傳感器第二章——應(yīng)變片傳感器

1、第二章第二章 應(yīng)變片傳感器應(yīng)變片傳感器v金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 1 1、基本結(jié)構(gòu)；基本結(jié)構(gòu)； 2 2、工作原理工作原理 3 3、主要性能；主要性能； 4 4、溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償；溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償； 5 5、測(cè)量電路。測(cè)量電路。v半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 除上面除上面 1 1、外的有關(guān)內(nèi)容。、外的有關(guān)內(nèi)容。第二章第二章 應(yīng)變片傳感器應(yīng)變片傳感器第一節(jié)第一節(jié) 金屬應(yīng)變片傳感器金屬應(yīng)變片傳感器 應(yīng)變片是一種應(yīng)變片是一種測(cè)力（重）測(cè)力（重）或或測(cè)加速度測(cè)加速度傳感器。傳感器。主要應(yīng)用于工程測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。它具有以下特點(diǎn)：主要應(yīng)用于工程測(cè)量和實(shí)驗(yàn)。它具有以下特點(diǎn)：1 1、精度高（、精度高（ 0.1 or 0.0

2、5%F.S）、測(cè)量范圍廣）、測(cè)量范圍廣 (幾幾N-幾百幾百kN or 幾十幾十Pa-1011Pa)；2 2、頻率響應(yīng)特性較好（動(dòng)態(tài)范圍幾十、頻率響應(yīng)特性較好（動(dòng)態(tài)范圍幾十-幾百幾百kHz，響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間10-7秒秒/10-11秒）；秒）；3 3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕；、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，重量輕； 可在高（低）溫、高壓等惡劣環(huán)境中正常工作?？稍诟撸ǖ停?、高壓等惡劣環(huán)境中正常工作。 金屬應(yīng)變片傳感器金屬應(yīng)變片傳感器 并且有易于實(shí)現(xiàn)小型化和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。并且有易于實(shí)現(xiàn)小型化和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題：在大應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，有較大的非線性：在大應(yīng)變狀態(tài)時(shí)，有較大的非線性偏差；輸出信號(hào)

3、較弱，抗干擾能力差；是面測(cè)量而偏差；輸出信號(hào)較弱，抗干擾能力差；是面測(cè)量而不是點(diǎn)測(cè)量。不是點(diǎn)測(cè)量。 通過(guò)采取一定的補(bǔ)償措施，仍為應(yīng)用最廣和最有通過(guò)采取一定的補(bǔ)償措施，仍為應(yīng)用最廣和最有效的敏感元件。效的敏感元件。1 1、金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)、金屬絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 金屬絲應(yīng)變片是用直徑為金屬絲應(yīng)變片是用直徑為0.025mm0.025mm具有高電阻率具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排的電阻絲制成的。為了獲得高的阻值，將電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，稱為列成柵網(wǎng)狀，稱為敏感柵敏感柵，并粘貼在絕緣的基片上，并粘貼在絕緣的基片上，電阻絲的兩端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用電阻絲的兩

4、端焊接引線。敏感柵上面粘貼有保護(hù)用的覆蓋層。的覆蓋層。 常用敏感柵材料的主要性能常用敏感柵材料的主要性能(1) (1) 敏感柵敏感柵 它是應(yīng)變計(jì)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變它是應(yīng)變計(jì)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。它電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。它通常由直徑為通常由直徑為0.0150.05mm的金屬絲繞成柵狀，的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。一般用或用金屬箔腐蝕成柵狀。一般用l表示柵長(zhǎng)表示柵長(zhǎng)（0.2,0.5,1.0,100,200mm），），b表示柵寬表示柵寬(幾幾-10 mm)。其電阻值一般在其電阻值一般在100以上（以上（120/200）。）。 (2) (2) 基底基底 為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，

5、通常用為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計(jì)工粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變計(jì)工作時(shí)，基底起著把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作時(shí)，基底起著把試件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此，作用。為此，一般為，一般為0.020.020.04mm0.04mm。 其它其它 (3)(3)引線引線它起著敏感柵與測(cè)量電路之間它起著敏感柵與測(cè)量電路之間的過(guò)渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約的過(guò)渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.10.10.15mm0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。 (4)(4)蓋層蓋層用紙、

