傳感器技術(shù)-第二章 電阻式傳感器

2.1應(yīng)變式傳感器2.2壓阻式傳感器第2章電阻式傳感器原理與應(yīng)用2/4/20231電阻式傳感器概述電阻式傳感器的基本原理就是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。根據(jù)傳感器組成材料變化或傳感器原理變化，產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器，主要包括應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，使用方便，性能穩(wěn)定，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等。應(yīng)用范圍：測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度和溫度等非電量參數(shù)。2/4/202322.1

應(yīng)變式傳感器利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量2/4/202332.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測(cè)量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用2/4/202342.1.1工作原理1.幾個(gè)概念應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力的作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象。彈性形變：當(dāng)外力除去后，物體能夠完全恢復(fù)其原來(lái)尺寸和形狀的應(yīng)變。彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體。應(yīng)變式傳感器：利用應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。2/4/202352.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變效應(yīng)：

即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。金屬的應(yīng)變效應(yīng)：金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械形變（拉力或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化的現(xiàn)象。2/4/20236如圖2-1所示，一根金屬電阻絲,在其未受力時(shí),原始電阻值為：式中:ρ——電阻絲的電阻率;

l——電阻絲的長(zhǎng)度;S——電阻絲的截面積。圖2-1金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)2/4/20237由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；電阻的相對(duì)變化量為：μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；E為材料的彈性模量；

σ為應(yīng)力值；2/4/20238金屬材料的電阻靈敏系數(shù)：材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K0為常數(shù)。2/4/202393.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類

敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底——絕緣覆蓋層——保護(hù)位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變

外力作用被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片2/4/202310應(yīng)變片的類型和材料

金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

2/4/202311金屬絲式應(yīng)變片

金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線

2/4/202312金屬箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：

（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求，

（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。2/4/202313金屬薄膜應(yīng)變片采用真空蒸鍍或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)2/4/202314注：電阻應(yīng)變片必須被粘貼在試件或彈性元件上才能工作。黏結(jié)劑和黏結(jié)技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有著直接的影響。2/4/2023152.1.2電阻應(yīng)變片的特性

1、靈敏系數(shù)2、橫向效應(yīng)3、溫度誤差及其補(bǔ)償2/4/202316電阻值：應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測(cè)得的電阻值；電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω絕緣電阻：應(yīng)變片引線與被測(cè)試件之間的電阻值，一般>100MΩ。最大工作電流：允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值。機(jī)械滯后：在循環(huán)加載時(shí)，加載特性與卸載特性不重合的現(xiàn)象。零漂：在一定溫度下，不受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化而變化的現(xiàn)象。蠕變：在一定溫度下，受恒定機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化而變化的現(xiàn)象。2/4/202317ΔR／R與?的關(guān)系在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系，即ΔR/R=K?；K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。標(biāo)稱靈敏系數(shù)：是出廠時(shí)測(cè)定的該批產(chǎn)品的平均靈敏系數(shù)值。一批產(chǎn)品中一般抽樣5％的產(chǎn)品來(lái)測(cè)定，取平均值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

（粘結(jié)層傳遞變形失真、還存在有橫向效應(yīng)）1、靈敏系數(shù)2/4/2023182、橫向效應(yīng)lεyεxεy應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來(lái)測(cè)量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。2/4/2023193、溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差：由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度（包括被測(cè)試件的溫度）影響很大。

產(chǎn)生溫度誤差的主要原因：①應(yīng)變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)；②電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。2/4/202320（1）電阻溫度系數(shù)誤差敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：RT=R

0(1+αΔT)式中:RT——溫度為t時(shí)的電阻值；

R0——溫度為t0時(shí)的電阻值；α——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)；ΔT——溫度變化值，ΔT=T-T0。當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：

ΔRTa=RT-R0=R0αΔT

2/4/202321（2）試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響①試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：不論環(huán)境溫度如何變化，電阻絲的變形仍和自由狀態(tài)一樣，不會(huì)產(chǎn)生附加變形。

②當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。2/4/202322設(shè)粘貼在試件上電阻絲長(zhǎng)度為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，應(yīng)變絲膨脹至lT1，試件伸長(zhǎng)為lT2，則應(yīng)變絲和試件的膨脹量分別為：2/4/202323由于二者黏結(jié)在一起，若βs<βg，則應(yīng)變絲被迫產(chǎn)生，附加變形：附加應(yīng)形：附加電阻變化：2/4/202324相應(yīng)的虛假應(yīng)變量：可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為：該誤差除與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片本身性能參數(shù)及試件的線膨脹系數(shù)有關(guān)。2/4/202325單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償2/4/202326

