電阻應(yīng)變式傳感器-霍婷婷

1、0第3章 應(yīng)變式傳感器 10要求掌握要求掌握 電阻應(yīng)變傳感器的基本原理電阻應(yīng)變傳感器的基本原理 應(yīng)變應(yīng)變電阻電阻 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器：應(yīng)變半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器：應(yīng)變電阻電阻 之間的關(guān)系之間的關(guān)系 測量電路，平衡條件，輸出電壓公式推導(dǎo)測量電路，平衡條件，輸出電壓公式推導(dǎo) 測量電路的靈敏度測量電路的靈敏度 弄清：應(yīng)力弄清：應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變電阻變化電阻變化輸出之輸出之間的關(guān)系間的關(guān)系203.1 電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電阻應(yīng)變片的基本工作原理電阻應(yīng)變片的基本工作原理 1 1、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng) 2 2、電阻應(yīng)變片的結(jié)

2、構(gòu)與類型、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型第二節(jié)第二節(jié) 電阻應(yīng)變片主要特性及參數(shù)電阻應(yīng)變片主要特性及參數(shù)第三節(jié)第三節(jié) 測量電路測量電路 1 1、直流電橋、直流電橋 2 2、交流電橋交流電橋30第一節(jié)第一節(jié) 電阻應(yīng)變片的基本工作原理電阻應(yīng)變片的基本工作原理 1、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)、導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)405公式推導(dǎo)公式推導(dǎo)0可以看出可以看出,電阻值的相對變化率電阻值的相對變化率dR/R取決取決于三個基本因素于三個基本因素: (1)電阻絲的電阻率相對變化量電阻絲的電阻率相對變化量(d/)。 (2)電阻絲長度的相對變化量電阻絲長度的相對變化量(dL/L)。 (3)電阻絲截面積的相對變化量電阻絲截面積的相

3、對變化量(dA/A)。 0討論電阻絲（線材）應(yīng)變與電阻變化：討論電阻絲（線材）應(yīng)變與電阻變化：設(shè)縱向變化的相對變化量叫縱向應(yīng)變設(shè)縱向變化的相對變化量叫縱向應(yīng)變 ， = dl/l 橫向變化的相對變化量叫橫向應(yīng)變橫向變化的相對變化量叫橫向應(yīng)變 1 ， 1 = dr/r（r為半徑）為半徑） x0 dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分為電阻絲的半徑，微分后可得后可得dA=2r dr，則，則 rdrAdA2由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長，由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長， 沿徑向沿徑向縮短，縮短，

4、 令令dl/l=為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為可表示為 :ldlrdr式中式中, 為電阻絲材料的泊松比，為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 0 如果受拉，則如果受拉，則L變長，截面積變長，截面積A（A=r2）變小變小: dr/r = dA/A = 2 推導(dǎo)：推導(dǎo)：dR/R:（帶入全微分方程）（帶入全微分方程） dR/R = +2d / 0 dR/R = 2d / 或或 dR/R = dL/L 2 dL/Ld / 第一項：第一項： 因形變直接引起的電阻相對變化量因形變直接引起的電阻

5、相對變化量,常稱其為尺寸效常稱其為尺寸效應(yīng)應(yīng) 第二項：第二項： 因應(yīng)變使電阻率變化而引起的電阻相對變化量因應(yīng)變使電阻率變化而引起的電阻相對變化量,常稱常稱其為壓阻效應(yīng)其為壓阻效應(yīng) 將將 = dL/L帶入有帶入有 0金屬金屬材料靈敏系數(shù)材料靈敏系數(shù)k0靈敏系數(shù)為單位應(yīng)變所引起的電阻相對靈敏系數(shù)為單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，它受兩個因變化，它受兩個因素影響：素影響： 1.是受力后材料幾何尺寸變化所引起，是受力后材料幾何尺寸變化所引起， 即即(12 )項；項； 2.是受力后材料電阻率變化所引起的，即是受力后材料電阻率變化所引起的，即(d / )/ 項。項。 dR/R = 2d / 0電阻率變化電阻