6、膠作成，覆蓋在敏感柵用紙、膠作成，覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。上的保護(hù)層；起著防潮、防蝕、防損等作用。 (5)(5)粘結(jié)劑粘結(jié)劑在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它把應(yīng)變計(jì)基底再粘貼在試件表面的被測(cè)部位。因它把應(yīng)變計(jì)基底再粘貼在試件表面的被測(cè)部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。 2 2、金屬應(yīng)變片的工作原理、金屬應(yīng)變片的工作原理 它的物理基礎(chǔ)是它的物理基礎(chǔ)是胡克定律胡克定律，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：，數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ：為應(yīng)力；：為應(yīng)力； ：為材料的彈性模量

7、；：為材料的彈性模量； ：為應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)條件是在彈性范圍內(nèi)。：為應(yīng)變，實(shí)現(xiàn)條件是在彈性范圍內(nèi)。 絲式應(yīng)變片傳感器的工作原理是金屬的絲式應(yīng)變片傳感器的工作原理是金屬的 ：由于應(yīng)力作用引起的電阻的相對(duì)變化；：由于應(yīng)力作用引起的電阻的相對(duì)變化；EE)/(sF)/(ll./0SKRR0/RR靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù) ：靈敏度系數(shù)。：靈敏度系數(shù)。 有有 。c c為材料常數(shù)；為材料常數(shù)； ：為材料的泊松比：為材料的泊松比(0.25-0.4)(0.25-0.4)。物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻值的相對(duì)變化。物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻值的相對(duì)變化。 在彈性范圍內(nèi)，在彈性范圍內(nèi)， ：1.8-3.61.8-3.6。

8、SK21)21 ( cKSSK3 3、金屬應(yīng)變片的主要特性、金屬應(yīng)變片的主要特性對(duì)多種材料制成的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)對(duì)多種材料制成的應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為試條件為：（1 1）被測(cè)試件為鋼材（泊松比被測(cè)試件為鋼材（泊松比0.2850.285）; ; （2 2）一維軸向應(yīng)力作用；）一維軸向應(yīng)力作用； 有有靈敏度約為靈敏度約為2 2. . 由于絲式應(yīng)變片敏感柵上圓弧柵的由于絲式應(yīng)變片敏感柵上圓弧柵的存在，使得應(yīng)變片即受軸向應(yīng)變又受橫向應(yīng)變的影存在，使得應(yīng)變片即受軸向應(yīng)變又受橫向應(yīng)變的影響，從而引起附加電阻變化的現(xiàn)象。響，從而引起附加電阻變化的現(xiàn)象。(2)(2)橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，電

9、阻的相對(duì)變化為：通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，電阻的相對(duì)變化為：其中其中n n敏感柵根數(shù)；敏感柵根數(shù)；r r為圓弧柵半徑；為圓弧柵半徑；L L為敏感柵為敏感柵總長(zhǎng)。上式可變?yōu)椋嚎傞L(zhǎng)。上式可變?yōu)椋嚎梢钥闯?，可以看出，絲式應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化是軸向應(yīng)絲式應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化是軸向應(yīng)變變 和橫向應(yīng)變和橫向應(yīng)變 共同作用的結(jié)果。共同作用的結(jié)果。yxKLrnKLrnnlLLKRR2) 1(2) 1(2/yyxxKKRR/xy橫向效應(yīng)系數(shù)橫向效應(yīng)系數(shù)H H 可以發(fā)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)，r越小，越小，l越大，則越大，則H越?。患丛叫?；即，的應(yīng)變片，的應(yīng)變片，引起的誤差引起的誤差。rnnlrnKKHxy) 1(2) 1(3)(3

10、)機(jī)械滯后機(jī)械滯后v現(xiàn)象現(xiàn)象 在加載或卸載過(guò)程中對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)在加載或卸載過(guò)程中對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變片的指示值不同，一般卸載時(shí)的輸出變片的指示值不同，一般卸載時(shí)的輸出加加載時(shí)的輸出，這種現(xiàn)象被稱為載時(shí)的輸出，這種現(xiàn)象被稱為機(jī)械滯后機(jī)械滯后。v產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 應(yīng)變片的殘余應(yīng)變。應(yīng)變片的殘余應(yīng)變。v消除方法消除方法 機(jī)械鍛煉機(jī)械鍛煉(4)(4)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)被測(cè)應(yīng)變隨時(shí)間變化時(shí)，應(yīng)變片的響應(yīng)特性。當(dāng)被測(cè)應(yīng)變隨時(shí)間變化時(shí)，應(yīng)變片的響應(yīng)特性。 考慮應(yīng)變波沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)的情況：考慮應(yīng)變波沿應(yīng)變片柵長(zhǎng)方向傳播時(shí)的情況：應(yīng)變波沿被測(cè)構(gòu)件的分布為：應(yīng)變波沿被測(cè)構(gòu)件的分布為：設(shè)應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)

