傳感與檢測(cè)技術(shù)_02電阻式傳感器

1、第第2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 教材的本章內(nèi)容包括：教材的本章內(nèi)容包括：2.1 電位器式傳感器（自學(xué)，不作介紹）電位器式傳感器（自學(xué)，不作介紹）2.2 應(yīng)變式電阻傳感器（重點(diǎn)）應(yīng)變式電阻傳感器（重點(diǎn)） （原理、結(jié)構(gòu)、特性、轉(zhuǎn)換電路等）（原理、結(jié)構(gòu)、特性、轉(zhuǎn)換電路等）2.3 壓阻式傳感器（簡(jiǎn)單介紹，與應(yīng)變式比較）壓阻式傳感器（簡(jiǎn)單介紹，與應(yīng)變式比較）2.4 電阻式傳感器的應(yīng)用電阻式傳感器的應(yīng)用 這類傳感器的基本工作原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換這類傳感器的基本工作原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成敏感元件成敏感元件電阻電阻的變化，再通過變換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓或的變化，再通過變換電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓

2、或電流信號(hào)輸出。種類較多，有電位器式、應(yīng)變式、壓阻式、電流信號(hào)輸出。種類較多，有電位器式、應(yīng)變式、壓阻式、熱阻、熱敏、氣敏、濕敏等多種。熱阻、熱敏、氣敏、濕敏等多種。2.1 電位器式傳感器電位器式傳感器 電位器作為傳感器，可將機(jī)械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位電位器作為傳感器，可將機(jī)械位移或其他能轉(zhuǎn)換為位移的非電量轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化。移的非電量轉(zhuǎn)換為與其有一定函數(shù)關(guān)系的電阻值的變化。常用來測(cè)量位移、壓力、加速度等物理量。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、常用來測(cè)量位移、壓力、加速度等物理量。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格便宜、精度較高、性能穩(wěn)定、輸出尺寸小、重量輕、價(jià)格便宜、精度較高、性能穩(wěn)定、輸出

3、信號(hào)大、受環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等）影響較信號(hào)大、受環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等）影響較小，且可實(shí)現(xiàn)線性的或任意函數(shù)的變換，因而在自動(dòng)檢測(cè)小，且可實(shí)現(xiàn)線性的或任意函數(shù)的變換，因而在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制中有著廣泛的用途。和自動(dòng)控制中有著廣泛的用途。 但由于存在滑動(dòng)觸頭與線繞電阻或電阻膜的摩擦，存但由于存在滑動(dòng)觸頭與線繞電阻或電阻膜的摩擦，存在磨損，缺點(diǎn)也是明顯的；要求輸入能量較大，可靠性較在磨損，缺點(diǎn)也是明顯的；要求輸入能量較大，可靠性較差，分辨率較低，動(dòng)態(tài)特性不好，干擾（噪聲）大，一般差，分辨率較低，動(dòng)態(tài)特性不好，干擾（噪聲）大，一般用于靜態(tài)和緩變量的檢測(cè)。用于靜態(tài)和緩變量的檢測(cè)。

4、線繞電位器線繞電位器是最常用的電位器式傳感器，它由繞于骨是最常用的電位器式傳感器，它由繞于骨架上的電阻絲線圈和沿電位器移動(dòng)的滑臂以及其上的電刷架上的電阻絲線圈和沿電位器移動(dòng)的滑臂以及其上的電刷組成。線繞電位器根據(jù)需要可制成線性的和非線性的，線組成。線繞電位器根據(jù)需要可制成線性的和非線性的，線性線繞電位器的骨架截面應(yīng)處處相等，由材料和截面均勻性線繞電位器的骨架截面應(yīng)處處相等，由材料和截面均勻的電阻絲等節(jié)距繞制而成。的電阻絲等節(jié)距繞制而成。1、原理及空載特性、原理及空載特性 電位器的輸出端不接負(fù)載或負(fù)載為無窮大時(shí)的輸出特電位器的輸出端不接負(fù)載或負(fù)載為無窮大時(shí)的輸出特性為性為空載特性空載特性。線性電

5、位器的理想空載特性具有嚴(yán)格的線。線性電位器的理想空載特性具有嚴(yán)格的線性關(guān)系。圖性關(guān)系。圖2.1所示為電位器式傳感器原理圖。所示為電位器式傳感器原理圖。2.1.1 線性電位器線性電位器1電阻絲；電阻絲；2骨架；骨架；3滑臂滑臂圖圖2.1 電位器式傳感器原理圖電位器式傳感器原理圖 如果把它作為變阻器使用，假定全長(zhǎng)為如果把它作為變阻器使用，假定全長(zhǎng)為xmax的電位器其的電位器其總電阻為總電阻為Rmax，電阻沿長(zhǎng)度均勻分布，則當(dāng)滑臂由，電阻沿長(zhǎng)度均勻分布，則當(dāng)滑臂由A向向B移動(dòng)移動(dòng)x后，后，A點(diǎn)到電刷間的阻值為：點(diǎn)到電刷間的阻值為：maxmaxxxRRx (2-1) 若把它當(dāng)作分壓器使用，假定加在電位

6、器若把它當(dāng)作分壓器使用，假定加在電位器A、B之間的電壓為之間的電壓為Umax，則空載輸出電壓為：，則空載輸出電壓為： maxmaxxxUUx(2-2) 圖圖2.2所示為電位器式所示為電位器式角度角度傳感器。其中傳感器。其中1為電阻絲；為電阻絲；2為滑臂；為滑臂；3為骨架。作變阻為骨架。作變阻器使用時(shí)，電阻器使用時(shí)，電阻R與角度與角度的關(guān)系為：的關(guān)系為：maxmaxRR (2-3) 圖圖2.2 電位器式角度傳感器原理圖電位器式角度傳感器原理圖 作分壓器使用時(shí)，空載輸出電壓作分壓器使用時(shí)，空載輸出電壓U與角度與角度的關(guān)系為的關(guān)系為 maxmaxUU(2-4) 對(duì)于下圖所示的位移傳感器來說，因：對(duì)于

