ch2電阻應(yīng)變式傳感器

1、1第二章第二章 電阻式傳感器原理與應(yīng)用電阻式傳感器原理與應(yīng)用2傳感器的定義及其重要性傳感器的定義及其重要性 1.1.傳感器（傳感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定義）的定義裝置或器件裝置或器件 能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可能感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。用輸出信號的器件或裝置。輸入輸入x輸出輸出y感受規(guī)定的被測量感受規(guī)定的被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換可用輸出信號可用輸出信號傳感器通常由傳感器通常由敏感元件敏感元件和和轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件組成。組成。3 壓 力 作 用 膜片形變（應(yīng)變） 應(yīng)變片電阻改變

2、敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件4輔助電源敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量敏感元件是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量?；巨D(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。2.2.傳感器的組成傳感器的組成5外界刺激人的五官傳感器大腦計算機骨骼和肌肉執(zhí)行機構(gòu)神經(jīng)機器人通訊神經(jīng)通訊現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：信息采集、傳輸與處理技術(shù)分別應(yīng)用到傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)系統(tǒng)中的 “感官”、“神經(jīng)”、“大腦”61) 高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性高靈敏度

3、、線性、抗干擾的穩(wěn)定性(對噪聲不敏感對噪聲不敏感)、容易、容易 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)(校準(zhǔn)簡易校準(zhǔn)簡易) 2) 高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長(耐用性耐用性) 高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響(熱、振動、熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃酸、堿、空氣、水、塵埃)的能力的能力4) 選擇性、安全性選擇性、安全性(傳感器應(yīng)是無污染的傳感器應(yīng)是無污染的)、互換性、低成本、互換性、低成本5) 寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度范圍寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強度、寬工作溫度范圍3.3.傳感器性能的基本要求傳感器

4、性能的基本要求7一是不斷提高和改善現(xiàn)有傳感器的性能；一是不斷提高和改善現(xiàn)有傳感器的性能；二是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)掘新效應(yīng)，重點研究傳感器的新材二是開展基礎(chǔ)研究，發(fā)掘新效應(yīng)，重點研究傳感器的新材料和新工藝；料和新工藝；三是實現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化與智能化。三是實現(xiàn)傳感器的集成化、多功能化與智能化。 傳感器作為信息的源頭，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域傳感器作為信息的源頭，廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域科科技進步的推動力。技進步的推動力。目前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：目前，傳感器技術(shù)的主要發(fā)展動向：4.4.傳感器的發(fā)展趨勢傳感器的發(fā)展趨勢81) 差動技術(shù)差動技術(shù)提高靈敏度、改善非線性誤差、減小外界干提高靈敏度、改善非線

5、性誤差、減小外界干擾擾(溫度、電源、噪聲等溫度、電源、噪聲等)影響。影響。2) 平均技術(shù)平均技術(shù)若干個傳感單元同時感受被測量，輸出為平若干個傳感單元同時感受被測量，輸出為平均值，有效減小誤差，提高靈敏度。均值，有效減小誤差，提高靈敏度。3) 補償與修正技術(shù)補償與修正技術(shù)軟件或硬件等。軟件或硬件等。4) 屏蔽、隔離與干擾抑制屏蔽、隔離與干擾抑制5) 穩(wěn)定性處理穩(wěn)定性處理傳感器是長期測量或反復(fù)使用的器件。傳感器是長期測量或反復(fù)使用的器件。 改善傳感器性能的技術(shù)途徑：改善傳感器性能的技術(shù)途徑：91) 利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理，利用物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理，是研

6、究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。是研究開發(fā)新型傳感器的基礎(chǔ)。2) 傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開發(fā)新材料的趨傳感器材料是傳感器技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開發(fā)新材料的趨勢包括從單晶體到多晶體、非晶體；從單一型到復(fù)合勢包括從單晶體到多晶體、非晶體；從單一型到復(fù)合材料；原子（分子）型材料的人工合成。如半導(dǎo)體、陶材料；原子（分子）型材料的人工合成。如半導(dǎo)體、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。3) 隨著集成電路工藝發(fā)展起來的微機械加工技術(shù)是開發(fā)新隨著集成電路工藝發(fā)展起來的微機械加工技術(shù)是開發(fā)新型傳感器的新工藝。例如濺射、蒸鍍、等離子體刻蝕、化型傳感器的新工藝。例如濺射、蒸鍍、等離