11、變?yōu)椋涸O(shè)應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)椋簞t由應(yīng)變片測(cè)得的平均應(yīng)變?yōu)椋簞t由應(yīng)變片測(cè)得的平均應(yīng)變?yōu)椋簒x2sin)(0ttx2sin0llxxdxltlxlxmttsin.2sin2sin102/2/0(4)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 與中點(diǎn)應(yīng)變的相對(duì)誤差與中點(diǎn)應(yīng)變的相對(duì)誤差 為為:上式表明上式表明 的大小，取決于的大小，取決于 的。在的。在 時(shí)，時(shí)，有有 。若已知材料的聲速，可由。若已知材料的聲速，可由 、 確定應(yīng)變片確定應(yīng)變片的最高工作頻率的最高工作頻率 。m2).(61sin1llltmtl201_101l%2l6maxlVf（5 5）溫度效應(yīng)）溫度效應(yīng) 溫度效應(yīng)溫度效應(yīng)：應(yīng)變片在測(cè)量時(shí)，除電阻隨應(yīng)變而：應(yīng)變片在

12、測(cè)量時(shí)，除電阻隨應(yīng)變而變外，阻值受溫度影響很大變外，阻值受溫度影響很大 ，從而產(chǎn)生溫度誤差。，從而產(chǎn)生溫度誤差。 引起溫度誤差的因素有：引起溫度誤差的因素有：（1 1）應(yīng)變片電阻絲具）應(yīng)變片電阻絲具有一定的有一定的溫度系數(shù)溫度系數(shù) ；（；（2 2）電阻絲材料與被測(cè)試電阻絲材料與被測(cè)試件材料的線膨脹系數(shù)件材料的線膨脹系數(shù) 不同不同。 前者的定量表示為：前者的定量表示為： ， 后者為：后者為： 。 tRRtt1)(tKRRget)()(2t溫度效應(yīng)溫度效應(yīng) ：電阻溫度系數(shù)；電阻溫度系數(shù)； 和和 ：分別為試：分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。 絲式應(yīng)變片溫度效應(yīng)的數(shù)學(xué)表

13、達(dá)式為：絲式應(yīng)變片溫度效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 相應(yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)椋合鄳?yīng)的虛假應(yīng)變?yōu)椋簍egtKtRRRRRRgetttt)()()()(21tKtKRRgettt)(/)(溫度效應(yīng)和熱輸出溫度效應(yīng)和熱輸出 也稱為熱輸出，它是由于溫度變化引也稱為熱輸出，它是由于溫度變化引起應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變。起應(yīng)變片產(chǎn)生的應(yīng)變。 可以看出，熱輸出的大小不僅與應(yīng)變片敏可以看出，熱輸出的大小不僅與應(yīng)變片敏感柵材料的性能有關(guān)，而且與被測(cè)試材料的感柵材料的性能有關(guān)，而且與被測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)。線膨脹系數(shù)有關(guān)。t4 4、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償v結(jié)構(gòu)補(bǔ)償：通過(guò)敏感柵材料的選取或其結(jié)構(gòu)的變化結(jié)構(gòu)補(bǔ)償：通過(guò)敏感柵材料的選取或其結(jié)構(gòu)

14、的變化在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。它分為單絲自補(bǔ)償和在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。它分為單絲自補(bǔ)償和雙絲自補(bǔ)償。雙絲自補(bǔ)償。v電路補(bǔ)償法：將性能相同的應(yīng)變片粘貼在試件上使電路補(bǔ)償法：將性能相同的應(yīng)變片粘貼在試件上使它們感受應(yīng)變極性相反的應(yīng)變和相同的溫度變化，它們感受應(yīng)變極性相反的應(yīng)變和相同的溫度變化，并將其放在電橋的兩個(gè)相鄰橋臂上，可以實(shí)現(xiàn)部分并將其放在電橋的兩個(gè)相鄰橋臂上，可以實(shí)現(xiàn)部分溫度補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式稱為溫度補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方式稱為恒壓源半橋溫度補(bǔ)償恒壓源半橋溫度補(bǔ)償。恒壓源半橋溫度補(bǔ)償恒壓源半橋溫度補(bǔ)償v半橋補(bǔ)償?shù)馁N片方式半橋補(bǔ)償?shù)馁N片方式v恒壓源半橋溫度補(bǔ)償恒壓源半橋溫度補(bǔ)償結(jié)論結(jié)論可實(shí)現(xiàn)

