第1講 開始、電阻式傳感器--

1、&電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 &壓阻式傳感器壓阻式傳感器 電阻式（應變式）電阻式（應變式） 半導體壓阻效應半導體壓阻效應 金屬應變效應金屬應變效應 廣泛應用于各種衡器、應變測量廣泛應用于各種衡器、應變測量 各種電子秤各種電子秤 電子天平電子天平 高高 精精 度度 電電 子子 汽汽 車車 衡衡 動動 態(tài)態(tài) 電電 子子 秤秤 機械式機械式 液液 壓壓 叉叉 車車 秤秤 吊秤吊秤 遙遙 動動 遙遙 控控 吊吊 秤秤 機械秤機械秤 包裝機包裝機 應變儀應變儀特性：特性： 1.1. 測量通道：測量通道：8 8通道通道，可多模塊組合，可多模塊組合 2.2. 測量范圍：測量范圍：3000030000（

2、微應變）（微應變） 3.3. 測量精度：測量精度：1.51.5 4.4. 掃描率高于掃描率高于1 1次次/ /秒秒 5.5. 支持多種橋路接入方式：支持多種橋路接入方式：1/41/4橋、橋、 半橋、全橋（半橋、全橋（4 4線、線、6 6線）線） 6.6. 應變片類型：應變片類型：1201201k1k 7.7. 應變系數(shù)：應變系數(shù)：1.801.802.202.20 8.8. 采樣率可設置為每通道采樣率可設置為每通道1010次次/ /秒到秒到 幾天采集一次幾天采集一次 9.9. 實時顯示當前數(shù)據(jù)和所設置的參數(shù)實時顯示當前數(shù)據(jù)和所設置的參數(shù) 10.10. 2 28MByte8MByte非易失性存儲器

3、，用于非易失性存儲器，用于 存儲測量數(shù)據(jù)存儲測量數(shù)據(jù). . 上海盧浦大橋通車應變試驗上海盧浦大橋通車應變試驗 上海國際會議中心模型試驗上海國際會議中心模型試驗 打樁船吊塔打樁船吊塔 強度試驗強度試驗 電阻式應變傳感器是電阻式應變傳感器是測力測力與與應變應變的主要傳感器，測力的主要傳感器，測力 范圍小到肌肉纖維（范圍小到肌肉纖維（5 51010-5 -5N)N)，大到登月火箭，大到登月火箭(5 (510107 7N),N), 精確度可到精確度可到 0.01 0.010.1%0.1%，有，有1010年以上的校準穩(wěn)定性。年以上的校準穩(wěn)定性。 可用于應變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度。據(jù)統(tǒng)計可用于應變力

4、、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度。據(jù)統(tǒng)計 日本力傳感器中應變片占日本力傳感器中應變片占70%70%，美國占，美國占90%90%。 電阻應變式傳感器也是應用最廣泛的傳感器，傳感器電阻應變式傳感器也是應用最廣泛的傳感器，傳感器 的基本原理是將的基本原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再的變化，再 經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換成電量輸出。經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變換成電量輸出。 應變式傳感器特征：應變式傳感器特征： 主要優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、范圍大體積小。主要優(yōu)點，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、范圍大體積小。 缺點，電阻、半導體會隨溫度變化。缺點，電阻、半導體會隨溫度變化。 有不同材料類型，有不同材料類型，金屬應變

5、片、半導體應變片金屬應變片、半導體應變片； 金屬絲式應變片結(jié)構(gòu)金屬絲式應變片結(jié)構(gòu) 金屬箔式應變片結(jié)構(gòu)金屬箔式應變片結(jié)構(gòu) 1敏感元件 2、4基底 3引線 應變片組成應變片組成 應變片結(jié)構(gòu)應變片結(jié)構(gòu) l R S RlS RlS RlS RlS 6 11 10/mm mm 單位 l l 2sr sr 在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉時軸向在彈性范圍內(nèi)金屬絲受拉時軸向 應變和徑向應變的關系，負號表應變和徑向應變的關系，負號表 示應變受力方向相反示應變受力方向相反 / ( / r r l l 徑向） （軸向） 12 R R 0 / 12 R R k / (12 ) 0 / 12k 12 R R 半導體電阻應變片

6、00 / 12/,12 R kk R 靈敏系數(shù)： llee R R 1 , iav E eN iav N電阻率 與載流子數(shù)和平均遷移率成反比 2 mN -11 =（4080）10/: 00 12100(12 )kEkE ，50,因此，: 應變 112 1.67 10/EN m 物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為物體在外力作用下而改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形變形，而當，而當 外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為 彈性變形彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。

