第2章 電阻式傳感器打印稿

1、1 電阻式傳感器是將非電量非電量的變化量，變換成與之有一定關系的電阻值電阻值的變化量，通過對電阻值的測量達到對上述非電量測量的目的。 電阻式傳感器主要分為：應變式電阻傳感器（金屬、半導體）和電位器（計）式電阻傳感器; 以及熱敏式電阻傳感器、光敏式電阻傳感器、磁敏式電阻傳感器、氣敏式電阻傳感器等。 前兩種屬于力敏傳感器。 2.1 2.1 金屬電阻應變式傳感器金屬電阻應變式傳感器2.2 2.2 半導體應變片及壓阻式傳感器半導體應變片及壓阻式傳感器2.3 2.3 電位器式傳感器電位器式傳感器22.1 金屬電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是目前最廣泛用于測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度、重量等

2、參數(shù)的傳感器之一。 它具有悠久的歷史，但新型應變片仍在不斷出現(xiàn)。主要用于測量變化量相對較小的情況，量程小，靈敏度較高。v 工作原理：工作原理：基于材料的應變效應基于材料的應變效應。 一、應變效應 二、電阻應變片的工作原理 三、電阻應變片的結(jié)構(gòu)四、測量電路五、電阻應變式傳感器的應用3一、應變效應 O 導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力等)作用時，產(chǎn)生機械變形，機械變形導致其阻值變化，這種因形變形變而使其阻值發(fā)生變化阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應應變效應”。 導體或半導體的電阻 導體或半導體在受外力作用時會產(chǎn)生機械變形，從而使電阻率、長度 l 和截面積 S 這三者都發(fā)生變化，所以會引起電阻

3、的變化。通過測量阻值的變化，就可以反映外界作用力的大小。SlR 當受到拉力 F 作用時，將伸長l ，橫截面積相應減小S ，電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變 ，故引起電阻值相對變化量為 SSllRR4/21RRSSllRR/21/RRK 其物理意義是單位應變所引起的電阻相對變化。 應變靈敏系數(shù)應變靈敏系數(shù)：dlldlldd 單位面積上所承受的附加內(nèi)力稱為應力應力。 當材料在外力作用下不能產(chǎn)生位移時，它的幾何形狀和尺寸將發(fā)生變化，這種形變就稱為應變應變。 式中，l / l =稱為材料的軸向應變軸向應變；由于S = d 2 / 4，則S / S = 2 d / d, 其中d / d稱為徑向應變徑向

4、應變；且由材料力學知，d / d = ，式中為材料的泊松比泊松比。5 對于金屬材料， / 較小，可以略去；且 = 0.20.4（彈性范圍），K 1+2 = 1.41.8 ，實際測得K 2.0，說明 / / 項對 K 還是有一定影響。/21/RRKKRR 應變靈敏系數(shù)受兩個因素影響，一個是受力后材料幾何尺寸的變化，即（1+2）；另一個是受力后材料電阻率發(fā)生的變化，即 / / 。 一般情況下，在應變極限內(nèi)（彈性范圍） ，金屬材料電阻的相對變化與軸向應變成正比4 . 02 . 0dllddldl,6 在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，粘貼在被測對象上的應變片隨其發(fā)生相同的機械變形，同時，應變片

5、電阻也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量R時，便可得到被測對象的應變值，根據(jù)應力和應變的關系，得到應力值 式中 試件的應力； 試件的應變； E試件材料的彈性模量（kg / mm2）。 由此可知，應力值正比于應變，而試件應變又正比于電阻值的變化R ，所以應力正比于電阻值的變化。這就是利用應變片測量應變的基本原理。 外力外力應力應力變形變形應變應變電阻值變化電阻值變化電壓變化電壓變化 E二、電阻應變片的工作原理 7三、金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)q 基本結(jié)構(gòu) 金屬電阻應變片種類繁多，但其基本結(jié)構(gòu)大體相似，現(xiàn)以金屬絲繞式應變片結(jié)構(gòu)為例加以說明。 將金屬電阻絲粘貼在基片上，上面覆一層薄膜，使它們變成一個整

6、體，這就是電阻絲應變片的基本結(jié)構(gòu)。 1基底基底 2敏感柵敏感柵 3覆蓋層覆蓋層 4引線，用以和外接導線連接引線，用以和外接導線連接 l敏感柵長度敏感柵長度 b敏感柵的寬度敏感柵的寬度 8 敏感柵是應變片最重要的組成部分。 根據(jù)敏感柵形狀和制造工藝的不同，金屬應變片主要分為絲式絲式、箔箔式式和膜式膜式三種類型。它們根據(jù)需要可以制作成各種形狀。（1）金屬絲式應變片： 絲式應變片的敏感柵由金屬細絲繞成柵狀，有回線式回線式和短接式短接式兩種。絲式應變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。 回線式應變片因圓弧部分參與變形，橫向效應較大； 短接式應變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大 510倍的鍍銀