7、下圖所示的位移傳感器來說，因：Rmax=2(b+h)n/A；xmax=nt（t為兩線圈的距離），故其靈敏度為：為兩線圈的距離），故其靈敏度為：圖圖2.3 線性線繞電位器示意圖線性線繞電位器示意圖式中，式中，KR、KU分別為電阻靈敏度、電壓靈敏度；分別為電阻靈敏度、電壓靈敏度；為導(dǎo)線為導(dǎo)線電阻率；電阻率；A為導(dǎo)線橫截面積；為導(dǎo)線橫截面積；n為線繞電位器繞線總匝數(shù)。為線繞電位器繞線總匝數(shù)。 由此看出：線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏由此看出：線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與度除與電阻率電阻率有關(guān)外，還與有關(guān)外，還與骨架尺寸骨架尺寸h和和b、導(dǎo)線橫截面導(dǎo)線橫截面積積A（導(dǎo)線直徑（導(dǎo)線直

8、徑d）、）、繞線節(jié)距繞線節(jié)距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；電壓靈等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)；電壓靈敏度還與通過電位器的敏度還與通過電位器的電流電流I的大小有關(guān)。的大小有關(guān)。(2.6) )(2(2.5) )(2maxmaxmaxmaxAthbIxUKAthbxRKUR2、階梯特性、階梯誤差和分辨率、階梯特性、階梯誤差和分辨率 圖圖2.4所示為繞所示為繞n匝金屬電阻絲的匝金屬電阻絲的線性電位器的局部剖面和階梯特性曲線性電位器的局部剖面和階梯特性曲線圖。電刷在電位器的線圈上移動(dòng)，線圖。電刷在電位器的線圈上移動(dòng)，電位器輸出阻值隨電刷移動(dòng)并不是連電位器輸出阻值隨電刷移動(dòng)并不是連續(xù)地改變：當(dāng)電刷與某一匝金屬絲接續(xù)地改變：當(dāng)電刷與

9、某一匝金屬絲接觸，雖然有微小位移，但電位器阻值觸，雖然有微小位移，但電位器阻值并無變化，因而輸出電壓也不改變，并無變化，因而輸出電壓也不改變，在輸出特性曲線上對(duì)應(yīng)地出現(xiàn)平直段；在輸出特性曲線上對(duì)應(yīng)地出現(xiàn)平直段；當(dāng)電刷離開這一匝與下一匝接觸時(shí)，當(dāng)電刷離開這一匝與下一匝接觸時(shí)，電位器電阻突然增加一匝阻值，因此電位器電阻突然增加一匝阻值，因此特性曲線出現(xiàn)階躍段。特性曲線出現(xiàn)階躍段。圖圖2.4 局部剖面和階梯特性圖局部剖面和階梯特性圖 實(shí)際上，電刷從實(shí)際上，電刷從 j 匝到匝到(j+1)匝的過程中，必然會(huì)使這匝的過程中，必然會(huì)使這兩匝短路，于是電位器的總匝數(shù)從兩匝短路，于是電位器的總匝數(shù)從n匝減小到匝

10、減小到(n-1)匝，這樣匝，這樣總阻值的變化就使得在每個(gè)電壓階躍中還產(chǎn)生一小階躍?？傋柚档淖兓褪沟迷诿總€(gè)電壓階躍中還產(chǎn)生一小階躍。這個(gè)小電壓階躍亦即這個(gè)小電壓階躍亦即次要分辨脈沖次要分辨脈沖為為 max/UUn(2-7) 這樣，電刷每移過一匝，輸出電壓便階躍一次，共產(chǎn)生這樣，電刷每移過一匝，輸出電壓便階躍一次，共產(chǎn)生n個(gè)電壓階梯，其階躍值亦即個(gè)電壓階梯，其階躍值亦即視在分辨脈沖視在分辨脈沖為為m ax11()1nUUjnn(2-8) 式中：式中： 為電刷短接第為電刷短接第 j 和和 j+1 匝時(shí)的輸出電壓；匝時(shí)的輸出電壓； 為電刷僅接觸第為電刷僅接觸第 j 匝時(shí)的輸出電壓。匝時(shí)的輸出電壓。

11、因此，在大的階躍中還有小的階躍。這種小的階躍應(yīng)因此，在大的階躍中還有小的階躍。這種小的階躍應(yīng)有有(n-2)次，這是因?yàn)樵诶@線始端和終端的兩次短路中，將次，這是因?yàn)樵诶@線始端和終端的兩次短路中，將不會(huì)因總匝數(shù)降低到不會(huì)因總匝數(shù)降低到(n-1)而影響輸出電壓，所以特性曲線而影響輸出電壓，所以特性曲線將有個(gè)將有個(gè)n+n-2個(gè)階躍。這個(gè)階躍。這n+n-2個(gè)階梯中，一般將大階梯看個(gè)階梯中，一般將大階梯看作是作是主要分辨脈沖主要分辨脈沖Um，將小階梯看作是，將小階梯看作是次要分辨脈沖次要分辨脈沖Un，而視在分辨脈沖是二者之和，即而視在分辨脈沖是二者之和，即 （2-9） max1jUn m axjUnmnU

