應(yīng)變式傳感器3

1、第2章 應(yīng)變式傳感器2.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)2.2 應(yīng)變計(jì)的主要特性應(yīng)變計(jì)的主要特性2.3 應(yīng)變計(jì)的粘貼應(yīng)變計(jì)的粘貼2.4 電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路電橋原理及電阻應(yīng)變計(jì)橋路2.5 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償2.6 電阻應(yīng)變儀電阻應(yīng)變儀 2.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 2.8 幾種新型的微應(yīng)變式傳感器幾種新型的微應(yīng)變式傳感器 第第2章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器1第2章 應(yīng)變式傳感器2.7 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變絲、片，除直接用來測定試件的應(yīng)變和應(yīng)力外,還廣泛用作傳感元研制成各種應(yīng)變式傳感器,用來測定其他物理量,如力、壓力、扭矩、加速度等。 應(yīng)變式傳感器的基本構(gòu)成通常

2、可分為兩部分,和。 彈性敏感元件在被測物理量的作用下,產(chǎn)生一個(gè)與它成正比的應(yīng)變,然后用應(yīng)變計(jì)(絲)作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化。2第2章 應(yīng)變式傳感器(1)測量范圍廣、精度高。測力傳感器,可測10-2107N的力,精度達(dá)到0.05%FS以上;壓力傳感器,可測10-1107Pa的壓力,精度可達(dá)0.1%FS。3應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下:第2章 應(yīng)變式傳感器(2)性能穩(wěn)定可靠,使用壽命長。對(duì)于稱重而言,機(jī)械杠桿稱由于杠桿、刀口等部分相互摩擦產(chǎn)生損耗和變形,欲長期保持其精度是相當(dāng)困難的。采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器制成的電子秤、汽車衡、軌道衡等,只要傳感器設(shè)計(jì)合理,應(yīng)變計(jì)選擇確當(dāng),粘貼

3、、防潮、密封可靠,就能長期保持性能穩(wěn)定可靠。4應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下:第2章 應(yīng)變式傳感器(3)頻率響應(yīng)特性較好。隨著大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展,已可將電路甚至A/D轉(zhuǎn)換與傳感器組成一個(gè)整體,傳感器可直接接入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。5應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下:第2章 應(yīng)變式傳感器(4)能在惡劣的環(huán)境條件下工作。一般電阻式應(yīng)變計(jì)響應(yīng)時(shí)間約為10-7 s,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)可達(dá)10-11 s。若能在彈性元件上采取措施,則由它們構(gòu)成的應(yīng)變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動(dòng)態(tài)過程。6應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下:第2章 應(yīng)變式傳感器(5)易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化。只要

4、進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用合適的材料,應(yīng)變式傳感器可在高(低)溫、高速、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、強(qiáng)磁場及核輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣的環(huán)境條件下正常工作。7應(yīng)變式傳感器與其他類型傳感器相比具有如下:第2章 應(yīng)變式傳感器 不僅對(duì)于應(yīng)變式傳感器,對(duì)其他某些類型的傳感器,彈性敏感元件在傳感器技術(shù)中也占有極為重要的地位。在傳感器工作過程中,一般是由彈性敏感元件把各種形式的物理量轉(zhuǎn)換成形變,再由轉(zhuǎn)換元件(例如電阻應(yīng)變計(jì))轉(zhuǎn)換成電量。 所以在傳感器中彈性元件是應(yīng)用最廣泛的元件之一。其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響傳感器的性能及精度,有時(shí)還是傳感器的核心部分。 8第2章 應(yīng)變式傳感器 通常彈性敏感元件具有以下性能: (1) 彈性儲(chǔ)能(