6、率變化 電阻率變化是因材料發(fā)生變化時，其自電阻率變化是因材料發(fā)生變化時，其自由電子活動能力和數(shù)量均發(fā)生變化的緣由電子活動能力和數(shù)量均發(fā)生變化的緣故，也是因體積變化而造成的，即有故，也是因體積變化而造成的，即有: : d d / / = c dV/V = c dV/V 式中式中,c,c是一個常數(shù)，取決于材料成分是一個常數(shù)，取決于材料成分 V V為體積：為體積：V VAL AL dV/V = dA/AdV/V = dA/AdL/L dL/L = (1 = (12 2 ) dL/L) dL/L0 即即: d / = c (12 ) dL/L 帶入上式得帶入上式得: k0 = (12 )c (12 )

7、 一般金屬材料電阻絲在一定變形范圍內(nèi)，一般金屬材料電阻絲在一定變形范圍內(nèi)，約約0.30.5,k0第一項約為第一項約為1.6-2.0，第二項第二項近似為近似為0。靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)k0為常數(shù)為常數(shù)。 第一項是應(yīng)變引起第一項是應(yīng)變引起,第二項因電阻率而引起，可以忽略。第二項因電阻率而引起，可以忽略。 電阻變化反映應(yīng)力的變化。電阻變化反映應(yīng)力的變化。 0 2 2、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型1400應(yīng)變片按敏感柵的材料可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類，應(yīng)變片按敏感柵的材料可分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類，見下表：見下表：0具有初始電阻值具有初始電阻值R的（金屬）應(yīng)變絲粘貼于

8、試件表面時，試件受的（金屬）應(yīng)變絲粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化對變化R/R。實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：實(shí)驗(yàn)證明，在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系：（式（式2-12）式中： x 應(yīng)變片軸向應(yīng)變（測量的主應(yīng)變方向） K=R / (Rx) 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（應(yīng)變片包括：應(yīng)變柵、基底、粘合劑）它表示在被測試件上的應(yīng)變片，在其軸向受到單向應(yīng)力時引起的電阻相對變化（R/R），與此單向應(yīng)力引起的試件表面軸向應(yīng)變（x）之比。xKRR（1）靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) K（標(biāo)定靈敏系數(shù)）（標(biāo)定靈敏

9、系數(shù)）17第二節(jié)第二節(jié) 電阻應(yīng)變片主要特性及參數(shù)電阻應(yīng)變片主要特性及參數(shù)0必須指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)必須指出，應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 并不等于其敏感柵（金屬絲）的應(yīng)并不等于其敏感柵（金屬絲）的應(yīng)變絲靈敏系數(shù)變絲靈敏系數(shù) K0（Km、Ks），一般情況下，），一般情況下，K K0 。xKRR上述規(guī)定的標(biāo)定條件是：上述規(guī)定的標(biāo)定條件是：試件材料取泊松系數(shù)試件材料取泊松系數(shù)0= 0.285 的鋼的鋼試件單向受力試件單向受力應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力應(yīng)變片軸向與主應(yīng)力（應(yīng)變）（應(yīng)變）方向一致方向一致這是因?yàn)?，這是因?yàn)椋瑧?yīng)變片應(yīng)變片在單向力在單向力作用下作用下產(chǎn)生產(chǎn)生雙向應(yīng)變雙向應(yīng)變（軸向、橫向）（軸向、橫向），應(yīng)

10、變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響?；仔阅艿挠绊懲?，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù) K 直接關(guān)系到直接關(guān)系到應(yīng)變片的應(yīng)變片的應(yīng)變測量的精度。應(yīng)變測量的精度。因此，因此，K值通常采用從批量生產(chǎn)中抽樣，在值通常采用從批量生產(chǎn)中抽樣，在規(guī)定條件規(guī)定條件下通過實(shí)測下通過實(shí)測確定，即應(yīng)變片的標(biāo)定；故確定，即應(yīng)變片的標(biāo)定；故 K 又稱標(biāo)定靈敏系數(shù)又稱標(biāo)定靈敏系數(shù)。180yyr金屬應(yīng)變片的敏感柵通常是呈柵狀金屬應(yīng)變片的敏感柵通常是呈柵狀