12、UU 非線性電位器是指空載時(shí)電位器的非線性電位器是指空載時(shí)電位器的輸出電壓輸出電壓（或電阻）（或電阻）與與電刷行程電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器函數(shù)電位器。可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及。可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其它任意函數(shù)。常見的有其它任意函數(shù)。常見的有變骨架式變骨架式、變節(jié)距式變節(jié)距式、分路電阻分路電阻式式及及電位給定式電位給定式四種。變骨架式電位器如圖四種。變骨架式電位器如圖2.6所示，其骨所示，其骨架高度架高度h呈曲線變化。呈曲線變化。圖圖2.6 變骨架式非線性電位器變骨架式非線性電位器2.1.2

13、 非線性電位器非線性電位器當(dāng)電刷移動(dòng)微小位移當(dāng)電刷移動(dòng)微小位移 dx 時(shí)，引起輸出電阻變化時(shí)，引起輸出電阻變化dRx，則，則 2 ()xdRbhdxAt (2-13) 式中，式中，b，h 骨架的寬度和高度；骨架的寬度和高度； A 導(dǎo)線的橫截面積；導(dǎo)線的橫截面積； t 導(dǎo)線節(jié)距；導(dǎo)線節(jié)距； 導(dǎo)線電阻率。導(dǎo)線電阻率。()2xdRAthbdx(2-14) 由于由于A、t、b均為常數(shù)，而均為常數(shù)，而dRx/dx是是x的函數(shù)，所以的函數(shù)，所以h是是電刷位移電刷位移x的函數(shù)。的函數(shù)。dRx/dx越大，則骨架高度越高。為了保證越大，則骨架高度越高。為了保證足夠的強(qiáng)度及工藝性，必須使足夠的強(qiáng)度及工藝性，必須使

14、hmin34mm。 一般情況下電位器接有負(fù)載，并且負(fù)載電阻和電位器電一般情況下電位器接有負(fù)載，并且負(fù)載電阻和電位器電阻的比值為有限值，此時(shí)所得的特性為阻的比值為有限值，此時(shí)所得的特性為負(fù)載特性負(fù)載特性。負(fù)載特性。負(fù)載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差負(fù)載誤差。對(duì)于線性。對(duì)于線性電位器負(fù)載誤差即是非線性誤差。帶負(fù)載的電位器電路如圖電位器負(fù)載誤差即是非線性誤差。帶負(fù)載的電位器電路如圖2.7所示。負(fù)載電阻為所示。負(fù)載電阻為Rf，此時(shí)，此時(shí)電位器輸出電壓電位器輸出電壓Uxf 為為 max2maxmaxxfxffxxR RUUR RR RR 2.1.3 負(fù)載

15、特性與負(fù)載誤差負(fù)載特性與負(fù)載誤差 Umax Ux Rmax xmax Rf Rx，X 圖 2.7 帶負(fù)載的電位器電路 2.2 應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器 應(yīng)變式電阻傳感器是利用應(yīng)變式電阻傳感器是利用電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。傳感器由阻變化的傳感器。傳感器由彈性敏感元件彈性敏感元件及粘貼在其上的及粘貼在其上的電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片構(gòu)成。當(dāng)彈性敏感元件受到外作用，將產(chǎn)生應(yīng)構(gòu)成。當(dāng)彈性敏感元件受到外作用，將產(chǎn)生應(yīng)變，使電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，最后通過轉(zhuǎn)換電路變變，使電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，最后通過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出，電量變化反映了被測(cè)物理量的大小。成電

16、量輸出，電量變化反映了被測(cè)物理量的大小。 應(yīng)變式電阻傳感器有應(yīng)變式電阻傳感器有金屬絲金屬絲、金屬箔式金屬箔式、薄膜式薄膜式和和半半導(dǎo)體式導(dǎo)體式等幾種。應(yīng)變式電阻傳感器性能穩(wěn)定、精度較高。等幾種。應(yīng)變式電阻傳感器性能穩(wěn)定、精度較高?？勺鳛楦呔葴y(cè)量傳感器，前三種應(yīng)變式電阻傳感器的靈可作為高精度測(cè)量傳感器，前三種應(yīng)變式電阻傳感器的靈敏度較低。敏度較低。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)。如圖如圖2.10所示，一根圓形金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原所示，一根圓形金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為始電阻值為 LRS（2-25） r r F L

17、L 圖 2.10 金屬電阻應(yīng)變效應(yīng) 2.2.1 工作原理工作原理當(dāng)受力當(dāng)受力F F，則，則L L、S S、均產(chǎn)生變化，用全微分表示為均產(chǎn)生變化，用全微分表示為 ： 2dSLdSSLdLSdR若用相對(duì)變化量表示，則有：若用相對(duì)變化量表示，則有：(2.26) SSLLRR由材料力學(xué)知：由材料力學(xué)知：ELL 其中：其中： -沿某晶向的壓阻系數(shù)，與材料及晶向有關(guān)；沿某晶向的壓阻系數(shù)，與材料及晶向有關(guān)； E- E-彈性模量；彈性模量； -材料所受應(yīng)力。材料所受應(yīng)力。若設(shè)金屬應(yīng)變絲為圓形截面：若設(shè)金屬應(yīng)變絲為圓形截面：故有：故有：該式為該式為“應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)”的理論表達(dá)式。其中的理論表達(dá)式。其中k k0