7、子體刻蝕、化學(xué)氣體淀積（學(xué)氣體淀積（CVD）、外延、擴散、腐蝕、光刻等）、外延、擴散、腐蝕、光刻等 發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象、新材料、新工藝：發(fā)現(xiàn)并利用新現(xiàn)象、新材料、新工藝：101) 集成化包括兩種形式：集成化包括兩種形式：一是同一功能的多元件并列化，如一是同一功能的多元件并列化，如CCD圖象傳感器。圖象傳感器。另一個是多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫另一個是多功能一體化，即將傳感器與放大、運算以及溫度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。度補償?shù)拳h(huán)節(jié)一體化，組裝成一個器件。2) 將幾種不同的傳感器組合在一起，同時測量幾種不同將幾種不同的傳感器組合在一起，同時測量幾種不同被測參數(shù)。例如溫、氣、

8、濕三功能陶瓷傳感器被測參數(shù)。例如溫、氣、濕三功能陶瓷傳感器3) 智能化智能化(Smart Sensor)帶有微處理器并兼有檢測和帶有微處理器并兼有檢測和信息處理功能。信息處理功能。4) 研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。 傳感器的集成化、多功能化與智能化：傳感器的集成化、多功能化與智能化：112.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 2.1.3 測量電路測量電路2.1.4 2.1.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用12 是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)原理，通過應(yīng)變片和彈性元件將機械構(gòu)件

9、是根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)原理，通過應(yīng)變片和彈性元件將機械構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進行電量測量的裝置。的應(yīng)變或應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進行電量測量的裝置。 其基本構(gòu)成如下圖所示。其基本構(gòu)成如下圖所示。應(yīng)變效應(yīng)：應(yīng)變效應(yīng)： 導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著變化，這種現(xiàn)象稱為阻值也將隨著變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變式傳感器：應(yīng)變式傳感器：2.1.1 工作原理工作原理彈性元件彈性元件彈性元件：彈性元件：具有彈性形變特性的物體。具有彈性形變特性的物體。彈性形變：彈性形變：當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形

10、狀當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀 的應(yīng)變。的應(yīng)變。13案例：案例：振動式地音入侵探測器振動式地音入侵探測器 適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。14應(yīng)變片受力拉伸應(yīng)變片受力拉伸應(yīng)變片受力壓縮應(yīng)變片受力壓縮工作原理工作原理15 設(shè)有一根金屬電阻絲，其變形前后的情況如下圖所示。未受設(shè)有一根金屬電阻絲，其變形前后的情況如下圖所示。未受外力作用時，其電阻值為外力作用時，其電阻值為()lRs式中式中電阻系數(shù)（電阻系數(shù)（mmmm2 2/m/m）電阻絲長度（電阻絲長度（m m）l電阻絲截面

11、積（電阻絲截面積（mmmm2 2）s 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化16 在外力在外力F F作用下，設(shè)沿電阻絲軸向作用力為均勻應(yīng)力，則其作用下，設(shè)沿電阻絲軸向作用力為均勻應(yīng)力，則其長度變化長度變化dldl，截面變化，截面變化dsds，半徑變化，半徑變化drdr，電阻系數(shù)變化，電阻系數(shù)變化 ，從，從而引起阻值變化而引起阻值變化dRdR。d 對式對式 全微分便可得它們之間的關(guān)系：全微分便可得它們之間的關(guān)系：lRs2()lldRdldsdsssdldsdRls 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化dRdldsdRls可得：可得：17上式即可變換為上式即可變換為dRdldsdRl

