第2章 應(yīng)變式傳感器(4)

1、 電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。式、剪切式。 應(yīng)變式傳感器特征：應(yīng)變式傳感器特征： 材料類型材料類型: :金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: :應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度； 優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn): :使用簡單、精度高、范圍大體積小。使用簡單、精度高、范圍大體積小。 各種電子秤各種電子

2、秤廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于高高 精精 度度 電電 子子 汽汽 車車 衡衡 動(dòng)態(tài)電子秤動(dòng)態(tài)電子秤電子天平電子天平lRSRlSRlS結(jié)論：金屬材料的結(jié)論：金屬材料的 主要受主要受影響；非金屬材料主要受影響；非金屬材料主要受影響！影響！0/12RRk LLLLLLpRR)21()21(設(shè)0)21(KLLpRRRR/(12 ) 1敏感元件 2、4基底 3引線應(yīng)變片組成應(yīng)變片組成 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1 應(yīng)變片的檢查與選擇應(yīng)變片的檢查與選擇2 試件的表面處理試件的表面處理3 底層處理底層處理4 貼片貼片5 固化固化6 粘貼質(zhì)量檢查粘貼質(zhì)量檢查7 引線焊接與組橋連接引線焊接與組橋連

3、接v 半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耗電少、有正負(fù)兩種應(yīng)力效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、耗電少、有正負(fù)兩種應(yīng)力效應(yīng)。 缺點(diǎn)：受溫度影響較大。缺點(diǎn)：受溫度影響較大。 l 半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻 率率的變化；靈敏系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。的變化；靈敏系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 012KE050100K 對半導(dǎo)體對半導(dǎo)體 0/12/R RK 已知固體受力引起的電阻變化為：已知固體受力引起的電阻變化為： 按材料分：按材料分： 金屬式：金屬式： 絲式、箔式、薄膜型絲式、箔式、薄膜型 半導(dǎo)體式

4、：半導(dǎo)體式： 體型體型、薄膜型、擴(kuò)散型、外延型、薄膜型、擴(kuò)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 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片對比對比 半導(dǎo)體 壓阻效應(yīng) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電阻率變化 金屬導(dǎo)體 電阻效應(yīng) 機(jī)械形變 電阻值變化 性能指標(biāo)性能指標(biāo)使用面積電阻值靈敏度系數(shù)基底材料和形式最大允許工作電流極限溫度電阻溫度系數(shù)靈敏度溫度系數(shù)應(yīng)變極限動(dòng)態(tài)特性被測體應(yīng)變片應(yīng)變片 應(yīng)變片溫度誤差。應(yīng)變片溫度誤差。v 因環(huán)境溫度改變引起的附加電阻變化與環(huán)境溫因環(huán)境溫度改變引起

5、的附加電阻變化與環(huán)境溫 度變化度變化tt有關(guān)；有關(guān)； v 應(yīng)變片本身的性能參數(shù)應(yīng)變片本身的性能參數(shù)t t、ss； v 試件參數(shù)試件參數(shù)gg有關(guān)。有關(guān)。電阻絲阻值與溫度關(guān)系：電阻絲阻值與溫度關(guān)系： 0001tttRRtRRt0tgsRRKt因試件使應(yīng)變片電阻產(chǎn)生附加形變造成的電阻變化因試件使應(yīng)變片電阻產(chǎn)生附加形變造成的電阻變化00tttRRRRt溫度變化溫度變化tt時(shí)電阻絲的電阻變化時(shí)電阻絲的電阻變化當(dāng)溫度變化時(shí)當(dāng)溫度變化時(shí) RR1 1=R=RB B，電橋平衡，電橋平衡， 當(dāng)有應(yīng)變時(shí)當(dāng)有應(yīng)變時(shí) R R1 1有增量有增量, ,正比于正比于KK， 補(bǔ)償片補(bǔ)償片R RB B無變化無變化 RRB B=0