15、零點(diǎn)的完全溫度補(bǔ)償可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的完全溫度補(bǔ)償，既無(wú)應(yīng)變時(shí)，傳感器輸出，既無(wú)應(yīng)變時(shí)，傳感器輸出不隨溫度變化；不隨溫度變化；一般情況下，其它測(cè)試點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；一般情況下，其它測(cè)試點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；但在一定但在一定條件下，可以忽略（較?。?。條件下，可以忽略（較?。?。金屬箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片 是利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約是利用照相制版或光刻技術(shù)將厚約2-10m2-10m的金的金屬箔制成所需要圖形的屬箔制成所需要圖形的敏感柵敏感柵。箔材料常為康銅或。箔材料常為康銅或鎳鉻合金等。鎳鉻合金等。 在常溫條件下在常溫條件下主要性能優(yōu)于絲式應(yīng)變片。主要性能優(yōu)于絲式應(yīng)變片。應(yīng)變花應(yīng)變花 5 5、測(cè)量測(cè)量

16、電路電路不平衡電橋測(cè)量不平衡電橋測(cè)量 應(yīng)變片常通過(guò)直流電橋?qū)崿F(xiàn)電阻到電壓的信號(hào)應(yīng)變片常通過(guò)直流電橋?qū)崿F(xiàn)電阻到電壓的信號(hào)變化。變化。 忽略電源內(nèi)阻忽略電源內(nèi)阻并且在并且在輸出為開(kāi)路輸出為開(kāi)路的理想狀況的理想狀況下，有：下，有： U Ug g是輸出電壓；是輸出電壓；E E是電源電壓。是電源電壓。 當(dāng)輸入信號(hào)為當(dāng)輸入信號(hào)為0 0時(shí)（沒(méi)有外力作用），要求時(shí)（沒(méi)有外力作用），要求電橋平衡，即電橋平衡，即 。此時(shí)有。此時(shí)有 。 （這被稱為（這被稱為） ERRRRRRRRUg)(432132413241RRRR0gU等臂電橋等臂電橋 設(shè)上述電橋?yàn)樵O(shè)上述電橋?yàn)榈缺垭姌虻缺垭姌?，有，?（1 1）當(dāng)）當(dāng) 為應(yīng)變

17、片時(shí)，為應(yīng)變片時(shí)， 為應(yīng)變片的初始電為應(yīng)變片的初始電 阻阻值。當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，根據(jù)電阻應(yīng)變效阻阻值。當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，根據(jù)電阻應(yīng)變效 應(yīng)，有應(yīng)，有 。則應(yīng)變片值。則應(yīng)變片值 ， 此時(shí)電壓輸出為：此時(shí)電壓輸出為： 在在 ，對(duì)上式作級(jí)數(shù)展開(kāi)且忽略二階小項(xiàng)，對(duì)上式作級(jí)數(shù)展開(kāi)且忽略二階小項(xiàng)01432RRRRR1R0R0RKR0R0RR 1000)21 (4)2(2RRERRERRRUg10RR（1 1）單臂電橋）單臂電橋有輸出電壓：有輸出電壓：電壓（相對(duì)）靈敏度：電壓（相對(duì)）靈敏度：理論非線性偏差：理論非線性偏差：可以看出，可以看出，輸入信號(hào)越大，非線性偏差越大輸入信號(hào)越大，非線性偏差越大。4.0ERR

18、UgKRRUUUL21210線性非線性線性4)/(0ERRUKgu（2 2）半橋工作）半橋工作 和和 均為應(yīng)變片，并且兩者的均為應(yīng)變片，并且兩者的應(yīng)變極性相反應(yīng)變極性相反，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)， 和和 的阻值變化為：的阻值變化為： ，此時(shí)輸出電壓為：此時(shí)輸出電壓為：線性度：線性度：靈敏度：靈敏度：2.0ERRUg0L2)/(0ERRUKgu1R2R2R1R1R2RRR0RR0（3 3）全橋工作）全橋工作 、 、 和和 均為應(yīng)變片，它們的應(yīng)變極性均為應(yīng)變片，它們的應(yīng)變極性應(yīng)滿足應(yīng)滿足“相鄰相反，相對(duì)相同相鄰相反，相對(duì)相同”的原則。其阻值變化的原則。其阻值變化為：為： ； ； ； ；輸出