12、s22srdsrdr又由于又由于所以所以2dsdrsr2dRdldrdRlr定義定義1 1：電阻絲的軸向相對伸長即電阻絲的軸向相對伸長即軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變。電阻絲的徑向相對伸長即電阻絲的徑向相對伸長即徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變。微應(yīng)變（微應(yīng)變（）ldlxrdry18 根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)電阻絲沿軸向伸長時，必然會引起徑向根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)電阻絲沿軸向伸長時，必然會引起徑向縮小，且軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變之間的關(guān)系為縮小，且軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變之間的關(guān)系為yx 式中式中 電阻絲材料的泊松比，對于大多數(shù)金屬材料，它電阻絲材料的泊松比，對于大多數(shù)金屬材料，它是一個常數(shù)（是一個常數(shù)（0.30.30.50.5）。）。則前式可進行

13、則前式可進行如下化簡：如下化簡：xyxxxdRdldrdd=-2+= -2 +Rlrd= + 2 +d= (1+ 2) +19當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值會發(fā)生變化。當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值會發(fā)生變化。(12)xdRdR 電阻變化電阻變化(12)x d電阻絲幾何尺寸變化引起；電阻絲幾何尺寸變化引起；電阻絲電阻率變化引起。電阻絲電阻率變化引起。對于大多數(shù)金屬電阻絲材料，電阻絲電阻率基本不變：對于大多數(shù)金屬電阻絲材料，電阻絲電阻率基本不變：xdR= (1 + 2)R電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)200(12 )xxdR RdK 定義定義2 2：應(yīng)變靈敏系數(shù)：應(yīng)

14、變靈敏系數(shù) 表示應(yīng)變片發(fā)生單位表示應(yīng)變片發(fā)生單位軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變時所引起的電阻值的相對變化。時所引起的電阻值的相對變化。0K金屬材料金屬材料0 xRKR上式的物理意義：上式的物理意義：加載后測量電阻的變化，即金屬絲電阻相加載后測量電阻的變化，即金屬絲電阻相對變化應(yīng)與軸向應(yīng)變成正比。對變化應(yīng)與軸向應(yīng)變成正比。01 2K 一般取值為一般取值為1.61.62 2（常數(shù)）（常數(shù)）因為因為K K0 0為常數(shù)，得下式所示的增量形式：為常數(shù)，得下式所示的增量形式：21半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng) 當(dāng)一塊半導(dǎo)體的某一軸向受到外力作用時，電阻率會發(fā)生當(dāng)一塊半導(dǎo)體的某一軸向受到外力作用時，電阻率會

15、發(fā)生相應(yīng)的變化，這種能反應(yīng)應(yīng)變大小的現(xiàn)象，稱為相應(yīng)的變化，這種能反應(yīng)應(yīng)變大小的現(xiàn)象，稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。 由于半導(dǎo)體由于半導(dǎo)體( (如單晶硅如單晶硅) )是是各向異性材料各向異性材料，因此它的壓阻，因此它的壓阻效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和效應(yīng)不僅與摻雜濃度、溫度和材料類型有關(guān)，還與材料類型有關(guān)，還與晶向晶向有關(guān)有關(guān)( (即對晶體的不同方向上施加力即對晶體的不同方向上施加力時，其電阻的變化方式不同時，其電阻的變化方式不同) )。(12)xdRdR 前面推導(dǎo)得：前面推導(dǎo)得：22 又有又有/ed或者表示為或者表示為/exdEe半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)沿半導(dǎo)體小條軸向的應(yīng)力沿半導(dǎo)體小條

16、軸向的應(yīng)力 代入，得代入，得exdR= (1 + 2 + E)R又因為又因為12e故有故有exdR( E)R（半導(dǎo)體應(yīng)變片的輸出特性）（半導(dǎo)體應(yīng)變片的輸出特性）半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：peexdR/RK= 1 + 2 + E E23半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性（與金屬應(yīng)變片相比較半導(dǎo)體應(yīng)變片的特性（與金屬應(yīng)變片相比較) )： 優(yōu)點：優(yōu)點： 靈敏度高；靈敏度高； 機械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小、頻響高；機械滯后小、橫向效應(yīng)小、體積小、頻響高； 易于集成化。易于集成化。 缺點：缺點： 溫度穩(wěn)定性能差；溫度穩(wěn)定性能差； 靈敏度分散度大；靈敏度分散度大； 較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大