6、 =0 電橋輸出電橋輸出 U U0 0與溫度無關(guān)與溫度無關(guān) 雙絲法雙絲法 R1、R2 溫度系數(shù)互補(bǔ) 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件 負(fù)載負(fù)載R RL L（開路）（開路） 3101234RRRUERRRRR 1423R RR R1234/RRRR電橋平衡時(shí)電橋平衡時(shí) I I0 0=0 U=0 U0 0=0=0 對臂積相等對臂積相等 鄰臂比相等鄰臂比相等 設(shè)設(shè)R R1 1為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)為應(yīng)變片，應(yīng)變時(shí)R R1 1變化量為變化量為RR1 1， 這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為：這時(shí)電橋失衡，不平衡輸出電壓為： 3101234RRRUERRRRR 4311112143(/)(/)(1/) 1/RRR

7、RERRRRRR21unkEn電橋靈敏度定義為：電橋靈敏度定義為： 11/RR0211nRUERn電橋輸出：電橋輸出：在分母在分母中忽略中忽略設(shè)設(shè) n=R2/R1=R4/R3即即 R1 R1討論：討論： 電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度KuKu越大，越大， 應(yīng)變變化相同情況輸出電壓越大應(yīng)變變化相同情況輸出電壓越大 ; ; Ku Ku是橋臂比是橋臂比n n的函數(shù)的函數(shù)KuKu（n n），）， 恰當(dāng)選擇恰當(dāng)選擇n n可提高電壓靈敏度可提高電壓靈敏度Ku;Ku; Ku Ku與電橋電源與電橋電源E E成正比成正比KuEKuE， 但供電受應(yīng)變片允許功耗限制但供電受應(yīng)變片允許功耗限制; ; 討論：討論： 顯然

8、顯然 n=1 R1=R2 R3=R4時(shí)，時(shí)，Ku最大最大 210udkndndn4uEK 單臂工作片電壓靈敏度：單臂工作片電壓靈敏度： 104REUR 橋路輸出電壓：橋路輸出電壓： 等臂電橋等臂電橋n=1n=1時(shí)時(shí), , 由上式近似得到：由上式近似得到： 112LRR11011(1) (1)RnRUERnnR實(shí)際輸出值為：實(shí)際輸出值為：0011011/1/LUURRUnRR非線性誤差：非線性誤差： 可見非線性誤差與可見非線性誤差與RR1 1/R/R1 1成正比成正比 為減小非線性誤差常采用差動(dòng)電橋?yàn)闇p小非線性誤差常采用差動(dòng)電橋 u差動(dòng)電橋：在試件上安裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、差動(dòng)電橋：在試件上安

9、裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、 一個(gè)受壓接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，電橋輸出為：一個(gè)受壓接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，電橋輸出為：3110112234RRRUERRRRRR12RRR 2uEK 半橋電壓靈敏度為半橋電壓靈敏度為： 討論：討論： 輸出電壓輸出電壓U U0 0與與 R/RR/R呈線性關(guān)系，無非線性誤差；呈線性關(guān)系，無非線性誤差； 電壓靈敏度是單橋的兩倍；電壓靈敏度是單橋的兩倍； 具有溫度補(bǔ)償作用。具有溫度補(bǔ)償作用。02ERUR半橋半橋電橋輸出電橋輸出： 全橋：全橋： 將四臂按對臂同性接四個(gè)工作片稱全橋。將四臂按對臂同性接四個(gè)工作片稱全橋。 若若RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 10

10、1RUER 全橋電壓輸出：全橋電壓輸出： uKE 全橋電壓靈敏度為：全橋電壓靈敏度為： 在在 R R R1 R1時(shí)，時(shí)，U UO O與應(yīng)變成線性關(guān)系與應(yīng)變成線性關(guān)系 相鄰兩臂，方向相反相鄰兩臂，方向相反 相對兩臂，方向相同相對兩臂，方向相同 lFlESE 012RUER 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(dāng)外力當(dāng)外力F F作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng)作用在梁的自由端時(shí)，固定端產(chǎn)生的應(yīng) 變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋鹤冏畲?，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋?26 F lb hE0l26 F lb hE 殼體殼體機(jī)座機(jī)座aFR1R2m充滿硅油Fma 膜片式壓力傳感器-P28 固態(tài)壓阻式傳感器-P29 結(jié)構(gòu)特點(diǎn): 單晶硅, 4片橋路集成; 性能特點(diǎn): 靈敏度高, 固有頻率高. 基本原理基本原理: 應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng) (橫向效應(yīng)) 應(yīng)變