18、 0為導(dǎo)體的靈敏系為導(dǎo)體的靈敏系數(shù)。數(shù)。由上式可見，影響由上式可見，影響k k0 0的因素有兩部分：的因素有兩部分： -由材料的幾何尺寸變化引起；由材料的幾何尺寸變化引起； -由材料的電阻率由材料的電阻率的變化引起。的變化引起。材料的泊松比其中：- 2 2rrrrSSrS )21 (20kEERR)21 ( E對(duì)于不同材料，兩部分的權(quán)重是不同的：對(duì)于不同材料，兩部分的權(quán)重是不同的：金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體：第一部分為主，第二部分可忽略。：第一部分為主，第二部分可忽略。 （1+2）E半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料則正好相反：則正好相反：（1+2）E一般金屬電阻應(yīng)變片一般金屬電阻應(yīng)變片=0.30.5 ，所以，所以k

19、 k0 01.62.0而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度可達(dá)而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度可達(dá)50100。0)21 (kRR 事實(shí)上，產(chǎn)生應(yīng)變的因素很多，位移、力、力矩、加事實(shí)上，產(chǎn)生應(yīng)變的因素很多，位移、力、力矩、加速度、壓力等均可產(chǎn)生應(yīng)變。因此，可用應(yīng)變片做成各種速度、壓力等均可產(chǎn)生應(yīng)變。因此，可用應(yīng)變片做成各種應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理： 當(dāng)用金屬應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于當(dāng)用金屬應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上，應(yīng)變片隨被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小應(yīng)變，使應(yīng)變片被測(cè)對(duì)象上，應(yīng)變片隨被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小應(yīng)變，使應(yīng)變片產(chǎn)生產(chǎn)生R。R=k0R。 而：

20、而：=E，所以，所以 R 可通可通過過R測(cè)測(cè)。應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)： 可可測(cè)微應(yīng)變測(cè)微應(yīng)變12m，且精度高、性能穩(wěn)定；，且精度高、性能穩(wěn)定； 尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快；尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快； 測(cè)量范圍大；測(cè)量范圍大； 環(huán)境要求不高；環(huán)境要求不高； 便于多點(diǎn)測(cè)量。便于多點(diǎn)測(cè)量。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：粘貼需要一定經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；易松動(dòng)脫落、斷線等。粘貼需要一定經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)；易松動(dòng)脫落、斷線等。1、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：見下圖。見下圖。 金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片（底）、覆蓋層和引線金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片（底）、覆蓋層和引線等部分組成。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保等

21、部分組成。敏感柵粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。2.2.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型及基本特性電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型及基本特性應(yīng)變片的規(guī)格以應(yīng)變片的規(guī)格以面積面積和和阻值阻值表示。表示。 如如（lb）mm2 120 其中：其中：l-應(yīng)變片的基長(zhǎng)；應(yīng)變片的基長(zhǎng)；b基寬。基寬。2、應(yīng)變片的類型、應(yīng)變片的類型 金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式絲式、箔式箔式和和薄膜式薄膜式三種。三種。箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般在箔柵，其厚

22、度一般在0.0030.01mm，其優(yōu)點(diǎn)是：，其優(yōu)點(diǎn)是： 可制成復(fù)雜形狀、尺寸精確的敏感柵；可制成復(fù)雜形狀、尺寸精確的敏感柵； 與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好；與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好； 散熱條件好，允許電流大，提高輸出靈敏度；散熱條件好，允許電流大，提高輸出靈敏度； 橫向效應(yīng)可以忽略。橫向效應(yīng)可以忽略。 蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；缺點(diǎn)：電阻值的分散性，應(yīng)用時(shí)需要作阻值調(diào)整。缺點(diǎn)：電阻值的分散性，應(yīng)用時(shí)需要作阻值調(diào)整。金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在薄的基片上形是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在薄的基片上形成極?。ǔ蓸O?。?.1m以下）的金屬

23、電阻薄膜敏感柵（采用真空蒸以下）的金屬電阻薄膜敏感柵（采用真空蒸發(fā)或真空沉積技術(shù)），最后加上保護(hù)層。發(fā)或真空沉積技術(shù)），最后加上保護(hù)層。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許通過的電流較大。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許通過的電流較大。問題：尚難控制電阻與溫度，電阻與時(shí)間的變化關(guān)系。問題：尚難控制電阻與溫度，電阻與時(shí)間的變化關(guān)系。金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式有回線式/短接式兩種（制造工藝不同），短接式兩種（制造工藝不同），敏感絲材料：康銅（敏感絲材料：康銅（55%Cu+45%Ni）、鎳鉻合金、鎳鉻）、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金等。敏感絲直徑鋁合金等。敏感絲直徑0.0120.05mm，一般用，一般用0.025

24、mm，引線用鍍錫銅絲制作。引線用鍍錫銅絲制作。基片：基片：0.03mm左右的薄紙（紙基）；粘貼劑左右的薄紙（紙基）；粘貼劑+有機(jī)樹脂基有機(jī)樹脂基膜（膠基）。膜（膠基）。3 3、金屬應(yīng)變片的基本特性、金屬應(yīng)變片的基本特性 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 軸向單位應(yīng)變所引起的應(yīng)變片阻值相對(duì)變化量，即：軸向單位應(yīng)變所引起的應(yīng)變片阻值相對(duì)變化量，即： k=(R/R)/，R=kR。 測(cè)定應(yīng)變片的靈敏系數(shù)用實(shí)驗(yàn)方法，且在規(guī)定條件下測(cè)測(cè)定應(yīng)變片的靈敏系數(shù)用實(shí)驗(yàn)方法，且在規(guī)定條件下測(cè)得：以得：以5%的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值作為該的產(chǎn)品來測(cè)定，取平均值及允許公差值作為該批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)-標(biāo)稱靈敏系數(shù)