17、；較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大； 機械強度低。機械強度低。241.1.金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 主要由金屬絲柵（敏感主要由金屬絲柵（敏感柵）、絕緣基片及覆蓋片三柵）、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。部分組成。 敏感柵由直徑約為敏感柵由直徑約為0.010.010.05mm0.05mm的高電阻系數(shù)的金屬絲彎曲而成柵狀，的高電阻系數(shù)的金屬絲彎曲而成柵狀，用粘合劑將其固定在基片上；用粘合劑將其固定在基片上； 基片應(yīng)保證將試件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去，因此必須做得很基片應(yīng)保證將試件上的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去，因此必須做得很薄，一般為薄，一般為0.030.030.06mm0.06mm

18、，并且基片應(yīng)有良好的絕緣、抗潮和耐熱性能；，并且基片應(yīng)有良好的絕緣、抗潮和耐熱性能； 引線一般由引線一般由0.10.10.2mm0.2mm的低阻鍍錫銅絲制成。的低阻鍍錫銅絲制成。2.2.金屬電阻應(yīng)變片的規(guī)格金屬電阻應(yīng)變片的規(guī)格絲柵長度絲柵長度l 稱為稱為標(biāo)距標(biāo)距或或工作基長工作基長；絲柵寬度絲柵寬度b b 稱為稱為基寬基寬。lb 稱為稱為使用面積使用面積。 應(yīng)變片的應(yīng)變片的規(guī)格規(guī)格以使用面積表示，常用的有以使用面積表示，常用的有123mm2、115mm2。應(yīng)變片的阻值以。應(yīng)變片的阻值以120最為常用。最為常用。結(jié)構(gòu)與種類結(jié)構(gòu)與種類25金屬電阻應(yīng)變片的構(gòu)造與規(guī)格金屬電阻應(yīng)變片的構(gòu)造與規(guī)格26特點

19、：特點：蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式取代的趨勢；蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式取代的趨勢； 價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。蠕變?nèi)渥?.3.金屬電阻應(yīng)變片的種類金屬電阻應(yīng)變片的種類根據(jù)制作方法，金屬應(yīng)變片可以分為三類：根據(jù)制作方法，金屬應(yīng)變片可以分為三類：1）電阻絲式應(yīng)變片：電阻絲式應(yīng)變片：金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)。將一根。將一根高電阻率金屬絲繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間高電阻率金屬絲繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間并引出導(dǎo)線構(gòu)成。并引出導(dǎo)線構(gòu)成。金屬材料長期在不變的溫度和不變的應(yīng)力金屬材料長期在不變

20、的溫度和不變的應(yīng)力作用下發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象。作用下發(fā)生緩慢的塑性變形的現(xiàn)象。272）金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片：目前使用較為廣泛。目前使用較為廣泛。利用照相制版或利用照相制版或光刻技術(shù)，將厚約為光刻技術(shù)，將厚約為0.0030.0030.01mm0.01mm的金屬箔片制成敏感柵。的金屬箔片制成敏感柵。特點：特點：應(yīng)變片與基片的接觸面積大，散熱條件好；應(yīng)變片與基片的接觸面積大，散熱條件好；在長時間測量時蠕變較小；在長時間測量時蠕變較??； 線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好，傳遞試件應(yīng)變性線條均勻、尺寸準(zhǔn)確、阻值一致性好，傳遞試件應(yīng)變性好。好。3.3.金屬電阻應(yīng)變片的種類金屬電阻應(yīng)變片的種類

21、28金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計293）薄膜薄膜式應(yīng)變片式應(yīng)變片：敏感柵是以蒸鍍或濺射法沉積的金屬、敏感柵是以蒸鍍或濺射法沉積的金屬、合金薄膜制成的，其厚度一般在合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1m0.1m以下。以下。特點：特點：靈敏系數(shù)高，散熱性好，允許通過比粘貼式應(yīng)變片更大靈敏系數(shù)高，散熱性好，允許通過比粘貼式應(yīng)變片更大的工作電流，并可獲得更高的輸出和更佳的穩(wěn)定性；的工作電流，并可獲得更高的輸出和更佳的穩(wěn)定性； 當(dāng)傳感器的當(dāng)傳感器的彈性體很薄、尺寸很小彈性體很薄、尺寸很小時，采用箔式應(yīng)變片時，采用箔式應(yīng)變片會由于基底材料和粘結(jié)劑的存在而對傳感器特性（如蠕會由于基底材料和粘結(jié)劑的存在而對傳感器特性（

