应变式传感器3

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1、第 2章 应 变 式 传 感 器2.1 电 阻 应 变 效 应2.2 应 变 计 的 主 要 特 性2.3 应 变 计 的 粘 贴2.4 电 桥 原 理 及 电 阻 应 变 计 桥 路 2.5 温 度 误 差 及 其 补 偿2.6 电 阻 应 变 仪 2.7 应 变 式 传 感 器 2.8 几 种 新 型 的 微 应 变 式 传 感 器 第 2章 应 变 式 传 感 器 1 第 2章 应 变 式 传 感 器 2.7 应 变 式 传 感 器 电 阻 应 变 丝 、 片 ， 除 直 接 用 来 测 定 试 件 的 应 变 和 应 力外 ,还 广 泛 用 作 传 感 元 研 制 成 各 种 应 变

2、式 传 感 器 ,用 来 测 定 其他 物 理 量 ,如 力 、 压 力 、 扭 矩 、 加 速 度 等 。 应 变 式 传 感 器 的 基 本 构 成 通 常 可 分 为 两 部 分 ,和 。 弹 性 敏 感 元 件 在 被 测 物 理 量 的 作 用 下 ,产 生 一 个 与 它 成正 比 的 应 变 ,然 后 用 应 变 计 (丝 )作 为 转 换 元 件 将 应 变 转 换 为 电阻 变 化 。 2 第 2章 应 变 式 传 感 器(1)测 量 范 围 广 、 精 度 高 。测 力 传 感 器 ,可 测 10-2107N的 力 ,精 度 达 到 0.05%FS以上 ;压 力 传 感 器

3、 ,可 测 10-1107Pa的 压 力 ,精 度 可 达 0.1%FS。 3 应 变 式 传 感 器 与 其 他 类 型 传 感 器 相 比 具有 如 下 : 第 2章 应 变 式 传 感 器(2)性 能 稳 定 可 靠 ,使 用 寿 命 长 。对 于 称 重 而 言 ,机 械 杠 杆 称 由 于 杠 杆 、 刀 口 等 部 分 相 互 摩 擦 产生 损 耗 和 变 形 ,欲 长 期 保 持 其 精 度 是 相 当 困 难 的 。采 用 电 阻 应 变 式 称 重 传 感 器 制 成 的 电 子 秤 、 汽 车 衡 、 轨 道 衡等 ,只 要 传 感 器 设 计 合 理 ,应 变 计 选 择

4、 确 当 ,粘 贴 、 防 潮 、 密 封可 靠 ,就 能 长 期 保 持 性 能 稳 定 可 靠 。 4 应 变 式 传 感 器 与 其 他 类 型 传 感 器 相 比 具有 如 下 : 第 2章 应 变 式 传 感 器(3)频 率 响 应 特 性 较 好 。随 着 大 规 模 集 成 电 路 工 艺 的 发 展 ,已 可 将 电 路 甚 至 A/D转 换 与 传感 器 组 成 一 个 整 体 ,传 感 器 可 直 接 接 入 计 算 机 进 行 数 据 处 理 。 5 应 变 式 传 感 器 与 其 他 类 型 传 感 器 相 比 具有 如 下 : 第 2章 应 变 式 传 感 器(4)能

5、 在 恶 劣 的 环 境 条 件 下 工 作 。一 般 电 阻 式 应 变 计 响 应 时 间 约 为 10-7 s,半 导 体 应 变 计 可 达 10-11 s。若 能 在 弹 性 元 件 上 采 取 措 施 ,则 由 它 们 构 成 的 应 变 式 传 感 器 可 测几 十 千 赫 甚 至 上 百 千 赫 的 动 态 过 程 。 6 应 变 式 传 感 器 与 其 他 类 型 传 感 器 相 比 具有 如 下 : 第 2章 应 变 式 传 感 器(5)易 于 实 现 小 型 化 、 整 体 化 。只 要 进 行 适 当 的 结 构 设 计 及 选 用 合 适 的 材 料 ,应 变 式 传

6、 感 器 可 在高 (低 )温 、 高 速 、 高 压 、 强 烈 振 动 、 强 磁 场 及 核 辐 射 和 化 学 腐蚀 等 恶 劣 的 环 境 条 件 下 正 常 工 作 。 7 应 变 式 传 感 器 与 其 他 类 型 传 感 器 相 比 具有 如 下 : 第 2章 应 变 式 传 感 器 2.7.1 不 仅 对 于 应 变 式 传 感 器 ,对 其 他 某 些 类 型 的 传 感 器 ,弹 性 敏 感 元 件 在 传 感 器 技 术 中 也 占 有 极 为 重 要 的 地 位 。在 传 感 器 工 作 过 程 中 ,一 般 是 由 弹 性 敏 感 元 件 把 各 种 形式 的 物