25、標(biāo)稱靈敏系數(shù)。 需注意，不能與電阻絲的靈敏系數(shù)需注意，不能與電阻絲的靈敏系數(shù)k0等同，一般情況等同，一般情況k k0 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 將電阻絲繞成應(yīng)變片后，其靈敏系數(shù)降低，該現(xiàn)象稱將電阻絲繞成應(yīng)變片后，其靈敏系數(shù)降低，該現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。 橫向效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理：橫向效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理：若應(yīng)變片受力若應(yīng)變片受力F 作用而產(chǎn)生軸向應(yīng)變作用而產(chǎn)生軸向應(yīng)變x 時(shí)，時(shí)，則應(yīng)變片各直線段的電阻將增加，但在半圓弧段則受到從則應(yīng)變片各直線段的電阻將增加，但在半圓弧段則受到從+x到到-x之之間變化的應(yīng)變，圓弧段電阻的變化將小于沿軸向安放的同樣長(zhǎng)度電阻絲間變化的應(yīng)變，圓弧段電阻的變化將小于沿軸

26、向安放的同樣長(zhǎng)度電阻絲電阻的變化。因此，將直的電阻絲繞成敏感柵后，應(yīng)變片敏感柵的電阻電阻的變化。因此，將直的電阻絲繞成敏感柵后，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化減小，因而其靈敏系數(shù)下降。變化減小，因而其靈敏系數(shù)下降。 為減小橫向效應(yīng)為減小橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，通產(chǎn)生的測(cè)量誤差，通常采用箔式應(yīng)變片。常采用箔式應(yīng)變片。 l1 l F F 圖 2.12 應(yīng)變片軸向受力圖 最大工作電流和絕緣電阻最大工作電流和絕緣電阻l 最大工作電流：指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最最大工作電流：指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最 大電流值。一般靜態(tài)電流大電流值。一般靜態(tài)電流25mA左右。左右。l 絕緣電阻：引線與被測(cè)試件間

27、的電阻。通常在絕緣電阻：引線與被測(cè)試件間的電阻。通常在50100M。應(yīng)變片的電阻值應(yīng)變片的電阻值 已經(jīng)規(guī)格化：已經(jīng)規(guī)格化：60、120、200、350、500、 1000，其中，其中120最常用。最常用。應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮此特性。一般的測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng)考慮此特性。一般的工業(yè)測(cè)量則可不考慮。工業(yè)測(cè)量則可不考慮。 疲勞壽命疲勞壽命 恒定幅值交變力作用下，能連續(xù)工作（正常工作）恒定幅值交變力作用下，能連續(xù)工作（正常工作）的循環(huán)次數(shù)的循環(huán)次數(shù)N。 當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一，都認(rèn)為是應(yīng)變片已疲當(dāng)出現(xiàn)以下三種情況之一，都認(rèn)為是應(yīng)變片

28、已疲勞損壞：勞損壞： 應(yīng)變片的敏感柵或引線斷路；應(yīng)變片的敏感柵或引線斷路； 應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化10%； 應(yīng)變片輸出信號(hào)波形出現(xiàn)穗狀尖峰。應(yīng)變片輸出信號(hào)波形出現(xiàn)穗狀尖峰。4、應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償、應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償（1）溫度誤差）溫度誤差 由于測(cè)量環(huán)境溫度的變化所引起的電阻應(yīng)變片電由于測(cè)量環(huán)境溫度的變化所引起的電阻應(yīng)變片電阻的變化，由此造成附加的測(cè)量誤差，稱為阻的變化，由此造成附加的測(cè)量誤差，稱為應(yīng)變片的應(yīng)變片的溫度誤差溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有：。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要原因有： 1）敏感材料）敏感材料電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影

29、響 敏感柵的電阻隨溫度變化的關(guān)系為：敏感柵的電阻隨溫度變化的關(guān)系為：00(1)tRRt(2-34) 式中，式中，Rt溫度為溫度為 t 時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； R0溫度為溫度為 t 0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； 0金屬絲的電阻溫度系數(shù)；金屬絲的電阻溫度系數(shù)； t溫度變化值，溫度變化值，t = t t 0。 當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t 時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：時(shí)，電阻絲電阻的變化值為： 000ttRRRRt(2-35) 2）試件材料和電阻絲材料線膨脹系數(shù)試件材料和電阻絲材料線膨脹系數(shù)的影響的影響 當(dāng)環(huán)境溫度變化當(dāng)環(huán)境溫度變化t 時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的

30、線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)（或壓縮），引起的電阻變化為應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)（或壓縮），引起的電阻變化為 40).(2 )(00tRkRsg式中，式中，k 0應(yīng)變片靈敏系數(shù)；應(yīng)變片靈敏系數(shù)； R 0溫度為溫度為 t 0時(shí)的電阻值；時(shí)的電阻值； s金屬絲的電阻溫度系數(shù)；金屬絲的電阻溫度系數(shù)； g 試件的線膨脹系數(shù)；試件的線膨脹系數(shù)； t溫度變化值，溫度變化值，t = t t 0。 因此由于溫度變化形成的總的電阻相對(duì)變化為：因此由于溫度變化形成的總的電阻相對(duì)變化為： 41).(2 )(0000tktRRRRRsgt由此可知：溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，與由此可知：溫度變化而引起的