7、絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應。缺點是焊點多，在沖擊或振動條件下，易在焊點處出現(xiàn)疲勞，制造工藝要求高。a) 回線式絲式應變片回線式絲式應變片 b) 短接式絲式應變片短接式絲式應變片1. 敏感柵目前大都采用箔式應變片。9（2）金屬箔式應變片：a a單軸單軸 b b測扭矩測扭矩 c c多軸（多軸（應變花應變花） d d平行軸多柵平行軸多柵 e e同軸多柵同軸多柵 箔式應變片是利用照相制版或光刻腐蝕等技術將厚度為 0.003 0.01 mm的金屬箔片制成所需的各種圖形的敏感柵。有時稱為應變花。10優(yōu)點： 制造技術能保證敏感柵尺寸準確，線條均勻和適應各種不同測量要求的形 狀，其柵長可做到0.2mm

8、； 敏感柵薄而寬，與被測試件粘貼面積大，粘結(jié)牢靠，傳遞試件應變性能好； 散熱條件好，允許通過較大的工作電流，從而提高了輸出靈敏度； 橫向效應小； 蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。 由于上述優(yōu)點，有逐漸取代絲式應變片的趨勢，是目前的主流。（3）金屬薄膜應變片 金屬薄膜應變片采用真空蒸發(fā)或真空淀積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在 0.1m 以下各種形狀的金屬材料薄膜敏感柵。 它的優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許工作電流密度大，工作溫度范圍寬，可達197317。 112. 基底和蓋片 基底和蓋片的作用是保持敏感柵和引線的幾何形狀和相對位置，并且有絕緣作用。一般為厚度0.020.05mm的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂

9、等膠基材料。對基底和蓋片材料的性能要求：機械強度好，撓性好；粘貼性能好；電絕緣性好；熱穩(wěn)定性和高溫性好；無滯后和蠕變。3. 引線 作用：連接敏感柵和外接導線。 一般采用 = 0.050.1 mm 的銀銅線、鉻鎳線、卡馬線、鐵鉻鉛絲等，與敏感柵點焊相接。4. 粘結(jié)劑 作用：將敏感柵固定于基片上，并將蓋片與基底粘結(jié)在一起；使用金屬電阻應變片時，也需用粘結(jié)劑將應變片粘貼在試件表面某一方向和位置上，以便感受試件的應變。 粘結(jié)劑材料：有機和無機兩大類。12四、測量電路 由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻值的變化測量出來，同時要把電阻相對變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此需要設計專用的測量電

10、路。 用于測量電阻變化最常用的測量電路是電橋電路。 電橋電路通常有直流電橋和交流電橋兩種。電橋電路的主要指標是橋路靈敏度、非線性誤差和負載特性。1. 直流電橋2. 交流電橋3. 電橋調(diào)平 13雙臂電橋（半橋）單臂電橋全臂電橋（全橋）直流電橋：Z ( R )交流電橋: Z ( R、L、C )不平衡橋式：偏差測量法（動態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）半等臂電橋全等臂電橋 工作方式橋臂關系電源負載工作臂電壓輸出橋： RL，Io = 0功率輸出橋：U、I電源端對稱 Z1 = Z3 ，Z2 = Z4 輸出端對稱 Z1 = Z2 ，Z3 = Z4 Z1 = Z2 = Z3 = Z4 電橋電路分類141.

11、直流電橋 (1)平衡條件 直流電橋適合純電阻電橋，R1、R2、R3、R4稱為電橋的橋臂，RL為其負載（可以是測量儀表內(nèi)阻、放大器輸入阻抗或其它負載）。當RL時（IL ），電橋的輸出電壓Uo應為 433211Bo RRRRRREUUUD當電橋平衡時，電橋平衡時，Uo = 0， Io = 0 ，由上式可得到 或3241RRRR4321RRRR 稱為電橋平衡條件（對臂阻值之積相等、鄰臂阻值之比相等對臂阻值之積相等、鄰臂阻值之比相等），此時流過負載電阻的電流為0。 4231RRRR15(2)電壓靈敏度 A.單臂電橋： 如果在實際測量中，使某一橋臂 （R1）由應變片來替代，微小應變引起微小電阻的變化，電

12、橋則輸出不平衡電壓的微小變化微小變化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的輸入阻抗可以比橋路輸出電阻高得多，所以此時仍視電橋為開路情況。當受應變時，若應變片電阻變化為R1 ，其它橋臂固定不變，則電橋輸出電壓 Uo0。 設橋臂比 電橋電壓靈敏度定義為 3412RRRRn211o1nnERRUSV 電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供橋電壓愈高，電橋電壓靈敏度愈高。但是供橋電壓的提高，受到應變片允許功耗的限制，所以一般供橋電壓應適當選擇（36V）。 E（供橋電壓）16 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值 n 的函數(shù)，因此必須恰當?shù)剡x擇橋臂比 n 的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。 當 n = 1 ，（

13、R1 = R2 ，R3 = R4），電橋電壓靈敏度最大。此時電橋電壓靈敏度 ESV411111o211141RRRREU 當電源電壓 E 和電阻相對變化率 一定時，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂阻值大小無關。 此時非線性誤差較大，減小或消除非線性誤差的方法有如下幾種：v 采用差動電橋 v 提高橋臂比 v 采用高內(nèi)阻的恒流源電橋 11RR17B.半橋差動（雙臂）： 根據(jù)被測試件的受力情況，若使一個應變片受拉（拉應變），一個受壓（壓應變），則應變符號相反；測試時，將兩個應變片接入電橋的相鄰臂上。稱為半橋差動電路。 433221111oRRRRRRRRREU半橋差動電路半橋差動電路 若