7、理 量 转 换 成 形 变 ,再 由 转 换 元 件 (例 如 电 阻 应 变 计 )转 换 成 电 量 。 所 以 在 传 感 器 中 弹 性 元 件 是 应 用 最 广 泛 的 元 件 之一 。 其 质 量 的 优 劣 直 接 影 响 传 感 器 的 性 能 及 精 度 ,有 时还 是 传 感 器 的 核 心 部 分 。 8 第 2章 应 变 式 传 感 器 通 常 弹 性 敏 感 元 件 具 有 以 下 性能 : (1) 弹 性 储 能 (应 变 能 )高 。 是 材 料 在 开 始 塑 性 变 形 以 前 单 位 体 积 所储 存 的 弹 性 能 。 它 表 示 弹 性 材 料 储 存

8、 变 形 功 而 不 发 生永 久 变 形 的 能 力 。 21 12 2 ee e TU T S E 9弹 性 极 限 杨 氏 模 量极 限 应 变 第 2章 应 变 式 传 感 器 通 常 弹 性 敏 感 元 件 具 有 以 下 性能 :(2)具 有 较 强 的 抗 压 (或 抗 拉 )强 度 ,以 便 高 载 荷 下 的 安 全 。 (3)受 温 度 影 响 小 。 弹 性 模 量 温 度 系 数 小 而 稳 定 ,热 膨 胀 系数 小 。 10 第 2章 应 变 式 传 感 器 通 常 弹 性 敏 感 元 件 具 有 以 下 性能 : (4)具 有 良 好 的 机 械 加 工 和 热

9、处 理 性 能 , 易 于 机 械 加工 及 热 处 理 。 (5)具 有 良 好 的 重 复 性 和 稳 定 性 。 (6)热 处 理 后 应 有 均 匀 稳 定 的 组 织 ,且 各 向 同 性 。 (7)具 有 高 的 抗 氧 化 、 抗 腐 蚀 性 能 。 11 第 2章 应 变 式 传 感 器 2.7.2 应 变 式 测 力 与 称 重 传 感 器 应 变 式 测 力 传 感 器 由 弹 性 体 、 应 变计 和 外 壳 组 成 。 弹 性 体 是 测 力 传 感 器 的基 础 ,应 变 计 是 传 感 器 的 核 心 。 根 据 弹 性体 的 结 构 形 式 的 不 同 可 分 为

10、 :柱 式 、 轮 辐式 、 梁 式 、 环 式 等 。 12 第 2章 应 变 式 传 感 器 1. 柱 式 传 感 器 13 柱 式 传 感 器 是 称 重 (或 测 力 )传 感 器 应 用 较 普 遍 的 一 种 形 式 。它 分 为 圆 筒 形 和 柱 形 两 种 。 其 结 构 是 在 圆 筒 或 圆 柱 上 按 一 定方 式 贴 上 应 变 计 。结 构 示 意 图 外 形 第 2章 应 变 式 传 感 器 14横 向 粘 贴 的 应 变 计 既 作 为 温 度 补 偿 ,也 起 到 提 高 灵 敏 度 的 作 用 。 第 2章 应 变 式 传 感 器 15截 面 积 随 载 荷

11、 改 变 所 导 致 的 非 线 性 :筒 式 结 构 可 使 分 散 在 端 面 的载 荷 集 中 到 筒 的 表 面 上 来 ,改 善 了 应 力 线 分 布 ;在 筒 壁 上 还 能 开 孔 ,形 成 许 多 条 应 力 线 ,从 而 与 载 荷 在 端 面 的 分 布 无 关 ,并 可 减 少 偏 心载 荷 、 非 均 布 载 荷 的 影 响 ,使 引 起 的 误 差 更 小 。 第 2章 应 变 式 传 感 器2. 轮 辐 式 传 感 器 轮 辐 式 传 感 器 是 一 种 剪 切 力 传 感 器 。 轮 辐 条 成 对 地 连 接 在轮 圈 和 轮 轱 之 间 ,可 为 四 根 或