5、應(yīng)變能)高。 是材料在開始塑性變形以前單位體積所儲(chǔ)存的彈性能。它表示彈性材料儲(chǔ)存變形功而不發(fā)生永久變形的能力。21122eeeTUT SE9彈性極限楊氏模量極限應(yīng)變第2章 應(yīng)變式傳感器 通常彈性敏感元件具有以下性能:(2)具有較強(qiáng)的抗壓(或抗拉)強(qiáng)度,以便高載荷下的安全。 (3)受溫度影響小。彈性模量溫度系數(shù)小而穩(wěn)定,熱膨脹系數(shù)小。10第2章 應(yīng)變式傳感器 通常彈性敏感元件具有以下性能: (4)具有良好的機(jī)械加工和熱處理性能, 易于機(jī)械加工及熱處理。 (5)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。 (6)熱處理后應(yīng)有均勻穩(wěn)定的組織,且各向同性。 (7)具有高的抗氧化、抗腐蝕性能。 11第2章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)

6、變式測力與稱重傳感器 應(yīng)變式測力傳感器由彈性體、應(yīng)變彈性體、應(yīng)變計(jì)和外殼計(jì)和外殼組成。彈性體是測力傳感器的基礎(chǔ),應(yīng)變計(jì)是傳感器的核心。根據(jù)彈性體的結(jié)構(gòu)形式的不同可分為:柱式、輪輻柱式、輪輻式、梁式、環(huán)式式、梁式、環(huán)式等。12第2章 應(yīng)變式傳感器 1. 柱式傳感器13柱式傳感器是稱重(或測力)傳感器應(yīng)用較普遍的一種形式。它分為圓筒形和柱形兩種。其結(jié)構(gòu)是在圓筒或圓柱上按一定方式貼上應(yīng)變計(jì)。結(jié)構(gòu)示意圖外形NoImage第2章 應(yīng)變式傳感器14橫向粘貼的應(yīng)變計(jì)既作為溫度補(bǔ)償,也起到提高靈敏度的作用。第2章 應(yīng)變式傳感器15截面積隨載荷改變所導(dǎo)致的非線性:筒式結(jié)構(gòu)可使分散在端面的載荷集中到筒的表面上來,

7、改善了應(yīng)力線分布;在筒壁上還能開孔,形成許多條應(yīng)力線,從而與載荷在端面的分布無關(guān),并可減少偏心載荷、非均布載荷的影響,使引起的誤差更小。第2章 應(yīng)變式傳感器2. 輪輻式傳感器 輪輻式傳感器是一種剪切力剪切力傳感器。輪輻條成對(duì)地連接在輪圈和輪轱之間,可為四根或八根(圖中為四根)。采用鋼球傳遞重力,因?yàn)閳A球壓頭有自動(dòng)定中心的功能。16輪轱輪圈輪輻條承壓應(yīng)變計(jì)拉伸應(yīng)變計(jì)第2章 應(yīng)變式傳感器17矩形輻條產(chǎn)生平行四邊形的變形 當(dāng)外力F作用在輪轱的上端面和輪圈下端面時(shí),使矩形輻條產(chǎn)生平行四邊形的變形。第2章 應(yīng)變式傳感器18T2T1C3C4T4T3C1C2UUsc輪輻式傳感器測量橋路 第2章 應(yīng)變式傳感器

8、 3.懸臂梁式傳感器 懸臂梁式傳感器是一種稱重測力傳感器，采用彈性梁及電阻應(yīng)變計(jì)作敏感轉(zhuǎn)換元件,組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時(shí),電阻應(yīng)變計(jì)隨金屬彈性梁一起變形,其應(yīng)變使電阻應(yīng)變計(jì)的阻值變化,因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號(hào)。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀即可顯示或記錄重量(或力)。19第2章 應(yīng)變式傳感器懸臂梁式傳感器結(jié)構(gòu)圖20幾種梁式傳感器外形 等強(qiáng)度梁 等截面梁0266Flh E266lFh E彈性模量第2章 應(yīng)變式傳感器 懸臂梁式傳感器一般可測0.5kg以下的載荷,最小可測幾十克重。懸臂梁式傳感器也可達(dá)到很大的量程,如鋼制工字懸臂梁結(jié)構(gòu)傳感器量程為0.230t,精度可