7、 彈性元件在應變片測量技術中占有極其重要的地位。它首先把彈性元件在應變片測量技術中占有極其重要的地位。它首先把力力、 力矩力矩或或壓力壓力變換成相應的變換成相應的應變或位移應變或位移，然后傳遞給粘貼在彈性元件，然后傳遞給粘貼在彈性元件 上的應變片，通過應變片將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應的電阻值。上的應變片，通過應變片將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應的電阻值。 彈性敏感元件及基本特性彈性敏感元件及基本特性 各種形式的金屬各種形式的金屬式電阻應變片式電阻應變片 金屬式金屬式電阻應變片常見的有電阻應變片常見的有絲式絲式、箔式箔式、薄膜型薄膜型 按材料分為按材料分為 體型體型 絲式、箔式絲式、箔式 金屬式：金

8、屬式： 薄膜型薄膜型 半導體式：半導體式：體型體型、薄膜型、擴散型、外延型、薄膜型、擴散型、外延型、PNPN結(jié)型結(jié)型 按結(jié)構(gòu)分：單片、雙片、特殊形狀按結(jié)構(gòu)分：單片、雙片、特殊形狀 按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下 金屬絲式金屬絲式 敏感柵用敏感柵用0.025mm0.025mm金屬絲（康銅、貴金屬）；金屬絲（康銅、貴金屬）； 金屬箔式金屬箔式 通過光刻腐蝕工藝，照相制版作成金屬薄柵，通過光刻腐蝕工藝，照相制版作成金屬薄柵， 厚度在厚度在0.0030.0030.01mm0.01mm，敏感柵截面為矩形，敏感柵截面為矩形， 可通過大電流，工藝適于批量生產(chǎn)

9、；可通過大電流，工藝適于批量生產(chǎn)； 金屬薄膜型金屬薄膜型采用真空技術，在基片上蒸鍍金屬薄膜，采用真空技術，在基片上蒸鍍金屬薄膜， 厚度為納米級。厚度為納米級。 半導體半導體式式：體型體型、薄膜型、擴散型、外延型、薄膜型、擴散型、外延型、PNPN結(jié)型結(jié)型 體型半導體電阻應變片體型半導體電阻應變片 應 變片溫度誤差。 電阻絲阻值與溫度關系：電阻絲阻值與溫度關系： 000 1 ttt RRtRRt 環(huán)境溫度變化t時，電阻絲的電阻變化為 100ttt RRRRt 式中：式中：R R0 0是溫度為是溫度為t t0 0時的金屬絲電阻值；時的金屬絲電阻值；是是 tgs k g g t t，s s、g g 抵

10、消抵消 t tgs t t k 013B4 U =A(R R -RR ) R R1 1- -應變片，應變片，R RB B- -補償片，補償片， 如果如果R R1 1R R3 3=R=RB BR R4 4，電橋平衡時輸出為零；，電橋平衡時輸出為零； 若若R R1 1、R RB B溫度系數(shù)相同，當無應變而溫度溫度系數(shù)相同，當無應變而溫度 變化時變化時RR1 1 = R = RB B ，電橋平衡；，電橋平衡； 當有應變時，當有應變時，R R1 1有增量有增量RR1 1，RR1 1 =R =R1 1k k0 0 ， 補償片無變化，補償片無變化，RRB B = 0 = 0； 電橋輸出電橋輸出 U U0

11、0 = A R = A R1 1R R3 3 = AR = AR1 1R R3 3 k k0 0 此時電橋的輸出電壓與溫度無關此時電橋的輸出電壓與溫度無關 橋梁固有頻率測量電路橋梁固有頻率測量電路 頻率計頻率計 lF lESE F=100 103N 量程量程 BLR-1BLR-1型測拉力、型測拉力、BHRBHR型測荷重傳感器型測荷重傳感器, , 火箭發(fā)動機實驗臺架都采用空心圓柱結(jié)構(gòu)?；鸺l(fā)動機實驗臺架都采用空心圓柱結(jié)構(gòu)。 0 1 2 R UE R v 等截面梁等截面梁 懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。 當外力當外力F F作用在梁的自由端時，固