12、 八 根 (图 中 为 四 根 )。 采 用 钢 球 传 递重 力 ,因 为 圆 球 压 头 有 自 动 定 中 心 的 功 能 。 16 轮 轱 轮 圈 轮 辐 条承 压 应 变 计拉 伸 应 变 计 第 2章 应 变 式 传 感 器 17矩 形 辐 条 产 生 平 行 四 边 形 的 变 形 当 外 力 F作 用 在 轮 轱 的 上 端 面 和 轮 圈 下 端 面 时 ,使 矩 形 辐 条 产 生平 行 四 边 形 的 变 形 。 第 2章 应 变 式 传 感 器 18 T 2 T 1 C 3 C 4 T 4 T 3 C 1 C 2 U U sc轮 辐 式 传 感 器 测 量 桥 路 第

13、2章 应 变 式 传 感 器 3.悬 臂 梁 式 传 感 器 悬 臂 梁 式 传 感 器 是 一 种 称 重 测 力 传 感 器 ， 采用 弹 性 梁 及 电 阻 应 变 计 作 敏 感 转 换 元 件 ,组 成 全 桥电 路 。 当 垂 直 正 压 力 或 拉 力 作 用 在 弹 性 梁 上 时 ,电阻 应 变 计 随 金 属 弹 性 梁 一 起 变 形 ,其 应 变 使 电 阻 应变 计 的 阻 值 变 化 ,因 而 应 变 电 桥 输 出 与 拉 力 (或 压力 )成 正 比 的 电 压 信 号 。 配 以 相 应 的 应 变 仪 即 可显 示 或 记 录 重 量 (或 力 )。 19

14、第 2章 应 变 式 传 感 器悬 臂 梁 式 传 感 器 结 构 图 20几 种 梁 式 传 感 器 外 形 等 强 度 梁 等 截 面 梁0266Flh E 266 lFh E 弹 性 模 量 第 2章 应 变 式 传 感 器 悬 臂 梁 式 传 感 器 一 般 可 测 0.5kg以 下 的 载 荷 ,最 小 可 测 几 十 克 重 。 悬 臂 梁 式 传 感 器 也 可 达 到很 大 的 量 程 ,如 钢 制 工 字 悬 臂 梁 结 构 传 感 器 量程 为 0.2 30t,精 度 可 达 0.02%FS。 悬 臂 梁 式 传感 器 具 有 结 构 简 单 、 应 变 计 容 易 粘 贴

15、 ,灵 敏 度高 等 特 点 。 第 2章 应 变 式 传 感 器4.环 式 传 感 器 环 式 常 用 于 测 几 十 千 克 以 上 的 大 载 荷 ,与 柱式 相 比 ,它 的 特 点 是 应 力 分 布 变 化 大 ,且 有 正 有 负 。 22图 2.31 圆 环 式 传 感 器 弹 性 元 件 结 构 拉 力 环 压 力 环 第 2章 应 变 式 传 感 器表 2.1 几 种 应 变 式 测 力 与 称 重 传 感 器 的 性 能 23 第 2章 应 变 式 传 感 器 2.7.3 应 变 式 压 力 传 感 器 应 变 式 压 力 传 感 器 由 电 阻 应 变 计 、 弹 性元

16、 件 、 外 壳 及 补 偿 电 阻 组 成 。 一 般 用 于 测 量较 大 的 压 力 。 它 广 泛 用 于 测 量 管 道 内 部 压 力 ,内 燃 机 燃 气 的 压 力 ,压 差 和 喷 射 压 力 ,发 动 机和 导 弹 试 验 中 的 脉 动 压 力 ,以 及 各 种 领 域 中的 流 体 压 力 等 。 24 第 2章 应 变 式 传 感 器 图 2.32 筒 式 压 力 传 感 器 的 弹 性 元 件工 作 片 补 偿 片p1.筒 式 压 力 传 感 器 25 筒 式 压 力 传 感 器 的 弹 性 元 件 ,一 端 肓 孔 ,另 一 端 有 法 兰 与 被 测 系 统 连

17、 接 。 第 2章 应 变 式 传 感 器 22(2 )( 1)p DE d 当 应 变 管 内 腔 与 被 测 压 力 相 通 时 ,圆 筒 部 分 周向 应 变 为在 薄 壁 筒 上 贴 有 两 片 应 变 计 作 为 工 作 片 ,实 心部 分 贴 有 两 片 应 变 计 作 为 温 度 补 偿 片 。 被 测 压 力 圆 筒 外 径圆 筒 内 径 第 2章 应 变 式 传 感 器2.膜 片 式 压 力 传 感 器 该 类 传 感 器 的 弹 性 敏 感 元 件 为 一 周 边 固 定 的 圆 形 金属 平 膜 片 。 27膜 片 受 力 时 的 应 变 分 布 第 2章 应 变 式 传