14、R1=R2，（R=R1R2=2R1）， R1 = R2，R3 = R4，則得 11o21RREU半橋差動電路由上式可知，Uo與 成線性關系，此時電橋電壓靈敏度 半橋差動電橋的靈敏度比使用一只應變片的單臂電橋提高了一倍，線性誤差大大減小，同時可以起到溫度補償?shù)淖饔谩?1RRESV2118C. 全橋差動（全臂）： 為進一步提高電壓靈敏度或進行溫度補償，可采用全橋差動電路。將電橋四臂接入四片應變片。兩個受拉，兩個受壓，將兩個應變符號相同的接入相對臂上，構(gòu)成全橋差動電路。若滿足全橋差動電橋全橋差動電橋 11oRREU此時電橋電壓靈敏度 全橋差動的靈敏度是單臂的四倍，半橋差動的兩倍全橋差動的靈敏度是單臂

15、的四倍，半橋差動的兩倍。 還可抑制干擾信號，因為四臂或相鄰兩臂同時有某一增量，對全橋差動電橋輸出無影響。 ESVR1 = R2 = R3 = R4，R1 = R2 = R3 = R4 則輸出電壓為 19（3）減小或消除非線性誤差的其它方法 提高橋臂比： 提高橋臂比，非線性誤差可以減?。坏姌螂妷红`敏度將降低，這是一種矛盾。因此，為了達到既減小非線性誤差，又不降低其靈敏度，可適當提高供橋電壓 E。但是供橋電壓的提高，受到應變片允許功耗的限制。 采用高內(nèi)阻的恒流源電橋： 通過電橋各臂的電流如果不恒定，也是產(chǎn)生非線性誤差的重要原因。所以供給半導體應變電橋的電源一般采用恒流源。供橋電流為I ，通過各臂

16、的電流為 I1 和 I2，若測量電路輸入阻抗較高，則輸出電壓為 IRRRRRRRRRIRIU432132413211o 若電橋初始處于平衡狀態(tài)（R1R4 = R2R3），而且R1 = R2 = R3 = R4 = R，當?shù)谝粯虮垭娮鑂1變?yōu)镽1R1時，電橋輸出電壓為 RRRIIRRRRU411414o比前面的單臂供壓電橋的非線性誤差減少了50%。 202. 交流電橋 交流電橋采用交流放大器、供橋電源為交流電源，交流電橋連接導線分布參數(shù)影響、平衡調(diào)節(jié)、信號放大電路等均與直流電橋有明顯不同。但分析電橋平衡和輸出電壓方法仍與直流電橋相同。故輸出電壓為 (1)平衡條件 直流電橋只能用于純電阻電橋，而交

17、流電橋即可用于純電阻電橋，也可用于非純電阻電橋，Z1、Z2、Z3、Z4稱為電橋的橋臂，ZL為其負載。43213241433211oZZZZZZZZEZZZZZZEU式中Z1，Z2，Z3，Z4為電阻、電感、電容任意組合的復阻抗。21設各橋臂阻抗為 11111jexpjzxrZ22222jexpjzxrZ33333jexpjzxrZ44444jexpjzxrZ式中 r1 r4 和 x1 x4 分別為各橋臂的電阻和電抗；z1 z4 和1 4 為各復阻抗的模值和幅角，由此可得到交流電橋的平衡條件的另一形式為 3241ZZZZ4321ZZZZ或32413241zzzz2332144132413241xr

18、xrxrxrxxxxrrrr或 交流電橋平衡條件（對臂阻值之積相等、鄰臂阻值之比相等對臂阻值之積相等、鄰臂阻值之比相等）。 22(2)交流電橋不平衡狀態(tài) 單臂交流電橋其輸出電壓為 差動交流電橋（半橋差動電路）其輸出電壓為 雙差動交流電橋(全橋差動電路)其輸出電壓為 與直流電橋一樣，全橋差動電路的電壓靈敏度是單臂的四倍，半橋差動的兩倍。 11o41ZZEU11o21ZZEU11oZZEU23 為了測量的準確性，在測量的起始點電橋必須調(diào)至平衡，稱為預調(diào)平衡。電橋預調(diào)平衡的常用方法有電阻調(diào)平法和電容調(diào)平法等。 直流電橋一般采用電阻調(diào)平法。 由于交流電橋的平衡必須同時滿足幅、相平衡兩個條件，因此即使在

19、最簡單的橋路中也至少有兩個橋臂參數(shù)是可調(diào)的，只有當這兩個參數(shù)同時達到平衡值，交流電橋才能平衡。 交流電橋一般采用電阻調(diào)平法和電容調(diào)平法。 3. 電橋調(diào)平 24 C3 和 C4 為差動電容，調(diào)節(jié) C3 和 C4 時，由于兩個電容的變化量大小相等，方向相反，可使橋路平衡。 （）阻容調(diào)平法：圖(d) 。 該電橋接入了“ T ”形 RC 阻容電路，可通過交替調(diào)節(jié)電容、電阻使電橋達到平衡狀態(tài)。 電阻調(diào)平法 （）串聯(lián)電阻法：圖(a)。 （）并聯(lián)電阻法：圖(b)。 并聯(lián)電阻調(diào)平法，通過調(diào)節(jié)電阻 R5改變AD和CD的阻值比，使電橋滿足平衡條件。電阻 R6 決定可調(diào)范圍， R6 越小，可調(diào)范圍越大，但測量誤差也

