壓阻式傳感器分析.ppt

,第二節(jié)壓阻式傳感器,2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,下一頁(yè),返回,2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng),單晶半導(dǎo)體材料在受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),壓阻效應(yīng),金屬材料半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體電阻率,l為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),對(duì)半導(dǎo)體材料而言，lE(1+)，故(1+)項(xiàng)可以忽略,半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率的變化是由應(yīng)變引起的,半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示,半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),上一頁(yè),返回,下一頁(yè),2.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片,1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)2.測(cè)量電路,1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn),主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),2.測(cè)量電路,恒壓源恒流源,電橋輸出電壓與R/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。,電橋輸出電壓與R成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒有影響。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器,壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1低壓腔2高壓腔3硅杯4引線5硅膜片,采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),工作原理：膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個(gè)電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定。,設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),2.2.4壓阻式加速度傳感器,它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個(gè)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在其根部?jī)擅妗?上一頁(yè),返回,下一頁(yè),2.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償,由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施1.恒流源供電電橋2.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償3.靈敏度溫度補(bǔ)償,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),1.恒流源供電電橋,恒流源供電的全橋差動(dòng)電路,假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化,電橋的輸出為,電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響。,上一頁(yè),返回,下一頁(yè),對(duì)等臂電橋,2.溫度漂移及其補(bǔ)償,上一頁(yè),返回,U,R1,R2,R4,R3,U0,Rs,Rp,VD,溫度變化時(shí)，將引起零漂和靈敏度漂移,零漂擴(kuò)散電阻值隨溫度變化靈敏度漂移壓阻系數(shù)隨溫度變化,零位溫漂串、并聯(lián)電阻靈敏度溫漂串聯(lián)二極管（負(fù)溫度特性）,串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,橋梁固有頻率測(cè)量電路,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器（測(cè)力與秤重）,試驗(yàn)研究結(jié)果建議選用以下公式：實(shí)心圓柱H2D+L空心圓柱HDd+L,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器（測(cè)力與秤重）,各種平行雙孔梁,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器（測(cè)力與秤重）,各種形式梁,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器（測(cè)力與秤重）,梁的形式較多，如平行雙孔梁、工字梁、S型拉力,（a）雙孔梁（b）S形,傳感器原理及應(yīng)用,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器（測(cè)力與秤重）輪輻式測(cè)力傳感器（剪切力）,輪輻式傳感器結(jié)構(gòu)主要由五個(gè)部分組成，輪轱、輪圈、輪輻條、受拉和受壓應(yīng)變片。,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器膜片式壓力傳感器,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器膜片式壓力傳感器,膜片式壓力傳感器應(yīng)力分布,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器應(yīng)變式加速度傳感器,基本結(jié)構(gòu)由懸臂梁、應(yīng)變片、質(zhì)量塊、機(jī)座外殼組成。懸臂梁（等強(qiáng)度梁）自由端固定質(zhì)量塊，殼體內(nèi)充滿硅油，產(chǎn)生必要的阻尼。當(dāng)殼體與被測(cè)物體一起作加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸臂梁在質(zhì)量塊的慣性作用下作反方向運(yùn)動(dòng)，使梁體發(fā)生形變，粘貼在梁上的應(yīng)變片阻值發(fā)生變化。通過測(cè)量阻值的變化求出待測(cè)物體的加速度。,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（3）力傳感器應(yīng)變式加速度傳感器,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（4）壓阻式傳感器,應(yīng)變測(cè)量:將半導(dǎo)體條制作成敏感元件粘貼在被測(cè)試件上。壓力測(cè)量:與金屬膜片式壓力傳感器原理相同。,第2章應(yīng)變式傳感器,應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（4）壓阻式傳感器,壓阻式傳感器有許多優(yōu)點(diǎn)：頻率響應(yīng)高，f0可達(dá)1.5M；體積小、耗電少、靈敏度高、可測(cè)量到0.1%的精確度；無運(yùn)動(dòng)部件。壓阻式傳感器缺點(diǎn)：