11、它由軸向（直段）它由軸向（直段）縱柵縱柵和圓?。ü諒澏危┖蛨A?。ü諒澏危M柵橫柵兩部分組成兩部分組成如下圖所示如下圖所示縱柵縱柵 l0橫柵橫柵 r橫柵橫柵 ry 橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變yxx軸向應(yīng)變軸向應(yīng)變由于試件承受單向應(yīng)力由于試件承受單向應(yīng)力時，應(yīng)變片表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，時，應(yīng)變片表面處于平面應(yīng)變狀態(tài)中，即軸向（拉伸）應(yīng)變即軸向（拉伸）應(yīng)變x 和橫向（收縮）應(yīng)變和橫向（收縮）應(yīng)變y此時，應(yīng)變片感受的軸向應(yīng)變此時，應(yīng)變片感受的軸向應(yīng)變x 為其測量的主應(yīng)變?yōu)槠錅y量的主應(yīng)變（2）橫向效應(yīng)和橫向效應(yīng)系數(shù)橫向效應(yīng)和橫向效應(yīng)系數(shù) Hxxy縱柵對軸向應(yīng)變縱柵對軸向應(yīng)變x 敏感，對橫向應(yīng)變敏感，對橫向應(yīng)變y

12、 不敏感不敏感橫柵對軸向應(yīng)變橫柵對軸向應(yīng)變x 和橫向應(yīng)變和橫向應(yīng)變y 均敏感均敏感190主要在軸向應(yīng)變主要在軸向應(yīng)變x 作用下，縱柵軸向變長、徑向變細(xì)，作用下，縱柵軸向變長、徑向變細(xì)，電阻變大電阻變大。在雙向應(yīng)變，即軸向應(yīng)變在雙向應(yīng)變，即軸向應(yīng)變x、橫向應(yīng)變、橫向應(yīng)變y 的雙重作用下，橫柵半的雙重作用下，橫柵半徑變小、圓弧弧長變短（軸向變短）、徑向變粗，徑變小、圓弧弧長變短（軸向變短）、徑向變粗，電阻變小電阻變小?？v柵縱柵橫柵橫柵（式（式2-13）xxyyxxHKKKRR)1 ( 縱柵縱柵 主要感受軸向應(yīng)變主要感受軸向應(yīng)變x（縱柵受拉伸）（縱柵受拉伸）橫柵橫柵 感受橫向應(yīng)變感受橫向應(yīng)變y，同時

13、也感受軸向應(yīng)變，同時也感受軸向應(yīng)變x（雙向應(yīng)變作用下橫柵（雙向應(yīng)變作用下橫柵受壓縮）受壓縮）從而引起應(yīng)變片總電阻的相對變化為：從而引起應(yīng)變片總電阻的相對變化為：0在軸向應(yīng)變在軸向應(yīng)變x 和橫向應(yīng)變和橫向應(yīng)變y 的作用下，的作用下，橫柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量與縱柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量方向相反。橫柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量與縱柵所產(chǎn)生應(yīng)變電阻的增量方向相反。其原因就是橫向應(yīng)變其原因就是橫向應(yīng)變x 和軸向應(yīng)變和軸向應(yīng)變y 對橫柵作用的結(jié)果。對橫柵作用的結(jié)果。結(jié)論：結(jié)論：在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是在單位應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是起著抵消軸向應(yīng)變（測量