20、越大。R5 、R6 通常取相同阻值。電容調(diào)平法 （）差動電容法：圖(c) 。25五、電阻應變式傳感器的應用q 直接用來測量結(jié)構(gòu)的應力或應變 電阻應變片可直接粘貼在被測量的受力構(gòu)件上，測量應力、應變。而測量其它被測量（如位移、力、壓力、加速度等），就需要先將被測量轉(zhuǎn)換成應變，完成這種轉(zhuǎn)換的元件稱為彈性敏感元件。 由彈性敏感元件和應變片，以及一些附件便組成各種電阻應變式傳感器。a 齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩 b 飛機機身應力飛機機身應力 c 立柱應力立柱應力 d 橋梁應力橋梁應力 26q 將應變片貼于彈性敏感元件上，組成測量位移、力、壓 力、加速度等物理參數(shù)的傳感器 a) 位移傳感器位移傳感器 b)

21、 加速度傳感器加速度傳感器c) 柱式測力傳感器柱式測力傳感器 d) 扭矩傳感器扭矩傳感器 e) 筒式壓力傳感器筒式壓力傳感器 27 應變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。1柱（筒）式力傳感器 彈性敏感元件為實心或空心的柱體（筒式）（截面積S，材料彈性模量E），當柱體軸向受力F 作用時，在彈性范圍內(nèi)，應力 與應變 成正比關系 = EF/S 因為S 很大，所以F 也很大，可用來測很大的力。柱式力傳感器又稱為荷重傳感器荷重傳感器。 柱式柱式 筒式筒式 電阻應變式力傳感器28 汽車衡（地磅稱）一般采用荷重傳感器（柱式力傳感器）。292. 懸臂梁式力傳感器特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、加工比較容易，應

22、變片粘貼方便，靈敏度較高。用途：用途：小量限測力。 （1）等截面懸臂梁）等截面懸臂梁 當力F作用在懸臂梁自由端時，懸臂梁產(chǎn)生變形，在梁的上、下表面對稱位置對稱位置上應變大小相等，極性相反，若分別粘貼應變片R1、R4 和R2、R3 ，并接成差動電橋，則電橋輸出電壓Uo與力F成正比。（2）等強度懸臂梁）等強度懸臂梁 應力不隨應變片粘貼位置變化，即截面上的應力與x無關，任何截面上的應力都相等。30（3）特殊懸臂梁）特殊懸臂梁（a）雙孔梁：多用于小量程電子稱；（b）單孔梁：（c）（d）S型梁：適于較小載荷。雙圓孔懸臂梁式承壓傳感器雙圓孔懸臂梁式承壓傳感器 S型梁承壓傳感器型梁承壓傳感器 31應變傳感器

23、在衡器中的應用 用于衡器的傳感器一般有電阻應變片、彈性金屬結(jié)構(gòu)傳感器等。自從1983年將電阻應變片用于商用計價秤后，已逐漸取代傳統(tǒng)的機械式案秤和光柵式碼盤秤。這種電阻應變式計價秤的稱重誤差已可做到小于滿量程的0.02。 下面介紹用電阻應變片的電子秤結(jié)構(gòu)、工作原理和有關電路。 采用 S 形雙彎曲懸梁應變測力傳感器，和單片機相結(jié)合構(gòu)成數(shù)字式電子秤的核心，可具有零點跟蹤、非線性校正、精度選擇、稱重、去皮重、累計、顯示、打印等多種功能。 32 傳感器彈性體為雙彎曲梁，四片應變片分別粘貼在梁的上、下兩表面上，組成全橋電路。當載荷 W 作用時，R1、R3 受拉伸。阻值增加，R2、R4 受壓縮，阻值減小，電

24、橋失去平衡，產(chǎn)生電壓輸出，且與 W成正比。 為解決稱載物放置位置 x 對稱載結(jié)果的影響，在傳感器上裝配上、下承壓板，變成了S 形狀。33 S 形雙彎曲梁應變式測力傳感器有以下特點：（1）輸出靈敏度高。由于結(jié)構(gòu)是雙連孔形的，粘貼應變片處較薄，應變大；而其它部位較厚，強度好。（2）變化加載點不影響輸出。（3）抗側(cè)向力強。倘若增加一個側(cè)向力，對于中間梁而言，只增加了一對軸向力，則四個應變片將同時增、減，故對輸出無影響。（4）由于該秤只用一個測力傳感器，結(jié)構(gòu)簡單、精度高、量程寬、工作可靠。343薄壁圓環(huán)式力傳感器4輪輻式力傳感器特點： 在外力作用下，各點的應力差別較大。特點： 剛性比較大，同時利用它的