31、附加電阻的相對(duì)變化量，與環(huán)境溫度環(huán)境溫度t、應(yīng)變片自身性能應(yīng)變片自身性能（k 0 ,0, s ）以及以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)被測(cè)試件線膨脹系數(shù) g有關(guān)。有關(guān)。（2）溫度誤差補(bǔ)償方法）溫度誤差補(bǔ)償方法 應(yīng)變片的溫度誤差補(bǔ)償方法通常有應(yīng)變片的溫度誤差補(bǔ)償方法通常有橋路補(bǔ)償橋路補(bǔ)償和和應(yīng)變片應(yīng)變片自補(bǔ)償自補(bǔ)償兩大類。兩大類。 1）橋路補(bǔ)償橋路補(bǔ)償 橋路補(bǔ)償法是選取材料相同的橋路補(bǔ)償法是選取材料相同的工作應(yīng)變片工作應(yīng)變片R1和和補(bǔ)償應(yīng)變片補(bǔ)償應(yīng)變片RB組組成橋路，使其成橋路，使其電阻值相等電阻值相等，并處于，并處于同一溫度場(chǎng)同一溫度場(chǎng)，但對(duì)輸出電壓作用方，但對(duì)輸出電壓作用方向相反，以進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。向

32、相反，以進(jìn)行溫度誤差補(bǔ)償。 F F R1 RB U U0 R4 R1 RB R3 圖 2.13 橋路補(bǔ)償法 + + - - 如如圖圖2.13所示，工作應(yīng)變片所示，工作應(yīng)變片R1 粘貼于被測(cè)試件表面，粘貼于被測(cè)試件表面， RB為補(bǔ)償應(yīng)變片，為補(bǔ)償應(yīng)變片， R3和和 R4為相同阻值的固定電阻。為相同阻值的固定電阻。R1、RB、R3、R4構(gòu)成了測(cè)量電橋，若要實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了測(cè)量電橋，若要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償完全補(bǔ)償，必須滿足以，必須滿足以下三個(gè)條件：下三個(gè)條件： R1 和和RB需屬于需屬于同批產(chǎn)品同批產(chǎn)品，它們應(yīng)具有，它們應(yīng)具有相同的電阻溫度相同的電阻溫度系數(shù)系數(shù)、線膨脹系數(shù)線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)應(yīng)變靈敏系數(shù)和

33、和相同的初始電阻值相同的初始電阻值； 粘貼補(bǔ)償片的粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的和粘貼工作片的被測(cè)試件材被測(cè)試件材料料兩者線膨脹系數(shù)相同；兩者線膨脹系數(shù)相同； 兩應(yīng)變片應(yīng)處于兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)同一溫度場(chǎng)。 2）應(yīng)變片自補(bǔ)償）應(yīng)變片自補(bǔ)償 通過選擇或調(diào)整應(yīng)變片自身結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到消除溫度誤通過選擇或調(diào)整應(yīng)變片自身結(jié)構(gòu)參數(shù)達(dá)到消除溫度誤差的方法稱為自補(bǔ)償法。有以下方法：差的方法稱為自補(bǔ)償法。有以下方法：00()gsK (2-47) 單絲選擇式自補(bǔ)償單絲選擇式自補(bǔ)償 由式（由式（2-41）得出，要實(shí)現(xiàn)溫度誤差自補(bǔ)償，必須有：）得出，要實(shí)現(xiàn)溫度誤差自補(bǔ)償，必須有： 此式表明，當(dāng)被測(cè)試

34、件的線膨脹系數(shù)此式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)g已知，合理選擇敏感柵材已知，合理選擇敏感柵材料（電阻溫度系數(shù)料（電阻溫度系數(shù)0、靈敏系數(shù)、靈敏系數(shù)K0和線膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)S），則無論溫），則無論溫度如何變化，均有度如何變化，均有Rt/R0=0。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便； 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：一種：一種0 值的應(yīng)變片只能用在一種材料（值的應(yīng)變片只能用在一種材料（g）的試件上，局）的試件上，局限性大。限性大。 雙絲組合式自補(bǔ)償雙絲組合式自補(bǔ)償 此種方法是利用兩種此種方法是利用兩種不同電阻溫度系不同電阻溫度系數(shù)數(shù)（一種為正值，另一種為負(fù)值）的材（一種為正值，另一種為負(fù)值）的材料

35、串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到在一定材料料串聯(lián)組成敏感柵，以達(dá)到在一定材料的試件上和在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的試件上和在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。補(bǔ)償。R1R2焊點(diǎn) 這種自補(bǔ)償?shù)臈l件是要求粘貼在某一試件上的兩段這種自補(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。號(hào)相反。 要把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，需要轉(zhuǎn)換電要把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，需要轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換電路常采用路來實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換電路常采用直流電橋直流電橋或或交流電橋交流電橋。3101234()RRUERRRR(2-48) 2.2.

36、3 電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換電路 R3 R2 R4 R1 U0 RL I0 B D E A C 圖 2.14 直流電橋 1、直流電橋直流電橋 （1）直流電橋平衡條件）直流電橋平衡條件 直流電橋如圖直流電橋如圖2.14所示。所示。當(dāng)當(dāng)RL時(shí)，電橋輸出電壓為時(shí)，電橋輸出電壓為上式稱為上式稱為電橋平衡條件電橋平衡條件。說明欲使電橋平衡，其相對(duì)兩。說明欲使電橋平衡，其相對(duì)兩臂電阻的乘積相等，或相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等。臂電阻的乘積相等，或相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等。 （2）電壓靈敏度電壓靈敏度 當(dāng)當(dāng)R1為電阻應(yīng)變片，為電阻應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻時(shí)就構(gòu)成為固定電阻時(shí)就構(gòu)成單臂電橋。