22、如蠕變、滯后等）產(chǎn)生不利的影響，若采用變、滯后等）產(chǎn)生不利的影響，若采用薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片則則可在很大程度上克服這些缺點?？稍诤艽蟪潭壬峡朔@些缺點。3.3.金屬電阻應(yīng)變片的種類金屬電阻應(yīng)變片的種類302.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用311）幾何尺寸：）幾何尺寸：柵長、柵寬、基底長、基底寬柵長、柵寬、基底長、基底寬主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)2）應(yīng)變片電阻值）應(yīng)變片電阻值 指應(yīng)變片在沒有安裝也不受外力的情況下，于室溫時測定指應(yīng)變片在沒有安裝也不受外力的情況下，于室溫時測定的電阻值。如的

23、電阻值。如60、120、200、350、600、1000。3）靈敏系數(shù)）靈敏系數(shù)RRK32 4）橫向效應(yīng)）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變x，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度y 電阻 K (箔式應(yīng)變片)yxy334）橫向效應(yīng)系數(shù)：）橫向效應(yīng)系數(shù)：橫向靈敏度：橫向靈敏度：當(dāng)應(yīng)變片的縱軸垂直于單向應(yīng)變方向安裝當(dāng)應(yīng)變片的縱軸垂直于單向應(yīng)變方向安裝時，有時也會觀測到微小的電阻變化，此時所產(chǎn)生的電阻變時，有時也會觀測到微小的電阻變化，此時所產(chǎn)生的電阻變化率與所加的橫向應(yīng)變之比。化率與所加的橫向應(yīng)變之比。橫向效應(yīng)系數(shù)：橫向效應(yīng)系數(shù)：在同一單向應(yīng)變作用下，應(yīng)變片的橫向在同一單向應(yīng)變作用下

24、，應(yīng)變片的橫向靈敏度與縱向靈敏度之比。靈敏度與縱向靈敏度之比。敏感柵端部的橫柵越窄而柵長越長的應(yīng)變片，其橫向效敏感柵端部的橫柵越窄而柵長越長的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)系數(shù)越小，由橫向效應(yīng)引起的測量誤差也越小。應(yīng)系數(shù)越小，由橫向效應(yīng)引起的測量誤差也越小。345）應(yīng)變極限：）應(yīng)變極限：指對于已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定時，指示應(yīng)變和真指對于已安裝的應(yīng)變片，在溫度恒定時，指示應(yīng)變和真實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定數(shù)值的最大真實應(yīng)變值。實應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定數(shù)值的最大真實應(yīng)變值。6）最大工作電流：）最大工作電流：指對于已安裝的應(yīng)變片，允許通過敏感柵而不影響其工指對于已安裝的應(yīng)變片，允許通過敏感柵而不影響其工作

25、特性的最大電流值。作特性的最大電流值。最大工作電流主要取決于散熱條件。最大工作電流主要取決于散熱條件。7）極限工作溫度：）極限工作溫度：指應(yīng)變片在規(guī)定的條件下，能保持其工作特性不變或在指應(yīng)變片在規(guī)定的條件下，能保持其工作特性不變或在允許范圍內(nèi)變化的最高溫度或最低工作溫度。允許范圍內(nèi)變化的最高溫度或最低工作溫度。35應(yīng)變片由于溫度變化所引起的電阻變化與試件應(yīng)變片由于溫度變化所引起的電阻變化與試件（彈性元件）應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同（彈性元件）應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，如果不采取措施克服溫度的影響，測的數(shù)量級，如果不采取措施克服溫度的影響，測量精度將無法保證。量精度將無法保證。

26、由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度而給測量帶來的附加誤差，由于測量現(xiàn)場環(huán)境溫度而給測量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。稱為應(yīng)變片的溫度誤差。溫度誤差及其補償 36（1 1）. .溫度誤差溫度誤差1) 電阻溫度系數(shù)的影響電阻溫度系數(shù)的影響 敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0（1+t） 式中式中: Rt溫度為溫度為 t 時的電阻值時的電阻值; R0溫度為溫度為t0時的電阻值時的電阻值; 應(yīng)變絲的電阻溫度系數(shù)應(yīng)變絲的電阻溫度系數(shù); t溫度變化值溫度變化值, t=t -t0。 當(dāng)溫度變化當(dāng)溫度變化t時時, 電阻絲電阻的變化值為電阻絲電阻