14、主應(yīng)變）所產(chǎn)生的電阻的變化作用。起著抵消軸向應(yīng)變（測量主應(yīng)變）所產(chǎn)生的電阻的變化作用。應(yīng)變片即敏感軸向應(yīng)變應(yīng)變片即敏感軸向應(yīng)變（測量主應(yīng)變）（測量主應(yīng)變） ，又同時受橫向應(yīng)變影響，使其靈敏系數(shù)及又同時受橫向應(yīng)變影響，使其靈敏系數(shù)及相對電阻比都減少的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的相對電阻比都減少的現(xiàn)象，稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。210應(yīng)變片的橫向效應(yīng)是由于本身結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的橫向效應(yīng)是由于本身結(jié)構(gòu) - 橫柵所產(chǎn)生的橫柵所產(chǎn)生的應(yīng)變片每個橫柵（拐彎段）很短，但數(shù)量較多，所有橫柵的長度占應(yīng)變片每個橫柵（拐彎段）很短，但數(shù)量較多，所有橫柵的長度占敏感柵總長度的比例較高，因此，橫柵的影響不能忽略敏感柵總長度的比例較

15、高，因此，橫柵的影響不能忽略橫柵給應(yīng)變片的測量帶來了一定的誤差橫柵給應(yīng)變片的測量帶來了一定的誤差應(yīng)設(shè)法消除橫向效應(yīng)的影響應(yīng)設(shè)法消除橫向效應(yīng)的影響應(yīng)變片橫向效應(yīng)產(chǎn)生的原因應(yīng)變片橫向效應(yīng)產(chǎn)生的原因應(yīng)變片橫向效應(yīng)的危害應(yīng)變片橫向效應(yīng)的危害橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是起著抵消橫向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化總是起著抵消軸向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化作用軸向應(yīng)變所產(chǎn)生的電阻的變化作用它減弱了應(yīng)變片的輸出信號，即電阻的相對它減弱了應(yīng)變片的輸出信號，即電阻的相對變化量變化量R/R220橫向效應(yīng)系數(shù)橫向效應(yīng)系數(shù) H式中：n 縱柵的根數(shù)l 縱柵的長度r 橫柵的半徑 推導(dǎo)過程見教材23-24頁采用短接式或直角式橫柵，使橫

16、柵圓弧半徑為零，采用短接式或直角式橫柵，使橫柵圓弧半徑為零，可以克服橫向效應(yīng)的影響?？梢钥朔M向效應(yīng)的影響。（不能完全消除，因?yàn)闄M柵依然存在）（不能完全消除，因?yàn)闄M柵依然存在） 減小橫向效應(yīng)的辦法減小橫向效應(yīng)的辦法 短接式、直角式橫柵短接式、直角式橫柵230進(jìn)一步說，它是指粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫條件下增（加載）、減進(jìn)一步說，它是指粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫條件下增（加載）、減（卸載）試件應(yīng)變的過程中，對應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量（輸出）最大（卸載）試件應(yīng)變的過程中，對應(yīng)同一機(jī)械應(yīng)變所指示應(yīng)變量（輸出）最大不同（差）值。見下圖。不同（差）值。見下圖。（3）機(jī)械滯后機(jī)械滯后 Zi （遲滯遲

17、滯）應(yīng)變片在測量時，加載和卸載過程中的靈敏度系數(shù)不一致；即在增應(yīng)變片在測量時，加載和卸載過程中的靈敏度系數(shù)不一致；即在增加或減少機(jī)械應(yīng)變的過程中，對同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片的（輸出）加或減少機(jī)械應(yīng)變的過程中，對同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片的（輸出）指示值不同，其差值即為機(jī)械滯后。指示值不同，其差值即為機(jī)械滯后。造成機(jī)械滯后的原因是造成機(jī)械滯后的原因是由于敏感柵基底和粘貼劑材料性能，由于敏感柵基底和粘貼劑材料性能，被測量過載、過熱，被測量過載、過熱，會使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余變形，會使應(yīng)變片產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致應(yīng)變片輸出不重合。導(dǎo)致應(yīng)變片輸出不重合。通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后通常在室溫條件下，要求機(jī)械滯后 Zi