18、 感 器当 膜 片 一 面 受 压 力 p作 用 时 ,膜 片 的 另 一 面 (应 变计 粘 贴 面 )上 的 径 向 应 变 r和 切 向 应 变 t为 2 2 22 2 2 223 (1 )( 3 )83 (1 )( )8rt p R xEhp R xEh 平 膜 片 工 作部 分 半 径平 膜 片 厚 度 膜 片 的 弹 性 模 量 膜 片 的 泊松 系 数任 意 点 离 圆 心的 径 向 距 离 第 2章 应 变 式 传 感 器在 膜 片 中 心 即 x=0处 ,r和 t均 达 到 正 的 最 大 值 ,即2 2max max 23 (1 )8r t p REh 而 在 膜 片 边

19、缘 ,即 x=R处 ,t=0,而 r达 到 负 的 最 大 值(最 小 值 )。 2 2min 23 (1 )4r p REh 29 第 2章 应 变 式 传 感 器3.组 合 式 压 力 传 感 器组 合 式 压 力 传 感 器 , 通 常 用 于 测 量 小 压 力 。 波 纹 膜 片 、 膜 盒 、 波纹 管 等 弹 性 敏 感 元 件 感 受 压 力 后 ,推 动 推 杆 使 梁 变 形 。 电 阻 应 变计 粘 贴 于 梁 的 根 部 感 受 应 变 。 因 为 悬 臂 梁 刚 性 较 大 ,所 以 这 种 组合 可 以 克 服 稳 定 性 较 差 ,滞 后 较 大 的 缺 点 。

20、30p p p应 变 片 图 2.35 组 合 式 压 力 传 感 器 第 2章 应 变 式 传 感 器2.7.4 应 变 式 加 速 度 传 感 器 31应 变 式 加 速 度 传 感 器 悬 臂 梁 固 定 一 质 量 块壳 体 应 变 计 电 引 线运 动 方 向 第 2章 应 变 式 传 感 器假 设 悬 臂 梁 为 等 强 度 梁 ,作 加 速 运 动 时 梁 根 部 的 应 变 为 ：26( )6W G glh E 加 速 度 传 感 器 的 灵 敏 度 M表 示 加 速 度 为 1 g时 梁 上 下 两 个 应变 计 应 变 量 。 若 梁 的 上 下 各 贴 一 应 变 计 ,

21、组 成 半 桥 ,则 灵 敏 度是 梁 应 变 的 两 倍 ,即 212( )6W G glM h E 32 惯 性 块 质 量 等 强 度 梁 折 算到 自 由 端 的 等效 质 量 ,一 般 为梁 质 量 的 1/6 第 2章 应 变 式 传 感 器 若 梁 的 上 下 各 贴 两 片 应 变 计 ,组 成全 桥 ,则 灵 敏 度 又 是 上 式 的 两 倍 。 传 感 器 的 固 有 频 率 为 30 31 82 6 ( )Ebhf l W G 33 第 2章 应 变 式 传 感 器2.8 几 种 新 型 的 微 应 变 式 传 感 器 2.8.1 压 阻 效 应 压 阻 效 应 是 微

22、 应 变 式 传 感 器 依 据 的 基 本 效 应 , 由 欧 姆 定 律 知 ,流 过 一 电 阻 的 电 流 和 电 压 之间 的 关 系 ： U RI描 述 材 料 特 性 ： E i 34电 场 强 度 电 阻 率电 流 密 度 第 2章 应 变 式 传 感 器若 存 在 压 阻 效 应 ： (1 )E T i 35T (1 )E T i E i 第 2章 应 变 式 传 感 器 单 晶 硅 为 立 方 晶 体 ,是 各 项 异 性 体 ,压 阻 系 数 矩 阵 为 36 纵 向 压 阻 系 数 横 向 压 阻 系 数剪 切 向 压 阻 系 数 第 2章 应 变 式 传 感 器11、

23、 12、 44随 材 料 的 掺 杂 类 型 、 浓 度 和 环 境 温 度 的不 同 而 变 化 。 对 P型 硅 ,切 向 压 阻 系 数 44有 最 大 值 ;对 N型 硅 ,纵 向 压 阻 系 数 11有 最 大 值 。 对 单 晶 硅 ： 37 1 1 11 11 12 22 33 44 2 12 3 132 2 11 22 12 11 33 44 1 12 3 233 3 11 33 12 11 22 44 1 13 2 231 ( ) ( )1 ( ) ( )1 ( ) ( )E i T T T i T i TE i T T T iT i TE i T T T iT i T 第