27、的變化值為 Rt=Rt- R0= R0t 372) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時, 不論環(huán)境溫度不論環(huán)境溫度如何變化如何變化, 電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣, 不會產(chǎn)生附加變不會產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時形。當(dāng)試件和電阻絲線膨脹系數(shù)不同時, 由于環(huán)境溫度的變化由于環(huán)境溫度的變化, 電阻絲會產(chǎn)生附加變形電阻絲會產(chǎn)生附加變形, 從而產(chǎn)生附加電阻。從而產(chǎn)生附加電阻。 設(shè)電阻絲和試件在溫度為設(shè)電阻絲和試件在溫度為0時的長度均為時的長度均

28、為l0，它們的線，它們的線膨脹系數(shù)分別為膨脹系數(shù)分別為s和和g, 若兩者不粘貼若兩者不粘貼, 則它們的長度分別為則它們的長度分別為ls= l0（1+st）lg= l0（1+gt）38 當(dāng)二者粘貼在一起時當(dāng)二者粘貼在一起時, 電阻絲產(chǎn)生的附加變形電阻絲產(chǎn)生的附加變形l, 附加應(yīng)附加應(yīng)變變 和附加電阻變化和附加電阻變化R分別為分別為l= lg - ls =（g-s）l0t=l/l0=（g-s）tRt= R0K=R0 K (g-s)t則由于溫度變化引起的總電阻相對變化為則由于溫度變化引起的總電阻相對變化為:tttgs00R + RR= t + K( - )tRR若折合成應(yīng)變量若折合成應(yīng)變量t，則有：

29、，則有：t0tgsR /Rt =+( - )tKK39溫度補償 單絲自補償法 自補償法 組合式自補償法 線路補償法電橋補償法、熱敏電阻溫度補償 40（2) 溫度補償方法溫度補償方法電橋補償法電橋補償法電電 橋橋 補補 償償 法法41 電橋補償法電橋補償法 U0R1R4R3URb0143()BUA R RR R42 電橋補償法電橋補償法 FFR1Rb01143()()0tBBtUA RRRRRR KRARRRRRRRRAUBtBt41341110)()(43若實現(xiàn)完全補償若實現(xiàn)完全補償, , 上述過程必須滿足四個條件上述過程必須滿足四個條件: : 在應(yīng)變片工作過程中在應(yīng)變片工作過程中, , 保證

30、保證R R3 3=R=R4 4。 R R1 1和和R RB B兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)兩個應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù), , 線膨線膨脹系數(shù)脹系數(shù), , 應(yīng)變靈敏度系數(shù)應(yīng)變靈敏度系數(shù)K K和初始電阻值和初始電阻值R R0 0。 粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣必須一樣, , 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)處于同一溫度場。兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場。 電橋補償法電橋補償法44電橋補償法 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單、方便，在常溫下補償效果較好簡單、方便，在常溫下補償效果較好 缺點：缺點：在溫度變化梯度較大

31、的條件下，很難做到工作在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。響補償效果。45 應(yīng)變片的自補償法 粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片稱為溫度自補償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實現(xiàn)溫度補為溫度自補償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補償法。償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補償法。a. 選擇式自補償應(yīng)變片選擇式自補償應(yīng)變片b. 雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片雙金屬

32、敏感柵自補償應(yīng)變片 46a.選擇式自補償應(yīng)變片 優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。 由式由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為 當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)g已知時，通過選擇敏感柵材料，已知時，通過選擇敏感柵材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康摹?)(0tKtsgt)(0sgK47R1R2組合自補償法b. 雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片 敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成。 選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生