19、電壓為：輸出電壓為：線性度：線性度： 靈敏度：靈敏度：ERRUg00LERRUKgu)/(01R2R3R4R3RRR02RRR04RRR01RRR0一般情況一般情況設(shè)：設(shè)： n n為橋臂電阻比為橋臂電阻比輸出電壓：輸出電壓：電路靈敏度：電路靈敏度： ，（，（經(jīng)常取經(jīng)常取n=1n=1）一般一般E E不能太大（不能太大（E-20VE-20V）；在）；在 時(shí)，時(shí)， 最大。最大。ERRRRRRRRRRRRUg)()(4433221122121nRRRR3412EnnKu2) 1( 1nuK結(jié)結(jié) 論論v綜合考慮電路性能和經(jīng)濟(jì)原則，常使用綜合考慮電路性能和經(jīng)濟(jì)原則，常使用v為保障輸出性能穩(wěn)定，電橋電源常用

20、為保障輸出性能穩(wěn)定，電橋電源常用高精度穩(wěn)壓源；高精度穩(wěn)壓源；v金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片傳感器傳感器的功能框圖如下：的功能框圖如下：第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 它是它是半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片，分為體型和擴(kuò)散型兩種。其，分為體型和擴(kuò)散型兩種。其特點(diǎn)是靈敏度高，溫度穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。特點(diǎn)是靈敏度高，溫度穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。一、壓阻效應(yīng)：一、壓阻效應(yīng)： 當(dāng)沿半導(dǎo)體某一軸向施以一定的機(jī)械力時(shí)，半導(dǎo)當(dāng)沿半導(dǎo)體某一軸向施以一定的機(jī)械力時(shí)，半導(dǎo)體因產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這就是體因產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這就是壓阻壓阻效應(yīng)效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)是美國(guó)人壓阻效應(yīng)是美國(guó)人SmithSmith

21、于于19541954年發(fā)現(xiàn)的；年發(fā)現(xiàn)的；19581958年貝爾實(shí)驗(yàn)室做出了硅力敏傳感器。年貝爾實(shí)驗(yàn)室做出了硅力敏傳感器。1 1、工作原理、工作原理壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ：為在：為在l l方向所受的應(yīng)力；方向所受的應(yīng)力； 是材料的壓阻系數(shù)。是材料的壓阻系數(shù)。 ：與半導(dǎo)體：與半導(dǎo)體、應(yīng)力方向與各晶軸方向的、應(yīng)力方向與各晶軸方向的有關(guān)。有關(guān)。根據(jù)胡克定律，壓阻效應(yīng)可以寫(xiě)為：根據(jù)胡克定律，壓阻效應(yīng)可以寫(xiě)為：lllll.KEl壓阻效應(yīng)和材料的晶向壓阻效應(yīng)和材料的晶向 忽略半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)忽略半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng), ,有：有： 。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度為半導(dǎo)體

22、應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度為 。說(shuō)明：目前使用最多的半導(dǎo)體應(yīng)變片材料是單晶硅。說(shuō)明：目前使用最多的半導(dǎo)體應(yīng)變片材料是單晶硅。 對(duì)對(duì)P P型，當(dāng)應(yīng)力沿型，當(dāng)應(yīng)力沿111111晶軸方向；對(duì)晶軸方向；對(duì)N N型，當(dāng)型，當(dāng)應(yīng)應(yīng) 力沿力沿100100晶軸方向時(shí)，可得到最大的壓阻效晶軸方向時(shí)，可得到最大的壓阻效應(yīng)。應(yīng)。.KRREKl晶向和晶面晶向和晶面2 2、壓阻應(yīng)變片的主要特性、壓阻應(yīng)變片的主要特性（1 1）應(yīng)變）應(yīng)變電阻變化特性電阻變化特性 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定 曲線，結(jié)果表明：曲線，結(jié)果表明：vN N型材料應(yīng)變片的型材料應(yīng)變片的（ ）； vP P型材料應(yīng)變片的型材料應(yīng)變片的（ ）。（2 2）與金屬應(yīng)變片