24、2章 应 变 式 传 感 器 2.8.2 敏 感 元 件 加 工 新 技 术 1.薄 膜 技 术 薄 膜 技 术 是 在 一 定 的 基 底 上 ,用 真 空 蒸 镀 、 溅 射 、 化 学气 相 淀 积 （ CVD） 等 工 艺 技 术 加 工 成 零 点 几 微 米 至 几 微 米 的金 属 、 半 导 体 或 氧 化 物 薄 膜 的 技 术 。 这 些 薄 膜 可 以 加 工 成 各 种 梁 、 桥 、 膜 等 微 型 弹 性 元 件 ,也 可 加 工 为 转 换 元 件 ,有 的 可 作 为 绝 缘 膜 ,有 的 可 用 作 控 制 尺 寸的 牺 牲 层 ,在 传 感 器 的 研 制

25、中 得 到 了 广 泛 应 用 。 38 第 2章 应 变 式 传 感 器 1) 真 空 蒸 镀 在 真 空 室 内 ,将 待 蒸 发 的 材 料 置 于 钨 丝 制 成 的 加 热 器 上 加热 ,当 真 空 度 抽 到 0.0133Pa以 上 时 ,加 大 钨 丝 的 加 热 电 流 ,使 材 料 融化 ,继 续 加 大 电 流 使 材 料 蒸 发 ,在 基 底 上 凝 聚 成 膜 。 39 1 2 3 4 真 空 室 基 底钨 丝接 高 真 空 泵 第 2章 应 变 式 传 感 器 2) 溅 射 在 低 真 空 室 中 ,将 待 溅 射 物 制 成 靶 置 于 阴 极 ,用 高 压（ 通

26、 常 在 1000V以 上 ） 使 气 体 电 离 形 成 等 离 子 体 ,等 离 子 中 的正 离 子 以 高 能 量 轰 击 靶 面 ,使 待 溅 射 物 的 原 子 离 开 靶 面 ,淀 积 到阳 极 工 作 台 上 的 基 片 上 ,形 成 薄 膜 。 4031 2 5 4 7 6 靶阴 极 直 流 高 压阳 极基 片 惰 性 气 体入 口接 真 空系 统 第 2章 应 变 式 传 感 器 3) 化 学 气 相 淀 积 （ CVD） 化 学 气 相 淀 积 是 将 有 待 积 淀 物 质 的 化 合 物 升 华 成气 体 ,与 另 一 种 气 体 化 合 物 在 一 个 反 应 室

27、中 进 行 反 应 ,生 成固 态 的 淀 积 物 质 ,淀 积 在 基 底 上 生 成 薄 膜 。 41 分 子 筛 混 合 器 阀 门 反 应 气 体 A 反 应 气 体 B 加 热 器 基 片 反 应 室 第 2章 应 变 式 传 感 器 2.微 细 加 工 技 术 微 细 加 工 技 术 是 利 用 硅 的 异 向 腐 蚀 特 性 和 腐 蚀速 度 与 掺 杂 浓 度 有 关 ,对 硅 材 料 进 行 精 细 加 工 制 作 复 杂微 小 的 敏 感 元 件 的 技 术 。 1) 体 型 结 构 腐 蚀 加 工 体 型 结 构 腐 蚀 加 工 常 用 化 学 腐 蚀 （ 湿 法 ） 和

28、 离子 刻 蚀 （ 干 法 ） 技 术 。 单 晶 硅 常 用 化 学 腐 蚀 方 法 。 化学 腐 蚀 是 利 用 腐 蚀 剂 对 需 要 加 工 的 部 分 进 行 化 学 反 应 ,形 成 特 定 的 体 形 结 构 。 42 第 2章 应 变 式 传 感 器单 晶 硅 立 体 结 构 的 腐 蚀 加 工 过 程 43 第 2章 应 变 式 传 感 器 2)表 面 腐 蚀 加 工牺 牲 层 技 术 44 第 2章 应 变 式 传 感 器 45方 形 平 膜 片 结 构 ,除 用 于 压 力 传 感 器 外 ,亦可 用 于 电 容 式 传 感 器 。 2.8.3 微 型 硅 应 变 式 传 感 器 的 一 些 基 本 结 构 。 第 2章 应 变 式 传 感 器悬 臂 梁 结 构 ,可 用 于 加 速 度 传 感 器 第 2章 应 变 式 传 感 器 桥 式 结 构 第 2章 应 变 式 传 感 器 第 2章 应 变 式 传 感 器