25、對稱性，能夠比較好地防止橫向力的影響。355軸剪切力傳感器（應變片式扭矩傳感器） 為了給旋轉(zhuǎn)的應變片輸入電壓和從電橋中取出檢測信號，在扭轉(zhuǎn)軸上安裝有集流環(huán)和電刷。應變式數(shù)顯扭矩扳手應變式數(shù)顯扭矩扳手 主要用于扭矩測量，扭轉(zhuǎn)軸發(fā)生如圖所示扭轉(zhuǎn)時，在相對于軸中心線45方向上會產(chǎn)生壓縮及拉伸力，從而將力加在旋轉(zhuǎn)軸上。如果在扭轉(zhuǎn)軸的表面貼上四個電阻應變片組成橋式電路， R1 、R3 受拉應力，R2、R4 受壓應力，便可檢測出壓縮及拉伸力，即可測出扭矩的大小。 36 電阻應變式壓力傳感器1筒式壓力傳感器 彈性元件為一具有盲孔的圓筒，當被測流體壓力 P 作用于筒體內(nèi)壁時，圓筒部分發(fā)生變形，沿圓筒周向粘貼的

26、應變片產(chǎn)生正應變。 用于管道及槍（炮）管內(nèi)壓力測量。用于管道及槍（炮）管內(nèi)壓力測量。2膜片式壓力傳感器 一個周邊固定的圓形金屬膜片，在壓力P 的作用下將產(chǎn)生彎曲變形，在膜片正應變區(qū)中心處沿切向貼兩片應變片R2、R3，在負應變區(qū)邊緣處沿徑向貼兩片應變片R1、R4 ，接成全橋差動線路。特點：特點：結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠。37右圖為恒壓源供電全橋右圖為恒壓源供電全橋差動直流電橋典型電路差動直流電橋典型電路基本應用平面膜片式壓力計 A1、A2、A3、A4為運放OP07， A1、A2 （同向放大器） 、A3 （差值放大器）組成同相輸入并串聯(lián)差動放大器（三運放儀器用放大器）。521u1RRRRRAfhff A

27、4構(gòu)成電壓跟隨器（對電位器的輸出電壓進行阻抗變換），通過調(diào)整正輸入端電位器，從而調(diào)整A4 輸出端電壓，與A2 的輸出相加，加到A3 同相輸入端，使壓力傳感器壓力為零時，電路輸出端電壓也為零，即對電路進行調(diào)零。放大倍數(shù)38 電阻應變式加速度傳感器1-質(zhì)量塊；質(zhì)量塊；2-應變粱；應變粱；3-硅油阻尼液；硅油阻尼液；4-應變片；應變片；5-溫度補償電阻；溫度補償電阻；6-絕緣套管；絕緣套管；7-接線柱；接線柱；8-電纜；電纜；9-壓線板；壓線板；10-殼體；殼體；11-保護塊保護塊 電阻應變式加速度傳感器是一種利用金屬應變片或半導體應變片作為敏感元件進行加速度測量的傳感器。分別可組成應變加速度計和壓

28、阻加速度計，它們體積小、重量輕、輸出阻抗低，可用于飛機、輪船、機車、橋梁等振動振動加速度加速度的測量。 在應變梁2的一端固定質(zhì)量塊1，另一端固定在殼體10上，在梁的上下兩面粘貼應變片4，梁和質(zhì)量塊的周圍充滿硅油阻尼液，用以產(chǎn)生必要的阻尼。測量振動時，將殼體和被測對象剛性固定在一起，因此作用在質(zhì)量塊上的慣性力 F=ma 使懸臂梁產(chǎn)生變形（應變）。應變片所構(gòu)成的電橋失去平衡而輸出電壓。此輸出電壓的大小正比于外界振動加速度a。 392.2 半導體應變片及壓阻式傳感器2.2.1 半導體應變片 半導體應變片是用半導體材料，采用與絲式金屬應變片相同方法制成的。 半導體應變片的工作原理是基于半導體材料的壓阻

29、效應壓阻效應。 壓阻效應：材料的電阻率電阻率隨作用應力而變化的現(xiàn)象稱為該材料的壓阻效應 。 所有材料在某種程度上都呈現(xiàn)壓阻現(xiàn)象，但半導體材料的這種效應特別顯著，能直接反映出微小的應變。 半導體壓阻效應可解釋為：由應變引起能帶變形，從而使能帶中的載流子遷移率及濃度也相應地發(fā)生相對變化，因此導致電阻率變化。401 應變片應變片 2 半導體敏感條半導體敏感條3 外引線外引線 4 引線連接片引線連接片5 內(nèi)引線內(nèi)引線v 體形半導體應變片的結(jié)構(gòu)形狀v半導體應變片的制作方法1.將半導體材料按所需晶向切割成片或條，粘貼在彈性元件上，制成單根狀敏感柵使用，稱作“體型半導體應變片”。2.將P型雜質(zhì)擴散到N型硅片

30、上，形成極薄的導電P型層，焊上引線即成應變片稱作“擴散硅應變片”。41優(yōu)點：優(yōu)點：尺寸、橫向效應和機械滯后都很小，靈敏度高，頻率響應范圍很寬，輸出幅值大，不需要放大器，可直接與記錄儀連接使用，使測量系統(tǒng)簡單，分辨率高。缺點：缺點：溫度系數(shù)大，測量較大應變時非線性比較嚴重。v 半導體電阻應變片的測量電路 一般采用直流電橋電路，但須采用溫度補償措施，如圖所示。422.2.2 壓阻式傳感器 半導體硅有良好的彈性形變性能和顯著的壓阻效應。利用硅的壓阻效應和集成電路技術制成的力傳感器，具有靈敏度高、動態(tài)響應快、工作溫度范圍寬、穩(wěn)定性好、易集成化等一系列優(yōu)點，因此應用日益廣泛。 早期的硅壓力傳感器是半導體