23、比，）與金屬應(yīng)變片比，；靈敏度；靈敏度；RR0NK0PK壓阻系數(shù)與壓阻系數(shù)與表面摻雜濃度的關(guān)系表面摻雜濃度的關(guān)系（3 3）電阻和靈敏度溫度特性）電阻和靈敏度溫度特性v與金屬應(yīng)變片相類似，溫度引起的電阻變化為：與金屬應(yīng)變片相類似，溫度引起的電阻變化為：v由于壓阻系數(shù)受溫度影響，有：由于壓阻系數(shù)受溫度影響，有： ， 靈敏度為：靈敏度為： 靈敏度系數(shù)：靈敏度系數(shù)： :-:-(0.10.7)%/c(0.10.7)%/c0 0，所以，所以tKtRRgett)()( Atl AEtK01AEtdtdKkttk壓阻系數(shù)與溫度變化的關(guān)系壓阻系數(shù)與溫度變化的關(guān)系3 3、溫度補(bǔ)償技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)v自補(bǔ)償技術(shù)：自

24、補(bǔ)償技術(shù)： 通過(guò)選擇通過(guò)選擇N N型半導(dǎo)體應(yīng)型半導(dǎo)體應(yīng)變片使熱輸出盡量小。變片使熱輸出盡量小。v電路補(bǔ)償技術(shù)：電路補(bǔ)償技術(shù)： 恒流源全橋補(bǔ)償恒流源全橋補(bǔ)償（）RIUsc半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償技術(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償技術(shù)v零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償 在隨溫度變化較大的應(yīng)變片上并聯(lián)一個(gè)電阻在隨溫度變化較大的應(yīng)變片上并聯(lián)一個(gè)電阻RpRp。v靈敏度溫度補(bǔ)償靈敏度溫度補(bǔ)償 由于靈敏度隨溫度上升而減小（由于靈敏度隨溫度上升而減?。╧ kt t00），所以常），所以常通過(guò)在主回路上串聯(lián)幾個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（通過(guò)在主回路上串聯(lián)幾個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（-1.9-1.9-2.4mv/c2.4mv/c0 0）的二極管實(shí)現(xiàn)

25、溫度補(bǔ)償。）的二極管實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路5 5、測(cè)量測(cè)量電路電路不平衡電橋測(cè)量不平衡電橋測(cè)量 應(yīng)變片常通過(guò)直流電橋?qū)崿F(xiàn)電阻到電壓的信號(hào)應(yīng)變片常通過(guò)直流電橋?qū)崿F(xiàn)電阻到電壓的信號(hào)變化。變化。 忽略電源內(nèi)阻忽略電源內(nèi)阻并且在并且在輸出為開(kāi)路輸出為開(kāi)路的理想狀況的理想狀況下，有：下，有： U Ug g是輸出電壓；是輸出電壓；E E是電源電壓。是電源電壓。 當(dāng)輸入信號(hào)為當(dāng)輸入信號(hào)為0 0時(shí)（沒(méi)有外力作用），要求時(shí)（沒(méi)有外力作用），要求電橋平衡，即電橋平衡，即 。此時(shí)有。此時(shí)有 。 （這被稱為（這被稱為） ERRRRRRRRUg)(432132413241RRRR0gU（1 1）等臂電橋

26、）等臂電橋- -單臂模式單臂模式有輸出電壓：有輸出電壓：電壓（相對(duì)）靈敏度：電壓（相對(duì)）靈敏度：理論非線性偏差：理論非線性偏差：可以看出，可以看出，輸入信號(hào)越大，非線性偏差越大輸入信號(hào)越大，非線性偏差越大。4.0ERRUgKRRUUUL21210線性非線性線性4)/(0ERRUKgu（2 2）等臂電橋）等臂電橋- -半橋工作模式半橋工作模式 和和 均為應(yīng)變片，并且兩者性能相同均為應(yīng)變片，并且兩者性能相同, ,應(yīng)變極應(yīng)變極性性相反相反，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)， 和和 的阻值變化為：的阻值變化為： ，此時(shí)輸出電壓為：此時(shí)輸出電壓為：線性度：線性度：靈敏度：靈敏度：2.0ERRUg0L2)/

27、(0ERRUKgu1R2R2R1R1R2RRR0RR0（3 3）等臂電橋）等臂電橋- -全橋工作模式全橋工作模式 、 、 和和 均為應(yīng)變片，它們的應(yīng)變極性均為應(yīng)變片，它們的應(yīng)變極性應(yīng)滿足應(yīng)滿足“相鄰相反，相對(duì)相同相鄰相反，相對(duì)相同”的原則。其阻值變化的原則。其阻值變化為：為： ； ； ； ；輸出電壓為：輸出電壓為：線性度：線性度： 靈敏度：靈敏度：ERRUg00LERRUKgu)/(01R2R3R4R3RRR02RRR04RRR01RRR0一般情況一般情況設(shè)：設(shè)： ，n n為橋臂電阻比為橋臂電阻比輸出電壓：輸出電壓：電路靈敏度：電路靈敏度：一般一般E E不能太大（不能太大（E-20VE-20V