9、達(dá)0.02%FS。懸臂梁式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)變計(jì)容易粘貼,靈敏度高等特點(diǎn)。第2章 應(yīng)變式傳感器4.環(huán)式傳感器 環(huán)式常用于測幾十千克以上的大載荷,與柱式相比,它的特點(diǎn)是應(yīng)力分布變化大,且有正有負(fù)。22圖2.31 圓環(huán)式傳感器彈性元件結(jié)構(gòu)拉力環(huán)壓力環(huán)第2章 應(yīng)變式傳感器表2.1 幾種應(yīng)變式測力與稱重傳感器的性能 23第2章 應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變式壓力傳感器由電阻應(yīng)變計(jì)、彈性電阻應(yīng)變計(jì)、彈性元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成元件、外殼及補(bǔ)償電阻組成。一般用于測量較大的壓力。它廣泛用于測量管道內(nèi)部壓力,內(nèi)燃機(jī)燃?xì)獾膲毫?壓差和噴射壓力,發(fā)動(dòng)機(jī)和導(dǎo)彈試驗(yàn)中的脈動(dòng)壓力,以及各種領(lǐng)域中的流體壓力等。24第2章 應(yīng)變

10、式傳感器圖2.32 筒式壓力傳感器的彈性元件工作片補(bǔ)償片p1.筒式壓力傳感器25 筒式壓力傳感器的彈性元件,一端肓孔,另一端有法蘭與被測系統(tǒng)連接。第2章 應(yīng)變式傳感器22(2)(1)pDEd當(dāng)應(yīng)變管內(nèi)腔與被測壓力相通時(shí),圓筒部分周向應(yīng)變?yōu)樵诒”谕采腺N有兩片應(yīng)變計(jì)作為工作片,實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)作為溫度補(bǔ)償片。 被測壓力圓筒外徑圓筒內(nèi)徑第2章 應(yīng)變式傳感器2.膜片式壓力傳感器 該類傳感器的彈性敏感元件為一周邊固定的圓形金屬平膜片。27膜片受力時(shí)的應(yīng)變分布第2章 應(yīng)變式傳感器當(dāng)膜片一面受壓力p作用時(shí),膜片的另一面(應(yīng)變計(jì)粘貼面)上的徑向應(yīng)變徑向應(yīng)變r(jià)和切向應(yīng)變切向應(yīng)變t為222222223(1)

11、(3)83(1)()8rtpRxEhpRxEh平膜片工作部分半徑平膜片厚度膜片的彈性模量膜片的泊松系數(shù)任意點(diǎn)離圓心的徑向距離第2章 應(yīng)變式傳感器在膜片中心即x=0處,r和t均達(dá)到正的最大值,即22maxmax23 (1)8rtpREh而在膜片邊緣,即x=R處,t=0,而r達(dá)到負(fù)的最大值(最小值)。22min23 (1)4rpREh 29第2章 應(yīng)變式傳感器3.組合式壓力傳感器組合式壓力傳感器, 通常用于測量小壓力。波紋膜片、膜盒、波紋管等彈性敏感元件感受壓力后,推動(dòng)推桿使梁變形。電阻應(yīng)變計(jì)粘貼于梁的根部感受應(yīng)變。因?yàn)閼冶哿簞傂暂^大,所以這種組合可以克服穩(wěn)定性較差,滯后較大的缺點(diǎn)。 30ppp應(yīng)

