温度补偿零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。其不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。其中，中，RS是串联电阻；是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。零作用；并联电阻主要起补偿作用

41、。R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RPBCDARSEDi计算计算RS、RP的方法的方法44设设R1,R2,R3,R4与与R1,R2,R3,R4为四个桥臂电阻在低为四个桥臂电阻在低温和高温下的实测数据，温和高温下的实测数据，RS,RP与与RS、RS分别为分别为RS、RP在低温与高温下的欲求数值。在低温与高温下的欲求数值。根据以上四式可计算出根据以上四式可计算出RS,RP,RS,RP。从而，计算出。从而，计算出常温下常温下RS、RP的数值。的数值。计算出计算出RS、RP后，那么，选择该温度系数的电阻接入后，那么，选择该温度系数的电阻接入桥路，便可起到温度补偿的作用。桥路，便可起到温度补偿的作用

42、。42231RRRRRRRRPPS42231RRRRRRRRPPS TRRSS 1TRRPP 1根据低温与高温下根据低温与高温下B、D两点的电位相等的条件两点的电位相等的条件设设RS、RP的温度系数的温度系数、为已知，则为已知，则45（2 2）灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿 原因：由于压阻系数随温度变化而引起的。原因：由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为变大，说明传感器的灵敏度系数为负值负值。补偿灵敏度温漂采用在电源回路中串联二极管的方法：补偿灵敏度温漂采用在电源回路中串联二极管

43、的方法：温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。因为二极管因为二极管PN结为负温度特性，温度每升高结为负温度特性，温度每升高1时，正时，正向压降约减小向压降约减小2.5)mV。将适当数量的二极管串联在电。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，如图。电源

44、采用恒压源，当温度升高时桥的电源回路中，如图。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。源回路，便可以达到补偿的目的。46根据电桥的输出，应有根据电桥的输出，应有若传感器低温时满量程输出为若传感器低温时满量程输出为USC，高温时为，高温时为USC，则，则USC=USCUSC 而而R/R可根据常温下传感器的电源电压与满量程输出可根据常温下传感器的电源电压与满量程输出计算，从而可以求出

45、计算，从而可以求出USC。此值便是为了补偿灵敏度随。此值便是为了补偿灵敏度随温度下降，桥压需要提高的数值温度下降，桥压需要提高的数值E。当当n只二极管串联时，可得只二极管串联时，可得nT=E式中式中二极管二极管PN结正向压降的温度系数，一般为结正向压降的温度系数，一般为-2mV/；n串联二极管的个数；串联二极管的个数；T温度的变化范围。温度的变化范围。RREUSCRREUUSCSC TEn用这种补偿方法时，必须考虑二极管正向压降的阈值，用这种补偿方法时，必须考虑二极管正向压降的阈值，硅管为，锗管为。因此，要求恒压源提供的电压应有一硅管为，锗管为。因此，要求恒压源提供的电压应有一定的提高。定的提高。47稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及转换应变电桥（319）mARr（420）mA恒流源 下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。组成：应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及组成：应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电流转换单元等电压一电流转换单元等