①電橋補(bǔ)償法電橋輸出電壓U0與橋臂參數(shù)的關(guān)系2/4/202327由上式可知,當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓U0的作用方向相反。測(cè)量應(yīng)變時(shí),工作應(yīng)變片R1粘貼在被測(cè)試件表面上,補(bǔ)償應(yīng)變片RB粘貼在與被測(cè)試件材料完全相同的補(bǔ)償塊上,且僅工作應(yīng)變片承受應(yīng)變。當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和Rb處于同一環(huán)境溫度為T(mén)（°C）的溫度場(chǎng)中，調(diào)節(jié)電橋參數(shù)使電橋達(dá)到平衡：2/4/202328一般取四個(gè)橋臂電阻相等。當(dāng)溫度升高或降低時(shí)，R1和RB變化量相同，電橋仍處于平衡狀態(tài)。當(dāng)有應(yīng)變作用時(shí)，工作應(yīng)變片又有新的增量而補(bǔ)償應(yīng)變片不承受應(yīng)變，不產(chǎn)生新增量，此時(shí)電橋輸出電壓為：2/4/202329電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好，缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。2/4/202330②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法粘貼在被測(cè)部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片

2/4/202331A、選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)α、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)βs，則不論溫度如何變化，均有=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。由式(2.1.16)可知，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過(guò)選擇敏感柵材料，使下式成立，即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?/4/202332R1R2組合自補(bǔ)償法B、雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成

選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足：則：通過(guò)調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來(lái)控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度

2/4/202333③熱敏電阻補(bǔ)償

UiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtTKRtU=Ui-URtK2/4/2023342.1.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

1直流電橋2非線性誤差及其補(bǔ)償2/4/2023351、直流電橋

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí),電橋輸出端看成開(kāi)路，電橋的輸出式為：應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化ΔR2/4/202336采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R。則：當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時(shí)，略去上式中的高階微量，則2/4/202337上式表明：①

ΔRi<<R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過(guò)的電流也大，若超過(guò)電阻應(yīng)變片所允許通過(guò)的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。2/4/202338略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng),假設(shè)ΔR1/R1<<1單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實(shí)際輸出電壓電橋的相對(duì)非線性誤差為2、非線性誤差及其補(bǔ)償冪級(jí)數(shù)：（1-a）-1=1+a+a2+a3+…(-1<a<1)2/4/202339減小非線性誤差采用的措施：（1）采用半橋差動(dòng)電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2當(dāng)：R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

2/4/202340輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全橋差動(dòng)電路2/4/2023412.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用1

應(yīng)變式力傳感器2

應(yīng)變式壓力傳感器3.應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器4

應(yīng)變式加速度傳感器2/4/2023421

、應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量：荷重或力主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等2/4/202343柱式力傳感器（1）柱(筒)式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；2/4/202344圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開(kāi)圖；（d）橋路連線圖2/4/202345JLBZ型柱式拉壓力傳感器。采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，具有精度高、長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定、密封性好。

適用于各種配料秤、吊鉤秤及各類專用秤等。2/4/202346(2)梁式力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高，適合于測(cè)5000N以下的載荷b0R1R2ll0Fbh①等截面懸臂梁2/4/202347b0R1R2ll0Fbh②等強(qiáng)度懸臂梁這種梁的特點(diǎn)是：在自由端加上作用力時(shí)，在梁上各處產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等。因此，應(yīng)變片沿縱向的粘貼位置誤差為零，但上、下對(duì)應(yīng)位置要求仍然嚴(yán)格。2/4/202348③雙端固定梁梁的兩端都固定，中加加載荷，應(yīng)變片要在中間的位置，并且按圖組成全橋。2/4/202349⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器

在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大2/4/2023502.應(yīng)變式壓力傳感器

εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器2/4/202351

應(yīng)變式壓力傳感器主要用來(lái)測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤，表達(dá)式分別為

2/4/202352應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，εrmax=εtmax；當(dāng)x=R時(shí)，εt=0，εr=－2εrmax。

特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成全橋測(cè)量電路，提高靈敏度和進(jìn)行溫度補(bǔ)償。避開(kāi)位置。2/4/202353筒式壓力傳感器測(cè)較大壓力