31、應變片式的，是金屬應變片的延伸；是利用半導體比金屬高的靈敏系數(shù)，代替合金材料，把硅片或其制成的芯片粘貼在彈性體上，但沒脫離應變片的模式。70年代，采用集成電路技術研制的擴散型壓阻式傳感器（或稱固態(tài)壓阻式傳感器），克服了粘貼帶來較大的滯后和蠕變以及固有頻率較低和集成化困難的缺點，而且把應變電阻條和誤差補償、信號調(diào)整等電路集成在一塊硅片上。 （1）半導體材料的壓阻系數(shù)）半導體材料的壓阻系數(shù) （2）壓阻式傳感器的組成和工作原理）壓阻式傳感器的組成和工作原理（3）硅杯的結(jié)構(gòu)與材料）硅杯的結(jié)構(gòu)與材料 （4）擴散電阻條的阻值、尺寸、取向與位置）擴散電阻條的阻值、尺寸、取向與位置（5）壓阻式傳感器的溫度漂移

32、）壓阻式傳感器的溫度漂移 （6）壓阻式傳感器的應用）壓阻式傳感器的應用43（1）半導體材料的壓阻系數(shù) 材料電阻的變化為對半導體材料， ，幾何尺寸變化引起的電阻變化可忽略，電阻阻值的變化主要是因電阻率變化引起的，即由半導體理論可知，硅和鍺的縱向電阻率的相對變化21RR21RRELLL 沿晶向L的壓阻系數(shù)（m2N）；沿晶向L的應力（Nm2）； E 半導體材料的彈性模量（Nm2）；軸向應變。半導體材料的應變靈敏系數(shù) ERRKLB如半導體硅，L =(4080)1011 m2N，E = 1.671011Nm2 ，則KB = 50100。遠比金屬應變片靈敏系數(shù) K = 2 大得多。 44 由于半導體材料的

33、晶體各向異性，在應力作用下，晶格變形，使能帶結(jié)構(gòu)變化，載流子濃度和遷移率變化，即半導體的半導體的壓阻效應與晶向有關壓阻效應與晶向有關。 影響壓阻系數(shù)大小的主要因素是擴散雜質(zhì)的表面濃度和環(huán)境溫度。壓阻系數(shù)隨擴散雜質(zhì)濃度的增加而減小，表面雜質(zhì)濃度相同時，P 型硅的壓阻系數(shù)比 N 型硅的（絕對）值高，因此選 P 型硅有利于提高敏感器件的靈敏度。 用于制作半導體傳感器的半導體材料主要有：硅、鍺、銻化銦、磷化銦、砷化鎵等，其中最常用的是硅和鍺。 擴散型壓阻式傳感器一般簡稱為：壓阻傳感器、擴散硅。45（2）擴散型壓阻式傳感器的組成和工作原理 組成： 擴散型壓阻式傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。核

34、心器件是一個周邊固定支承的硅敏感膜片，即硅壓阻芯片，因形狀象杯故名硅杯硅杯。上面用擴散摻雜法做成四個相等的硅應變電阻條，經(jīng)蒸鍍金屬電極及連線，接成惠斯通電橋，再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側(cè)是和被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。 工作原理： 當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應變，從而使擴散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相對應的電壓，其大小就反映了膜片所受壓力差值。 (a)擴散型硅壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)擴散型硅壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu) (b)硅膜片尺寸硅膜片尺寸 (c)應變電阻條排列方式。應變電阻條排列方式。46（3） 硅杯的結(jié)構(gòu)與材料 通常選用

35、通常選用N型硅做膜片，在其上擴散型硅做膜片，在其上擴散P型雜質(zhì)，形成應變電阻條。型雜質(zhì)，形成應變電阻條。 P型電阻條的壓阻系數(shù)比N型大、靈敏度也高，而溫度系數(shù)又小，也易制造。 N型硅膜片晶向選取，既要考慮靈敏度，又要考慮各向異性腐蝕形成硅杯的工藝。一般選取，或晶向硅膜片。N型硅膜片的電阻率，通常選取815cm。經(jīng)擴散成P型硅電阻條所形成的PN結(jié)隔離作用有足夠的耐壓性。 011 硅壓阻芯片常采用兩種結(jié)構(gòu)，周邊固定支承的圓形硅杯和矩形（正方形）硅杯。采用周邊固定支承硅杯結(jié)構(gòu)，使硅膜片與固定支承環(huán)構(gòu)成一體，既可提高靈敏度，減少非線性誤差和滯后，又便于集成化和批量生產(chǎn)。圓形硅杯最常采用，工藝成熟。47

36、（4）擴散電阻條的阻值、尺寸、取向與位置 硅芯片是在N型膜片上擴散的四個P型電阻條，并接成全橋差動電橋。電阻條的阻值、尺寸、取向與位置都對傳感器的靈敏度有很大影響。 擴散電阻條的阻值與幾何尺寸為了輸出較大電壓UL，要考慮與負載電阻 RL 的匹配。負載電阻兩端電壓為 L0oL0LoL11RRURRRUU只有R0 / RL 1時，有 oLUU 所以電橋的等效電阻 R0 應小些，一般取每個擴散電阻值為5003000。 (a)(a)四個擴散電阻條所構(gòu)成的電橋四個擴散電阻條所構(gòu)成的電橋 (b)(b)傳感器與負載的等效電路傳感器與負載的等效電路48常用擴散電阻條如圖所示，其阻值可按下式計算式中，l 為擴散