28、）；在）；在 時(shí)，時(shí)， 最大。最大。 （經(jīng)常取經(jīng)常取n=1n=1）ERRRRRRRRRRRRUg)()(4433221122121nRRRR3412EnnKu2) 1( 1nuK結(jié)結(jié) 論論v綜合考慮電路性能和經(jīng)濟(jì)原則，常使用綜合考慮電路性能和經(jīng)濟(jì)原則，常使用v為保障輸出性能穩(wěn)定，電橋電源常用為保障輸出性能穩(wěn)定，電橋電源常用高精度穩(wěn)壓源；高精度穩(wěn)壓源；v金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片傳感器傳感器的功能框圖如下：的功能框圖如下：第二節(jié)第二節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 它是它是半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片，分為體型和擴(kuò)散型兩種。其，分為體型和擴(kuò)散型兩種。其特點(diǎn)是靈敏度高，溫度穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。特點(diǎn)是靈敏度高，

29、溫度穩(wěn)定性差，非線性嚴(yán)重。一、壓阻效應(yīng)：一、壓阻效應(yīng)： 當(dāng)沿半導(dǎo)體某一軸向施以一定的機(jī)械力時(shí)，半導(dǎo)當(dāng)沿半導(dǎo)體某一軸向施以一定的機(jī)械力時(shí)，半導(dǎo)體因產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這就是體因產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這就是壓阻壓阻效應(yīng)效應(yīng)。 壓阻效應(yīng)是美國(guó)人壓阻效應(yīng)是美國(guó)人SmithSmith于于19541954年發(fā)現(xiàn)的；年發(fā)現(xiàn)的；19581958年貝爾實(shí)驗(yàn)室做出了硅力敏傳感器。年貝爾實(shí)驗(yàn)室做出了硅力敏傳感器。1 1、工作原理、工作原理壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng) 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： ：為在：為在l l方向所受的應(yīng)力；方向所受的應(yīng)力； 是材料的壓阻系數(shù)。是材料的壓阻系數(shù)。 ：與

30、半導(dǎo)體：與半導(dǎo)體、應(yīng)力方向與各晶軸方向的、應(yīng)力方向與各晶軸方向的有關(guān)。有關(guān)。根據(jù)胡克定律，壓阻效應(yīng)可以寫(xiě)為：根據(jù)胡克定律，壓阻效應(yīng)可以寫(xiě)為：lllll.KEl壓阻效應(yīng)和材料的晶向壓阻效應(yīng)和材料的晶向 忽略半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)忽略半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng), ,有：有： 。 半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度為半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度為 。說(shuō)明：目前使用最多的半導(dǎo)體應(yīng)變片材料是單晶硅。說(shuō)明：目前使用最多的半導(dǎo)體應(yīng)變片材料是單晶硅。 對(duì)對(duì)P P型，應(yīng)力沿型，應(yīng)力沿111111晶軸方向，對(duì)晶軸方向，對(duì)N N型，應(yīng)型，應(yīng) 力沿力沿100100晶軸方向時(shí)，可得到最大的壓阻效晶軸方向時(shí)，可得到最大的壓阻效 應(yīng)。應(yīng)。.KRREKl

31、晶向和晶面晶向和晶面2 2、壓阻應(yīng)變片的主要特性、壓阻應(yīng)變片的主要特性（1 1）應(yīng)變）應(yīng)變電阻變化特性電阻變化特性 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定 曲線，結(jié)果表明：曲線，結(jié)果表明：vN N型材料應(yīng)變片的型材料應(yīng)變片的（ ）； vP P型材料應(yīng)變片的型材料應(yīng)變片的（ ）。（2 2）與金屬應(yīng)變片比，）與金屬應(yīng)變片比，；靈敏度；靈敏度；RR0NK0PK壓阻系數(shù)與壓阻系數(shù)與表面摻雜濃度的關(guān)系表面摻雜濃度的關(guān)系（3 3）電阻和靈敏度溫度特性）電阻和靈敏度溫度特性v與金屬應(yīng)變片相類似，溫度引起的電阻變化為：與金屬應(yīng)變片相類似，溫度引起的電阻變化為：v由于壓阻系數(shù)受溫度影響，有：由于壓阻系數(shù)受溫度影響，有： ，