壓力較大時(shí)，多采用筒式壓力傳感器。機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定

2/4/202354組合式壓力傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上，而是粘貼在懸臂梁上。壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等，彈性元件先將壓力轉(zhuǎn)換成力，然后再轉(zhuǎn)換成應(yīng)變。通常用于測(cè)量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程。2/4/2023553.容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器2/4/202356液位傳感器感壓膜感受上面液體的壓力。當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為式中A1、A2——傳感器的傳輸系數(shù)；g——重力加速度(m/s2)；ρ——被測(cè)溶液的密度(Kg/m3)。如果被測(cè)溶液的密度不變，當(dāng)容器中溶液的液位h變化時(shí)，則輸出電壓也變化，這樣就構(gòu)成液位傳感器。2/4/202357式中G——容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量(N)；S——柱形容器的截面積(m2)。溶液重量與電橋輸出的關(guān)系式：

結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。

又由于表征壓膜上溶液重量，則對(duì)于等截面的柱形容器：2/4/2023584.

應(yīng)變式加速度傳感器在低頻（10~60Hz）振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用,但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊。應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—等強(qiáng)度梁2—質(zhì)量塊3—?dú)んw4—電阻應(yīng)變片2/4/202359

測(cè)量原理：將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。

適用范圍：不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10~60Hz范圍。位移傳感器2/4/202360柱（筒）式力傳感器2/4/2023612/4/202362原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。電子秤2/4/202363磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示電子秤2/4/202364吊鉤秤便攜式2/4/202365第二節(jié)壓阻式傳感器2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償2/4/2023662.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。 因?yàn)榘雽?dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。2/4/202367壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。2/4/202368對(duì)半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項(xiàng)可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示

半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小2/4/2023692.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)2.測(cè)量電路2/4/2023701.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)

主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多2/4/2023712.測(cè)量電路

恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響。2/4/2023722.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜

2/4/202373工作原理：

膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，

輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個(gè)電阻的配置位置：

按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。

設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動(dòng)電橋。

2/4/202374擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。2/4/202375

內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路壓阻式固態(tài)壓力傳感器2/4/2023762.2.4壓阻式加速度傳感器

它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個(gè)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在其根部?jī)擅?。擴(kuò)散電阻質(zhì)量塊基座應(yīng)變梁a2/4/2023772.2.5測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償由于制造、溫度影響等原因，電橋存在失調(diào)、零位溫漂、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問(wèn)題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。減少與補(bǔ)償誤差措施1.恒流源供電電橋

2.零點(diǎn)溫度補(bǔ)償3.靈敏度溫度補(bǔ)償2/4/2023781.恒流源供電電橋恒流源供電的全橋差動(dòng)電路假設(shè)ΔRT為溫度引起的電阻變化電橋的輸出為電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比，但與溫度無(wú)關(guān)，因此測(cè)量不受溫度的影響。2/4/2023792.溫度漂移及其補(bǔ)償U(kuò)R1R2R4R3U0RsRpVD溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移

零漂：擴(kuò)散電阻值隨溫度變化 串、并聯(lián)電阻串聯(lián)電阻Rs起調(diào)零作用并聯(lián)電阻RP起補(bǔ)償作用靈敏度漂移：壓阻系數(shù)隨溫度變化 串聯(lián)二極管2/4/202380壓阻式固態(tài)壓力傳感器利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開(kāi)來(lái)。2/4/202381小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器2/4/202382呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）2/4/202383投入式液位計(jì)壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。

2/4/202384材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試

2/4/202385－＋＋－±AD581+10V+15VA1AD74110Ω1500P200+10V+12Vba722.6Ω+15V－15V輸出Uo4.99K24.9K0~10V負(fù)載失調(diào)+15VA2AD52210KRg4114213368512711調(diào)整Rg使電路滿量程輸出為0~10V2/4/202386液罐秤示意圖1-電動(dòng)比例調(diào)節(jié)器；2-膨脹節(jié)；3-化學(xué)原料儲(chǔ)液罐A；4-化學(xué)原料儲(chǔ)液罐B；5-荷重傳感器（每罐各4只）；6-支撐構(gòu)件；7-支撐平臺(tái)2/4/202387物料定值分裝控制系統(tǒng)

稱重傳感器是影響電子秤測(cè)量精度的關(guān)鍵部件，選用應(yīng)變式稱重測(cè)力傳感器。四片電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號(hào)與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測(cè)量精度，所以要求橋壓很穩(wěn)定。2/4/202388計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值反映了測(cè)量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時(shí)，計(jì)算機(jī)還