37、電阻長；b 為擴散電阻寬；RS 為方塊電阻。 blRRS 方塊電阻 RS 是長與寬都等于 b 的電阻，其阻值用符號表示，RS由擴散雜質(zhì)表面濃度 NS 和 PN 結(jié)深度決定。RS 約為 10800 時，式 l / b 值一般取 50 100。常采用 b = 5 30m。電阻長度 l 則由寬度 b 和方塊數(shù)決定。實際的擴散電阻兩端有引線孔，為避免電阻過長，制成如圖 (c)所示的結(jié)構(gòu)，它制作簡單、散熱好。 (a)(a)胖型電阻條胖型電阻條 (b)(b)瘦型電阻條瘦型電阻條 (c)(c)折曲型電阻條折曲型電阻條49 擴散電阻條的取向與位置 要獲得大的電阻相對變化，提高傳感器的靈敏度，擴散電阻條應選擇在

38、壓阻效應較大的晶向上，以及應力較大的部位上。擴散電阻條連接成全橋差動電橋時，應滿足膜片受力后一對電阻條的RR為正值，另一對為負值。 總之，取向上可只利用縱向壓阻效應或縱向與橫向壓阻效應均利用。定位上，可使電阻在同一應力區(qū)內(nèi)，也可分別位于正負兩個應力區(qū)內(nèi)。 50（5）壓阻式傳感器的溫度漂移 由于半導體材料對溫度的敏感性，壓阻式傳感器受到溫度變化影響后，將產(chǎn)生零點漂移和靈敏度漂移。 零點溫度漂移是因為擴散電阻的阻值隨零點溫度漂移是因為擴散電阻的阻值隨溫度變化引起的溫度變化引起的。擴散電阻的溫度系數(shù)因擴散表面雜質(zhì)濃度不同導致薄層電阻大小各異而不一樣。但工藝上難于做到四個 P 型橋臂電阻的溫度系數(shù)完全

39、相同，則不可避免產(chǎn)生溫度變化時，無外力作用仍有電阻值的變化。 靈敏度溫度漂移是因為壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的靈敏度溫度漂移是因為壓阻系數(shù)隨溫度變化引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變小，則靈敏度下降。 所以，壓阻傳感器使用時必須進行溫度補償。51（6）壓阻式傳感器的應用 壓阻式傳感器主要用于測量壓力和加速度，應用最多的是壓阻式壓力傳感器，廣泛應用于流體壓力、差壓、液位測量，特別是它可以微型化，已有直徑為0.8mm的壓力傳感器。 恒流工作測壓電路恒流工作測壓電路 Dz1（LM385：2.5V電壓基準源）穩(wěn)定電壓2.5V，作為傳感器提供1.5mA恒流的基準電壓， R2上電壓也為2.5V（集成運放的輸出電壓

40、為有限值時，輸入差模電壓趨于0，v v）。mA5 . 1k67. 1V5 . 22I 傳感器為需恒流1.5mA驅(qū)動的擴散硅絕對壓力傳感器。52 恒壓工作測壓電路恒壓工作測壓電路 TL499A將電池的9V電壓提升為15V，經(jīng)運放A4變?yōu)?7.5V， 7.5V作為電橋恒壓源， 7.5V并為Rp2供電。53 壓力控制電路壓力控制電路 須將油壓控制在4.05.0MPa范圍內(nèi)，對應A1的輸出Uo為3.334.17V。 A2 、A3為電平比較器， 調(diào)整RP1 ，使A2的v= 3.33V；調(diào)整RP2 ，使A3的v= 4.17V 。Uo 3.33V時， A2輸出高電平； Uo 3.33V時， A2輸出低電平。

41、Uo 4.17V時， A3輸出低電平。A2、A3都為高電平時，油壓才正常；油壓過低時，A2輸出低電平，J1改變狀態(tài)，報警并可啟動油泵加壓； A3輸出低電平，J2改變狀態(tài)，報警并可停止油泵加壓。54 水深測量儀（投入式液位計）水深測量儀（投入式液位計） 水的深度不同，其壓力也不同，水的壓力隨水的深度呈線性變化。這樣只要能測得水的壓力，便可知水的深度，水深測量儀就是根據(jù)這一原理制成的。 水深測量儀的工作原理如圖所示。壓阻式壓力傳感器設置在測量探頭的中央，其感壓膜正對進水壓力通道。使用時將探頭投入水中，傳感器便可測得水的壓力而輸出電壓，該電壓經(jīng)測試儀表的轉(zhuǎn)換，便可直接從顯示器上讀出水的深度。 投入式