33、的電阻變化滿足 t2t1)()(RR通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償，可達(dá)0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR48熱敏電阻補償 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻分流電阻 UURt U = Ui - URtK492.1 應(yīng)變式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3 測量電路測量電路2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用502.1.3 電阻應(yīng)變片的測量電路 1 1 直流電橋直流電橋2 2 非線性誤差及其補償非線性誤差及其補償 511. 直流電橋 直流電橋的工作原理 1423LL1234123434

34、12-()()()()R R R RIURRRRRR R RRR R RR 時電橋平衡平衡條件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRLL0I 52 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度當(dāng)電橋后面接放大器時當(dāng)電橋后面接放大器時, 電橋輸出端看成開路。電橋輸出端看成開路。電橋的輸出電壓為：電橋的輸出電壓為： URRRRRRRRU)(432132410應(yīng)變片工作時，其電阻變化應(yīng)變片工作時，其電阻變化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU53采用等臂電橋，即采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R 。此時式。此時

35、式(2.1.24)可寫為可寫為)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU當(dāng)當(dāng)Ri R ( i=1,2,3,4) 時，略去上式中的高階微小量，則時，略去上式中的高階微小量，則 RRRRRRRRUU432104432104UKU54上式表明：Ri(1+)，故(1+)項可以忽略llERR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 ERRKl/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912.2 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)變片體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.

36、2.3 擴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 測量橋路及溫度補償922.2.2 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 結(jié)構(gòu)型式及特點 測量電路 931. 結(jié)構(gòu)型式及特點 主要優(yōu)點主要優(yōu)點 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 942. 測量電路 恒壓源 恒流源)/(0tRRRUURIU0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)境溫度的變化對其沒有影響。95由于半導(dǎo)體應(yīng)變片是采用粘貼的方法安裝在彈性元件上的，存在著零點漂移和蠕變，用它制成的傳感器的長期穩(wěn)定性差。962.2 壓

37、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 擴散型壓阻式壓力傳感器擴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 測量橋路及溫度補償972.2.3 擴散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖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 98工作原理：工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。 四個電阻在應(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。 四個電阻的配置位置四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r

38、和切向應(yīng)力t的分布情況確定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。 99擴散型壓阻式壓力傳感器特點 優(yōu)點優(yōu)點: 體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。 測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻測量準(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非線性和溫度進行式壓力傳感器利用微處理器對非線

39、性和溫度進行補償。補償。 1002.2 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 擴散型壓阻式壓力傳感器2.2.4 壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器2.2.5 測量橋路及溫度補償1012.2.4 壓阻式加速度傳感器 它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個擴散電阻擴散在其根部兩面散在其根部兩面 。擴散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a1022.2 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 測量橋路及溫度補償測量橋路及溫度補償103

40、2.2.5 測量橋路及溫度補償 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。 減少與補償誤差措施 1. 恒流源供電電橋 2. 零點溫度補償 3. 靈敏度溫度補償1041. 恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動電路 假設(shè)RT為溫度引起的電阻變化 IIIADCABC21電橋的輸出為RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210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)，因此測量不受溫度的影響。1052.溫度漂移及其補償UR1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化，將引起零漂零漂和靈敏度漂移靈敏度漂移 零 漂： 擴散電阻值

41、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106零點溫度漂移零點溫度漂移是由是由4個擴散電阻的阻值及其溫度系個擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻的方法進行數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻的方法進行補償。補償。串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用，起調(diào)零作用，并聯(lián)電阻并聯(lián)電阻RP起補償作用，起補償作用，采用負(fù)溫度系數(shù)且阻值較大的熱敏電阻。采用負(fù)溫度系數(shù)且阻值較大的熱敏電阻。適當(dāng)選擇二者的數(shù)值，可以使電橋失調(diào)為零，而且適當(dāng)選擇二者的數(shù)值，可以使電橋失調(diào)為零，而且在調(diào)零之后溫度變化原則上不會引起零點漂移。在調(diào)零之后溫度變化原則上不