12、變片 圖2.35 組合式壓力傳感器 第2章 應(yīng)變式傳感器31應(yīng)變式加速度傳感器懸臂梁固定一質(zhì)量塊殼體應(yīng)變計(jì)電引線運(yùn)動(dòng)方向第2章 應(yīng)變式傳感器假設(shè)懸臂梁為等強(qiáng)度梁,作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)梁根部的應(yīng)變?yōu)椋?6()6WG glh E 加速度傳感器的靈敏度M表示加速度為1g時(shí)梁上下兩個(gè)應(yīng)變計(jì)應(yīng)變量。若梁的上下各貼一應(yīng)變計(jì),組成半橋,則靈敏度是梁應(yīng)變的兩倍,即212()6WG glMh E32慣性塊質(zhì)量等強(qiáng)度梁折算到自由端的等效質(zhì)量,一般為梁質(zhì)量的1/6第2章 應(yīng)變式傳感器 若梁的上下各貼兩片應(yīng)變計(jì),組成全橋,則靈敏度又是上式的兩倍。 傳感器的固有頻率為3031826 ()Ebhfl WG33第2章 應(yīng)變式傳感器

13、2.8 幾種新型的微應(yīng)變式傳感器幾種新型的微應(yīng)變式傳感器 壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)是微應(yīng)變式傳感器依據(jù)的基本效應(yīng), 由歐姆定律知,流過一電阻的電流和電壓之間的關(guān)系： URI描述材料特性：Ei34電場強(qiáng)度電阻率電流密度第2章 應(yīng)變式傳感器若存在壓阻效應(yīng)：(1)ET i35T(1)ET iEi第2章 應(yīng)變式傳感器 單晶硅為立方晶體,是各項(xiàng)異性體,壓阻系數(shù)矩陣為36縱向壓阻系數(shù)橫向壓阻系數(shù)剪切向壓阻系數(shù)第2章 應(yīng)變式傳感器11、12、44隨材料的摻雜類型、濃度和環(huán)境溫度的不同而變化。對(duì)P型硅,切向壓阻系數(shù)44有最大值;對(duì)N型硅,縱向壓阻系數(shù)11有最大值。對(duì)單晶硅：371111 11122233442 12

14、3 132211 22121133441 123233311 33121122441 132231()()1()()1()()EiTTTi Ti TEiTTTiTi TEiTTTiTi T第2章 應(yīng)變式傳感器 1.薄膜技術(shù) 薄膜技術(shù)是在一定的基底上,用真空蒸鍍、濺射、化學(xué)氣相淀積（CVD）等工藝技術(shù)加工成零點(diǎn)幾微米至幾微米的金屬、半導(dǎo)體或氧化物薄膜的技術(shù)。 這些薄膜可以加工成各種梁、橋、膜等微型彈性元件,也可加工為轉(zhuǎn)換元件,有的可作為絕緣膜,有的可用作控制尺寸的犧牲層,在傳感器的研制中得到了廣泛應(yīng)用。38第2章 應(yīng)變式傳感器 1) 真空蒸鍍 在真空室內(nèi),將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱

15、,當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時(shí),加大鎢絲的加熱電流,使材料融化,繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā),在基底上凝聚成膜。391234真空室基底鎢絲接高真空泵第2章 應(yīng)變式傳感器 2) 濺射 在低真空室中,將待濺射物制成靶置于陰極,用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體,等離子中的正離子以高能量轟擊靶面,使待濺射物的原子離開靶面,淀積到陽極工作臺(tái)上的基片上,形成薄膜。403125476靶陰極直流高壓陽極基片惰性氣體入口接真空系統(tǒng)第2章 應(yīng)變式傳感器 3) 化學(xué)氣相淀積（CVD） 化學(xué)氣相淀積是將有待積淀物質(zhì)的化合物升華成氣體,與另一種氣體化合物在一個(gè)反應(yīng)室中進(jìn)行反應(yīng),生成固態(tài)的淀積物質(zhì),淀積在基底上生成薄膜。41 分子篩混合器閥門 反應(yīng)氣體A反應(yīng)氣體B加熱器基片反應(yīng)室第2章 應(yīng)變式傳感器 2.微細(xì)加工技術(shù) 微細(xì)加工技術(shù)是利用硅的異向腐蝕特性和腐蝕速度與摻雜濃度有關(guān),對(duì)硅材料進(jìn)行精細(xì)加工制作復(fù)雜微小的敏感元件的技術(shù)。 1) 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工 體型結(jié)構(gòu)腐蝕加工