42、液位傳感器安裝方便，適應于深度為 幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其它液體的液位測量。 55 壓阻式加速度計其結(jié)構(gòu)和金屬絲(箔)應變式加速度計相類似。這里是用硅梁代替金屬梁，直接在硅梁上擴散四個應變電阻。 這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是體積小、靈敏度高、滯后小、蠕變小，具有良好的線性和穩(wěn)定性，頻率范圍從DC到幾十千赫。 壓阻式加速度計壓阻式加速度計562.3 電位器式傳感器 分類：v 按其特征函數(shù)（輸入輸出關系）：線性線性（函數(shù)）電位器式和非線性非線性（函數(shù)）電位器式；v 按結(jié)構(gòu)形式：線繞式線繞式和非線繞式非線繞式。用途：主要用于非電量變化較大非電量變化較大的測量場合，測量線位移和角位移、壓力、加速

43、度等。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能穩(wěn)定，輸出信號大，對環(huán)境條件要求不高；缺點：精度不夠高，動態(tài)響應較差，適合于變化緩慢的物理量的測量。 一、線繞式電位器傳感器一、線繞式電位器傳感器二、非線繞式電位器二、非線繞式電位器三、電位器式傳感器的應用三、電位器式傳感器的應用57一、線繞式電位器傳感器 1. 1. 線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理 2. 2. 線繞電位器式傳感器的階梯特性和電壓分辨率線繞電位器式傳感器的階梯特性和電壓分辨率 3. 3. 非線性線繞電位器結(jié)構(gòu)非線性線繞電位器結(jié)構(gòu) 581. 線繞電位器結(jié)構(gòu)和工作原理 線繞電位器的結(jié)構(gòu)主要由電阻絲、電刷和骨架三部分組成。電阻絲：

44、康銅、鎳鉻、卡瑪（Karma） 絲以及鉑銥、金銀。電刷：一般選用貴金屬。骨架：塑料、膠木、金屬（經(jīng)絕緣處 理）。 若線繞電位器的繞線截面積均勻，則電阻值隨線長的變化也是均勻的(線性)。 線繞電位器有直線位移型和角位移型。59 空載時，負載特性為線性?？蛰d時，負載特性為線性。q 當負載電阻 RL時， IL0，負載特性為非線性。2LLiLLLLiLLo)(xxxxxxxxxxRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU式中 ， 為線繞電位器的電阻和電壓靈敏度，分別表明了電刷單位位移所能引起的輸出電阻和輸出電壓的變化量。SR 、SV 均為常數(shù)。改變測量電阻值Rx 所引起輸出電壓Uo 的變化為線

45、性變化。（Uo 隨x線性變化）LRSRLUSiV（1）直線位移型 x 為線繞電位器電刷移動的長度，L 為其總長度，對應于電刷移動量 x 的電阻值為Rx 。 q 電位器為空載( RL = )時，IL = 0，對應的電阻變化為 得 RRUUxioxSLxRRRxxSLxUUVioUiLxRLUo60（2）角位移型 ： 角位移； k ：單位弧度對應 的電阻值。傳感器電阻靈敏度：kRSddkR 61 設共有n匝，第1匝 第m匝 由 得2. 線繞電位器式傳感器的階梯特性和電壓分辨率階梯特性階梯特性 當電刷在線圈上移動時，電位器的阻值隨電刷從一圈移動到另一圈是不連續(xù)變化的，故輸出電壓Uo也不連續(xù)變化，而是

46、階躍式地變化。電刷每移動一匝線圈使輸出電壓產(chǎn)生一次跳動，移動n匝，使輸出電壓產(chǎn)生n次跳動（階躍）。 nRRx1nmRRxmRRUUxio ii1o1UnRnRUU62小階躍： 當電刷從 m1 匝移至m 匝時，實際電刷不是一點，而有一定寬度。電刷瞬間使兩相鄰匝線短接(使電位器總匝數(shù)減少了一匝，為 n1 匝)，在每一個電壓階躍中產(chǎn)生一次小階躍Un nUUnmUnmUUUmmiii1oo1 iioUnmRnmRUUmii1o11UnmRnRmUUm其階躍值為短接時輸出電壓這個小階躍電壓Un 為i1o11UnmUm mmmUUUo1o1o0111ii1o1oUnmUnmUUUmmn63 線繞的線性電位

47、器實際輸出特性如右圖所示。 通?？偸菍]有小階躍的理想階梯狀特性曲線用于工程，這樣給使用帶來方便。mnUUUUn 隨m變化。m越大， Un 越大。643. 非線性線繞電位器結(jié)構(gòu) （1）用曲線骨架繞制的非線性變阻器 骨架的形狀決定特殊函數(shù)關系。（2）三角函數(shù)變阻器 它的輸出與輸入之間具有正弦函數(shù)關系。sin2ioUU sin2DL 有時為了需要，輸入量位移 x 和輸出電壓Uo 之間要求呈現(xiàn)某種特殊函數(shù)規(guī)律變化，因此在工業(yè)控制中，通常特制幾種非線性結(jié)構(gòu)的變阻器以供使用。常用的有： （近似）65（3）用分段法制成非線性變阻器 其結(jié)構(gòu)也能制成所需要的非線性關系的變阻器。（4）拋物線2kxR 66二、非線繞式電位器 線繞電位器優(yōu)點：精度高、性能穩(wěn)定、易于實現(xiàn)線性化等。 缺點：分辨率低、耐磨性差、壽命較短等。 因此人們研制了一些性能優(yōu)良的非線繞式電位器。 1. 膜式電位器膜式電位器 2. 導電塑料電位器導電塑料電位器 3. 光電電位器光電電位器