42、會引起零點漂移。107應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器由應(yīng)變式傳感器由彈性體彈性體和和電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片這兩個基本組成部分構(gòu)成。這兩個基本組成部分構(gòu)成。一、構(gòu)成原理一、構(gòu)成原理彈性體彈性體直接感受被測量，并將被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成直接感受被測量，并將被測量按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成粘貼應(yīng)變片部位的應(yīng)變。粘貼應(yīng)變片部位的應(yīng)變。應(yīng)變片應(yīng)變片通過敏感柵感受相同的應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電通過敏感柵感受相同的應(yīng)變并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻變化，采用適當(dāng)?shù)臏y量電路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓（或阻變化，采用適當(dāng)?shù)臏y量電路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓（或電流）變化。電流）變化。108 直流電橋的工作原理直流電橋的工作原

43、理輸出輸出平衡條件平衡條件工作時，各橋臂阻值變化，則輸出電壓工作時，各橋臂阻值變化，則輸出電壓U U0 000定義定義電橋的靈敏度電橋的靈敏度為：為：實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，通常最大靈敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0R1=R2=R3=R4=R0, ,即為即為等臂電橋等臂電橋. .二、測量橋路二、測量橋路109a)a)半橋單臂半橋單臂 b) b)半橋雙臂半橋雙臂 c) c)全橋全橋半橋單臂：半橋單臂：二、測量橋路二、測量橋路 直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式110輸出電壓為輸出電壓為通常通常RR半橋

44、雙臂：半橋雙臂：全橋雙臂：全橋雙臂：1111 1）不同的接橋方式具有不同的電橋靈敏度，盡量采用）不同的接橋方式具有不同的電橋靈敏度，盡量采用半橋雙半橋雙臂臂或或全橋全橋方式。方式。在在RR0 0RR0 0條件下，電橋的輸出與條件下，電橋的輸出與RR0 0/R/R0 0成正比；成正比；全橋接法可以獲得最大的輸出，其靈敏度為半橋單臂接法全橋接法可以獲得最大的輸出，其靈敏度為半橋單臂接法的的4 4倍。倍。電橋的工作特性電橋的工作特性1122 2）電橋的和差特性）電橋的和差特性全橋接法：全橋接法：4 4橋臂均為工作應(yīng)變片橋臂均為工作應(yīng)變片相鄰橋臂：相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變差有關(guān)；

45、應(yīng)變極性相同時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變差有關(guān)；應(yīng)變極性相反時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變和有關(guān)。應(yīng)變極性相反時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變和有關(guān)。相對橋臂：相對橋臂：輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系和相鄰橋臂正好相反。輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系和相鄰橋臂正好相反。電橋的工作特性電橋的工作特性113由交流電路分析可得：由交流電路分析可得：交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件111111111111/RjwCRjwCRjwCRCRZ 443322221RZRZRjwCRZ ioUZZZZZZZZU.43213241.)( 要滿足交流條件，需有：要滿足交流條件，需有：03241 ZZZZ2232114111CjwRRRCjwRRR

46、 化簡可得：化簡可得：則可得交流電橋的平衡條件：則可得交流電橋的平衡條件：21123412CCRRRRRR 114三、技術(shù)特性三、技術(shù)特性（一）靜態(tài)特性（一）靜態(tài)特性1.1.線性度線性度 在規(guī)定條件下所在規(guī)定條件下所得到的傳感器校準(zhǔn)曲得到的傳感器校準(zhǔn)曲線與其理論擬合直線線與其理論擬合直線之間的最大偏差。之間的最大偏差。%100 nLL 1152.2.遲滯遲滯 在測量循環(huán)的上在測量循環(huán)的上行程與下行程施加同行程與下行程施加同一輸入信號時，傳感一輸入信號時，傳感器輸出讀數(shù)之間的最器輸出讀數(shù)之間的最大差值。大差值。%100 nHH 1163.3.重復(fù)性重復(fù)性 表示傳感器在相表示傳感器在相同的環(huán)境條件下，輸同的環(huán)境條件下，輸入量按同一行程作全入量按同一行程作全量程連續(xù)多次變動時量程連續(xù)多次變動時所得特性曲線不一致所得特性曲線不一致的程度。的程度。%100 nRR 1174.4.靈敏度允差靈敏度允差 單位激勵電壓時的傳感器額定輸出被定義為單位激勵電壓時的傳感器額定輸出被定義為應(yīng)變式傳應(yīng)變式傳感器的輸出靈敏度。感器的輸出靈敏度。%100 inUS 靈