18、310。實(shí)際中，可在測試前通過多次重復(fù)實(shí)際中，可在測試前通過多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減少機(jī)械滯后產(chǎn)生預(yù)加、卸載，來減少機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差。的誤差。01000機(jī)械應(yīng)變（）指示應(yīng)變zi max應(yīng)變片機(jī)械滯后特性應(yīng)變片機(jī)械滯后特性加載卸載zii240應(yīng)變片在恒溫恒載條件下，應(yīng)變片在恒溫恒載條件下，輸入信號恒定時，應(yīng)變片指示應(yīng)變值隨時間單向變化的特性稱為蠕變。輸入信號恒定時，應(yīng)變片指示應(yīng)變值隨時間單向變化的特性稱為蠕變。如圖所示。如圖所示。試件空載（無輸入信號）時，應(yīng)變片指示應(yīng)變值仍隨時間變化的現(xiàn)象試件空載（無輸入信號）時，應(yīng)變片指示應(yīng)變值仍隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。稱為零漂。如圖所示。如圖所示。蠕變反

19、映了應(yīng)變片在長時間工作中蠕變反映了應(yīng)變片在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性對時間的穩(wěn)定性; 通常要求通常要求 315。（4）蠕變?nèi)渥?和零漂和零漂 P0蠕變?nèi)渥?（時間漂移）（時間漂移）零漂零漂 P0 （零點(diǎn)時間漂移）（零點(diǎn)時間漂移）引起蠕變的主要原因引起蠕變的主要原因制作應(yīng)變片時內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和工作中出制作應(yīng)變片時內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力和工作中出現(xiàn)的剪應(yīng)力，使敏感柵金屬絲、基底，現(xiàn)的剪應(yīng)力，使敏感柵金屬絲、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的滑移所致。尤其是膠層之間產(chǎn)生的滑移所致。適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化適當(dāng)減薄膠層和基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。，有利于蠕變性能的改善。P0時間01000指示應(yīng)

20、變應(yīng)變片的蠕變和零漂特性應(yīng)變片的蠕變和零漂特性250應(yīng)變片的線性特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。應(yīng)變片的線性特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限制值時，應(yīng)變片的輸出特性將當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限制值時，應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。出現(xiàn)非線性。（5）應(yīng)變極限應(yīng)變極限lim在恒溫條件下，使在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到非線性誤差達(dá)到10%時的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)時的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限變極限lim。如下圖所示。如下圖所示。 應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片測量最大范圍和過載范圍能力的指標(biāo)應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變片測量最大范圍和過載范圍能力的指標(biāo)通常要求通常要求

21、lim800010%真實(shí)應(yīng)變lim指示應(yīng)變應(yīng)變片的應(yīng)變極限特性應(yīng)變片的應(yīng)變極限特性0真實(shí)應(yīng)變真實(shí)應(yīng)變影響影響lim的主要因素及改善的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。措施，與蠕變基本相同。260(6) (6) 電阻應(yīng)變片的溫度特性電阻應(yīng)變片的溫度特性 應(yīng)變片電阻隨溫度變化必造成誤差應(yīng)變片電阻隨溫度變化必造成誤差,稱這稱這種誤差為應(yīng)變片的溫度誤差。種誤差為應(yīng)變片的溫度誤差。 應(yīng)進(jìn)行應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。兩種方法：。兩種方法： (a)同步補(bǔ)償同步補(bǔ)償： 把受力應(yīng)變片貼在受力件上把受力應(yīng)變片貼在受力件上,把補(bǔ)償片貼在不受力但環(huán)把補(bǔ)償片貼在不受力但環(huán)境溫度相同的材料上境溫度相同的材料上,接入電橋線路接入電

22、橋線路相鄰的橋臂相鄰的橋臂上上, 相相互補(bǔ)償。電橋輸出只反映應(yīng)變大小互補(bǔ)償。電橋輸出只反映應(yīng)變大小,與溫度無關(guān)。與溫度無關(guān)。0 (a)同步補(bǔ)償同步補(bǔ)償法 (b)差動補(bǔ)償差動補(bǔ)償0（b）差動補(bǔ)償：差動補(bǔ)償： 將應(yīng)變片貼在上表面將應(yīng)變片貼在上表面,補(bǔ)償片貼在對應(yīng)下補(bǔ)償片貼在對應(yīng)下表面表面,彎曲時彎曲時, 工作應(yīng)變片電阻值增加工作應(yīng)變片電阻值增加,補(bǔ)補(bǔ)償片電阻值減小償片電阻值減小,兩個電阻接在電橋的相兩個電阻接在電橋的相鄰兩臂。結(jié)果：鄰兩臂。結(jié)果： 電橋輸出增加一倍電橋輸出增加一倍,提高輸出靈敏度提高輸出靈敏度, 上下溫度一致，補(bǔ)償環(huán)境溫度造成的誤上下溫度一致，補(bǔ)償環(huán)境溫度造成的誤差。差。03.2