37、單臂電橋。當(dāng)電橋平衡時(shí)，當(dāng)電橋平衡時(shí)，U 0=0，則有，則有1423R RR R(2-49) 應(yīng)變片電阻值變化很小，電橋輸出電壓也很小，一般應(yīng)變片電阻值變化很小，電橋輸出電壓也很小，一般需要后接放大器。因放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高需要后接放大器。因放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，故仍可視電橋?yàn)殚_路。若應(yīng)變使應(yīng)變片電阻變化很多，故仍可視電橋?yàn)殚_路。若應(yīng)變使應(yīng)變片電阻變化R，其它橋臂電阻固定不變，此時(shí)電橋輸出電壓其它橋臂電阻固定不變，此時(shí)電橋輸出電壓U00，電橋不，電橋不平衡輸出電壓為平衡輸出電壓為(2.50) )1)(1 (3412111134433211110RRRRRRRRRRE

38、RRRRRRRREU因因R1R1，分母中分母中R1/R1可忽略?？珊雎?。設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比n=R2/R1= R4/R3，則有：則有：(2.51) )1 (1120RRnnEU電橋電壓靈敏度定義電橋電壓靈敏度定義為：為：(2.52) )1 (2110nnERRUKU分析上式可知：分析上式可知： 1）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓）電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓E，E越大，越大，電橋電壓靈敏度越高。但供電電壓受到應(yīng)變片的最大電橋電壓靈敏度越高。但供電電壓受到應(yīng)變片的最大允許電流的限制；允許電流的限制； 2）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值）電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)。可以證的函數(shù)?？梢宰C明

39、，當(dāng)明，當(dāng)E值確定后，值確定后，n=1時(shí)有最大靈敏度。時(shí)有最大靈敏度。 若初始時(shí)四個(gè)橋臂阻值相等，即若初始時(shí)四個(gè)橋臂阻值相等，即R1=R2=R3=R4 =R時(shí)電橋時(shí)電橋平衡，則當(dāng)平衡，則當(dāng)R1有變化有變化R1時(shí)，電橋輸出電壓及單臂電橋電時(shí)，電橋輸出電壓及單臂電橋電壓靈敏度分別為：壓靈敏度分別為：(2.54) 40RREU(2.55) 4/EKU)1)(1(11110nRRnRRnEU（2-56） （3）非線性誤差及其補(bǔ)償方法非線性誤差及其補(bǔ)償方法 由式（由式（2-51）求出的輸出電壓因略去分母中的）求出的輸出電壓因略去分母中的R1/R1項(xiàng)而得出的是近似值，實(shí)際計(jì)算值為：項(xiàng)而得出的是近似值，實(shí)際

40、計(jì)算值為：非線性誤差為：非線性誤差為：(2.57) 11111000RRnRRUUUL對(duì)于等臂電橋，對(duì)于等臂電橋，n=1，經(jīng)過分析計(jì)算，當(dāng)經(jīng)過分析計(jì)算，當(dāng)R1/R1=0.01時(shí)，時(shí)，L=0.5%；而當(dāng)；而當(dāng)R1/R1=0.13時(shí)，時(shí)，L=6%，誤差較大，必須誤差較大，必須予以消除。予以消除。減少和消除非線性誤差的實(shí)用方法是采用減少和消除非線性誤差的實(shí)用方法是采用差動(dòng)電橋差動(dòng)電橋。如圖。如圖2.15a)為為半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)形式；圖形式；圖2.15b)為為全橋全橋形式。形式。R33RR44RR2U0ABCDE2RR11RR11RR2E( b )( a )DCBA0UR43R2R圖 2.15 差 動(dòng)

41、 電 橋 等臂電橋情況下：等臂電橋情況下：半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)電橋的輸出為：電橋的輸出為：全橋全橋的輸出為：的輸出為：(2.60) RR20EU(2.61) RR0 EU2、交流電橋、交流電橋 交流電橋采用了交流供電。電橋的平衡受引線分布參數(shù)、交流電橋采用了交流供電。電橋的平衡受引線分布參數(shù)、平衡調(diào)節(jié)和后續(xù)放大線路等多方面的影響。平衡調(diào)節(jié)和后續(xù)放大線路等多方面的影響。 圖圖2.16(a)所示為交流電橋。由于電橋電源為交流電源，所示為交流電橋。由于電橋電源為交流電源，應(yīng)變片引線分布電容使得兩個(gè)橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，應(yīng)變片引線分布電容使得兩個(gè)橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，相當(dāng)于圖相當(dāng)于圖2.16(b)

42、 ,此時(shí)每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：此時(shí)每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：Z12ZZ34ZU0UABCD( a )( b )DCBAU0UR43RR21RC12C圖 2.16 交 流 電 橋 由交流電橋分析可知：由交流電橋分析可知：故交流電橋的平衡條件為：故交流電橋的平衡條件為：(2.63) 11443322221111RZRZCRjRZCRjRZ64).(2 )()(432132410ZZZZZZZZUU65).(2 ZZZ3241Z 對(duì)于圖對(duì)于圖2.16(b)所示的所示的電容電橋電容電橋，電橋平衡條件可進(jìn)一步分析：，電橋平衡條件可進(jìn)一步分析：整理得：整理得：66).(2 RRRR3222241111CR

43、jCRjRR67).(2 CRjRRR24241313CjRR最后整理得電容電橋的平衡條件：最后整理得電容電橋的平衡條件：68).(2 CRCR 24133241及RRRR 因此，對(duì)于交流電容電橋，除了滿足因此，對(duì)于交流電容電橋，除了滿足電阻平衡條件電阻平衡條件外，還外，還要滿足要滿足電容平衡條件電容平衡條件。為此交流電橋設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)旋鈕，。為此交流電橋設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)旋鈕，還設(shè)有電容平衡旋鈕。還設(shè)有電容平衡旋鈕。2.3 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成的粘貼式應(yīng)變片（稱半導(dǎo)利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成的粘貼式應(yīng)變片（稱半導(dǎo)體應(yīng)變片），用此制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感