32、靈敏度為：靈敏度為： 靈敏度溫度系數(shù)：靈敏度溫度系數(shù)： :-:-(0.10.7)%/c(0.10.7)%/c0 0，所以，所以tKtRRgett)()( Atl AEtK01AEtdtdKkttk壓阻系數(shù)與溫度變化的關(guān)系壓阻系數(shù)與溫度變化的關(guān)系3 3、溫度補(bǔ)償技術(shù)、溫度補(bǔ)償技術(shù)v自補(bǔ)償技術(shù)：自補(bǔ)償技術(shù)： 通過(guò)選擇通過(guò)選擇N N型半導(dǎo)體應(yīng)型半導(dǎo)體應(yīng)變片使熱輸出盡量小。變片使熱輸出盡量小。v電路補(bǔ)償技術(shù)：電路補(bǔ)償技術(shù)： 恒流源全橋補(bǔ)償恒流源全橋補(bǔ)償（）RIUsc半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償技術(shù)半導(dǎo)體應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償技術(shù)v零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償 在隨溫度變化較大的應(yīng)變片上并聯(lián)一個(gè)電阻在隨溫度變化

33、較大的應(yīng)變片上并聯(lián)一個(gè)電阻RpRp。v靈敏度溫度補(bǔ)償靈敏度溫度補(bǔ)償 由于靈敏度隨溫度上升而減?。ㄓ捎陟`敏度隨溫度上升而減?。╧ kt t00），所以常），所以常通過(guò)在主回路上串聯(lián)幾個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（通過(guò)在主回路上串聯(lián)幾個(gè)負(fù)溫度系數(shù)（-1.9-1.9-2.4mv/c2.4mv/c0 0）的二極管實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。）的二極管實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用應(yīng)變片傳感器的應(yīng)用（1 1）概念：具有彈性變形特性的元件稱為）概念：具有彈性變形特性的元件稱為彈性元件彈性元件。 （2 2）作用作用：將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移。：將力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移。 （3 3）分類：彈性元件

34、分為彈性敏感和彈性支撐元件。）分類：彈性元件分為彈性敏感和彈性支撐元件。 （4 4）基本特性：）基本特性： 彈性特性：彈性特性：外力與相應(yīng)變形間的關(guān)系。它常用剛度外力與相應(yīng)變形間的關(guān)系。它常用剛度或靈敏度表示?；蜢`敏度表示。彈性特性彈性特性剛度剛度K K： F F是作用在彈性元件上的外力；是作用在彈性元件上的外力；x x是彈性元件上的變是彈性元件上的變形。形。靈敏度靈敏度S Sn n： 在應(yīng)用中，若幾個(gè)彈性元件并聯(lián)，則有：在應(yīng)用中，若幾個(gè)彈性元件并聯(lián)，則有： 串聯(lián)時(shí)，有：串聯(lián)時(shí)，有： 。dxdFxFKx)(lim0dFdxKSn/1nininSS11/1nininSS1其它特性其它特性v彈性滯

35、后：加載和卸載曲線不重合的現(xiàn)象。彈性變彈性滯后：加載和卸載曲線不重合的現(xiàn)象。彈性變形之差稱為彈性滯后誤差。產(chǎn)生原因是彈性元件在形之差稱為彈性滯后誤差。產(chǎn)生原因是彈性元件在工作時(shí)分子間存在的內(nèi)摩擦。工作時(shí)分子間存在的內(nèi)摩擦。v彈性后效：元件加載后，不是立即完成相應(yīng)形變，彈性后效：元件加載后，不是立即完成相應(yīng)形變，而是在一定時(shí)間內(nèi)逐漸完成變形的現(xiàn)象。它是動(dòng)態(tài)而是在一定時(shí)間內(nèi)逐漸完成變形的現(xiàn)象。它是動(dòng)態(tài)測(cè)量中響應(yīng)滯后的原因之一。測(cè)量中響應(yīng)滯后的原因之一。v固有振動(dòng)頻率：元件的動(dòng)態(tài)特性和變換時(shí)的滯后現(xiàn)固有振動(dòng)頻率：元件的動(dòng)態(tài)特性和變換時(shí)的滯后現(xiàn)象與固有頻率有關(guān)。一般它通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，也可用象與固有頻率有關(guān)。一般它通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，也可