12、定端產(chǎn)生的應變最大，作用在梁的自由端時，固定端產(chǎn)生的應變最大， 粘貼在應變片處的應變?yōu)椋赫迟N在應變片處的應變?yōu)椋?0 2 6Fl bh E 0 l 等截面等截面梁、梁、 v 等截面梁等截面梁 2 6Fl bh E l 各各 種種 形形 式式 梁梁 各種平行雙孔梁各種平行雙孔梁 稱重測力傳感器稱重測力傳感器 剪切梁式剪切梁式 測扭矩力測扭矩力 電子臺秤電子臺秤 222 2 3 (1)(3) 8 r p rx Eh 222 2 3 (1)() 8 t p rx Eh R1 R2 0.58 R3 R4 222 2 3 (1)(3 ) 8 r p rx Eh 2 2 maxmax 2 3 (1) 8

13、rt p r Eh 2 2 minmax 2 3 (1) 2 4 rr p r Eh / 3 0.58x rr R1 R2 0.58 R3 R4 222 2 3 (1)() 8 t p rx Eh R1 R2 0.58 R3 R4 殼體殼體 機座機座 a F R1 R2 m 充滿硅油 Fma 22 66FLmL a EbhEbh 2 6mL Ebh 梁確定后為常數(shù) a 測量系統(tǒng)測量系統(tǒng) P 高壓腔高壓腔 空氣空氣 硅膜片硅膜片 低壓腔低壓腔 硅杯硅杯 MPX壓力傳感器引腳與封裝、輸出特性壓力傳感器引腳與封裝、輸出特性 MPX4100A壓力傳感器檢測電路原理 應變片應變片金屬絲拉長，電阻增加，反

14、之減少。金屬絲拉長，電阻增加，反之減少。 電橋電路電橋電路平衡條件：平衡條件：R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3； 用途：求未知電阻值，記錄電阻變化率、溫度補償；用途：求未知電阻值，記錄電阻變化率、溫度補償； 歐姆定律、基爾霍夫定律：計算電路電壓、電流。歐姆定律、基爾霍夫定律：計算電路電壓、電流。 應變（力傳感器）應變（力傳感器）貼在試件上（彈性元件）的應變片貼在試件上（彈性元件）的應變片 的電阻變化率與應變成比例。的電阻變化率與應變成比例。 半導體壓力傳感器可獲得比金屬大半導體壓力傳感器可獲得比金屬大100倍以上的電阻變倍以上的電阻變 化?；?。 利用應變的傳感器有荷重、壓力、

15、形變、粘度傳感器。利用應變的傳感器有荷重、壓力、形變、粘度傳感器。 謝謝！ 壓力傳感器/變送器基礎知識 一、壓力的基本概念一、壓力的基本概念 1 1、壓強（、壓強（Pressure)Pressure)與壓力（與壓力（PressurePressure，force)force)： 2 2、壓強與壓力（、壓強與壓力（Pressure)Pressure)的單位：的單位： 壓強：帕斯卡（壓強：帕斯卡（PaPa），壓力：牛頓（），壓力：牛頓（N N）。）。 3 3、區(qū)分客戶所說壓力與壓強。、區(qū)分客戶所說壓力與壓強。 4 4、單位換算：、單位換算： 1bar=1.0 1bar=1.0 10105 5Pa=1

16、00kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mHPa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2 2O O 1PSI=6.89KPa,1 1PSI=6.89KPa,1公斤壓力公斤壓力=0.98=0.98 10105 5Pa=1Pa=1千克力千克力/ /厘米厘米2 2 1inch1inchH H2 2O=250PaO=250Pa 壓力傳感器/變送器基礎知識 二、二、壓力類型壓力類型 1 1、絕壓（、絕壓（Absolute,A),Absolute,A),以真空為標準以真空為標準 2 2、表壓（、表壓（Guage,G)Guage,G)，以當?shù)卮髿鈮簽闃藴省?，以當?shù)卮髿鈮簽闃藴省?3 3、差壓（、差壓（Differential,D)Differential,D)，測試兩端壓力差值。，測試兩端壓力差值。 4 4、密封表壓（、密封表壓（Vent Guage,VG)Vent Guage,VG)，以標準的大氣壓為標準。，以標準的大氣壓為標準。 壓力傳感器/變送器 三、壓力芯片、壓力芯體、壓力敏感元件三、壓力芯片、壓力芯體、壓力敏感元件 壓力芯片通過壓力芯片通過MENSMENS工藝，在硅片上形成工藝，在硅片上形成4 4個可變電阻。