44、器。體應(yīng)變片），用此制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。 2.3.1 半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器 壓阻式傳感器是基于半導(dǎo)體材料的壓阻式傳感器是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)來工作的傳來工作的傳感器。分感器。分半導(dǎo)體應(yīng)變式壓阻半導(dǎo)體應(yīng)變式壓阻傳感器和傳感器和擴(kuò)散型壓阻擴(kuò)散型壓阻傳感器。傳感器。 1. 工作原理工作原理 由于應(yīng)力的作用而使半導(dǎo)體材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象由于應(yīng)力的作用而使半導(dǎo)體材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。前面已有結(jié)論：。前面已有結(jié)論： )21 (2EERR半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料則有：則有：（1+2）E，即：即：71).(2 ERR 不同

45、類型的半導(dǎo)體，具有不同的壓阻系數(shù)；不同類型的半導(dǎo)體，具有不同的壓阻系數(shù)；載荷施加的載荷施加的方向不同，壓阻效應(yīng)大小也不相同方向不同，壓阻效應(yīng)大小也不相同。為描述不同方向的壓阻。為描述不同方向的壓阻效應(yīng)，需要了解半導(dǎo)體材料的效應(yīng)，需要了解半導(dǎo)體材料的晶向晶向概念。概念。 單晶硅是目前使用最多的。其晶向如圖單晶硅是目前使用最多的。其晶向如圖2.17所示。所示。 001 100 111 100 010 o x y z 圖 2.17 半 導(dǎo) 體 的 晶 向 P型單晶硅，應(yīng)力沿型單晶硅，應(yīng)力沿111晶晶軸，可得最大壓阻效應(yīng)；軸，可得最大壓阻效應(yīng)； N型單晶硅，應(yīng)力沿型單晶硅，應(yīng)力沿100方方向時(shí)，可得最

46、大壓阻效應(yīng)。制作向時(shí)，可得最大壓阻效應(yīng)。制作應(yīng)變片時(shí)，沿所需的晶軸從硅錠應(yīng)變片時(shí)，沿所需的晶軸從硅錠上切出一小條，作為應(yīng)變片的電上切出一小條，作為應(yīng)變片的電阻材料（敏感柵）。阻材料（敏感柵）。2. 結(jié)構(gòu)和主要特性結(jié)構(gòu)和主要特性 半導(dǎo)體應(yīng)變式結(jié)構(gòu)形式也是由半導(dǎo)體應(yīng)變式結(jié)構(gòu)形式也是由敏感柵敏感柵、基片基片、覆蓋層覆蓋層和和引線引線等幾部分組成。敏感柵由單晶硅錠按一定晶軸方向切成等幾部分組成。敏感柵由單晶硅錠按一定晶軸方向切成薄片，進(jìn)行研磨加工后，再切成細(xì)條并經(jīng)過光刻腐蝕等工序薄片，進(jìn)行研磨加工后，再切成細(xì)條并經(jīng)過光刻腐蝕等工序制成。敏感柵的形狀可以做成條型，制成。敏感柵的形狀可以做成條型，U型和型

47、和W型，敏感柵長(zhǎng)型，敏感柵長(zhǎng)度一般為度一般為19mm。 與金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變式具有：與金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變式具有：體積小體積小、橫向效應(yīng)小橫向效應(yīng)小、靈敏度高靈敏度高等特點(diǎn)。等特點(diǎn)。 半導(dǎo)體應(yīng)變式使用時(shí)還要注意以下特性：半導(dǎo)體應(yīng)變式使用時(shí)還要注意以下特性： 1）電阻）電阻應(yīng)變特性。應(yīng)變大時(shí)具有非線性。應(yīng)變特性。應(yīng)變大時(shí)具有非線性。 2）電阻）電阻溫度特性。受溫度影響大，必須有溫度補(bǔ)償。溫度特性。受溫度影響大，必須有溫度補(bǔ)償。 3）靈敏度系數(shù)）靈敏度系數(shù)溫度特性。溫度特性。1. 工作原理工作原理 半導(dǎo)體材料一般是各向異性材料，壓阻系數(shù)與晶向有半導(dǎo)體材料一般是各向異性材料，壓

48、阻系數(shù)與晶向有關(guān)。當(dāng)受到任意方向的應(yīng)力后，擴(kuò)散型電阻相對(duì)變化為：關(guān)。當(dāng)受到任意方向的應(yīng)力后，擴(kuò)散型電阻相對(duì)變化為：2.3.2 擴(kuò)散型壓阻式傳感器擴(kuò)散型壓阻式傳感器 將將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。型層，裝上引線接點(diǎn)后，即形成擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。以此為敏感元件制成的傳感器稱為以此為敏感元件制成的傳感器稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感器擴(kuò)散型壓阻式傳感器。(2.80) ttllRR式中：式中： l -縱向壓阻系數(shù)；縱向壓阻系數(shù)； t -橫向壓阻系數(shù)；橫向壓阻系數(shù)； l -縱向應(yīng)力；縱向應(yīng)力； t -橫向應(yīng)力。橫向應(yīng)力。2()ABCADCtRRRR所以所以 12ABCADCIII此時(shí)，電橋的輸出為：此時(shí)，電橋的輸出為： 整理后得：整理后得：011()()22BDTT