23、半導(dǎo)體壓阻傳感器半導(dǎo)體壓阻傳感器 半導(dǎo)體壓阻傳感器也稱為也稱為固態(tài)壓阻式固態(tài)壓阻式傳傳感器感器(solid-state piezoresistive sensor)。 原理是基于半導(dǎo)體材料壓阻效原理是基于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)應(yīng),也稱為也稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料在在機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力的作用下的作用下,使得材使得材料本身的料本身的電阻率電阻率發(fā)生了較大的變化發(fā)生了較大的變化,這種這種現(xiàn)象叫做現(xiàn)象叫做壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。這與。這與金屬金屬電阻的電阻的應(yīng)變效應(yīng)有根本的區(qū)別。有根本的區(qū)別。 0原理原理 晶體在晶體在應(yīng)力作用下下, ,晶格間的載流子晶格間的載流子( (空穴、空穴、電子電子)

24、 )的相互作用發(fā)生了變化的相互作用發(fā)生了變化, ,從能量的角從能量的角度來看度來看, ,原子結(jié)構(gòu)中的原子結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)帶和價帶之間的禁導(dǎo)帶和價帶之間的禁帶寬度發(fā)生了變化帶寬度發(fā)生了變化, ,這就影響了導(dǎo)帶中這就影響了導(dǎo)帶中載流載流子數(shù)目子數(shù)目, ,同時又使同時又使載流子的遷移率載流子的遷移率發(fā)生變化發(fā)生變化, ,因此晶體的電阻率變化，通常稱為因此晶體的電阻率變化，通常稱為壓阻式傳感器。 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)要比金屬應(yīng)變片大半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)要比金屬應(yīng)變片大幾十倍至一百多倍。幾十倍至一百多倍。 半導(dǎo)體晶片壓阻效應(yīng)的方向性很強(qiáng)。半導(dǎo)體晶片壓阻效應(yīng)的方向性很強(qiáng)。01 半導(dǎo)體應(yīng)變片壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體應(yīng)變片

25、壓阻效應(yīng)： 半導(dǎo)體應(yīng)變片在軸向受力作用時，其電半導(dǎo)體應(yīng)變片在軸向受力作用時，其電阻相對變化為阻相對變化為: 其中，電阻率相對變化其中，電阻率相對變化,其值與半導(dǎo)體應(yīng)其值與半導(dǎo)體應(yīng)變片軸向所受應(yīng)力之比為一常數(shù)變片軸向所受應(yīng)力之比為一常數(shù)E 0 E為半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，為半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)，為半為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，E為揚(yáng)氏模量。為揚(yáng)氏模量。 由于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)由于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)E遠(yuǎn)大于（遠(yuǎn)大于（12），忽略（），忽略（12）得到）得到 0 KS 為半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)為半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù) 半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)50200,而一般金屬應(yīng)而一般金屬應(yīng)變片靈敏系數(shù)只有變片靈敏系數(shù)只有14。 用半導(dǎo)體應(yīng)變元件制成傳感器獲得高靈敏度、用半導(dǎo)體應(yīng)變元件制成傳感器獲得高靈敏度、低機(jī)械滯后、體積小等優(yōu)點(diǎn)。低機(jī)械滯后、體積小等優(yōu)點(diǎn)。 缺點(diǎn)：溫度系數(shù)較大，非線性比較大等。缺點(diǎn)：溫度系數(shù)較大，非線性比較大等。0