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1、应变式传感器老师课件PPT第二章应变传感器的分类应变传感器的分类例：金属丝式应变片例：金属丝式应变片金属电阻丝应变片的基本结构金属电阻丝应变片的基本结构1-基片；基片；2-电阻丝；电阻丝；3-覆盖层；覆盖层；4-引出线引出线第二章2.12.1 金属应变片式传感器应变片式传感器2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 2.1.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2.1.3 2.1.3 温度特性（误差及其补偿）温度特性（误差及其补偿）2.1.4 2.1.4 测量电路测量电路2.1.52.1.5 应变式传感器应用应变式传感器应用第二章2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理2.1.
2、1.1 2.1.1.1 电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝（或半导体）在外力作：当金属丝（或半导体）在外力作用下发生机械变用下发生机械变形形时其电阻值发生变化的现象。时其电阻值发生变化的现象。当受轴向应力作用时有：当受轴向应力作用时有：F l、A、R第二章 设有一根长度为设有一根长度为l l、截面积为、截面积为S S、电阻率为、电阻率为的的金属丝，其电阻金属丝，其电阻R R为为 两边取对数，得两边取对数，得等式两边取微分，得等式两边取微分，得电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；称为金属丝长度方向上的应变或
3、轴向应变；截面积的相对变化。第二章dr/rdr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为 r r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知第二章对于金属材料金属材料，电阻率的变化满足以下关系。(C是金属材料的某个常数。)可将微分dR、d改写成增量R、比例系数比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。实验也证明：称为金属丝的应变灵敏系数。实验也证明：金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例关系。为导体的纵向应变，以微应变度量；为导体的纵向应变，以微应变度量；为应力值；为应力值；为电阻丝材料的
4、泊松比，一般金属为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.3-0.5=0.3-0.5；为压阻系数，与材质有关；为压阻系数，与材质有关；E E为材料的弹性模量；为材料的弹性模量；一般的第二章应变电阻的灵敏系数的特点应变电阻的灵敏系数的特点材料的几何尺寸变化引起的材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）随应变引起的（压阻效应）金属材料：金属材料：k k以前者为主，则以前者为主，则k k1+21+2=1.7-3.61.7-3.6半半 导导 体：体：k k值主要是由电阻率相对变化所决定值主要是由电阻率相对变化所决定物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。物理意义：单位应变引起的
5、电阻相对变化。第二章2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl由由敏敏感感栅栅1 1、基基底底2 2、盖盖片片3 3、引引线线4 4和和粘粘结结剂剂等等组成。组成。（1）敏感栅敏感栅 由由金金属属细细丝丝绕绕成成栅栅形形。电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值多多为为120120。应应变变片片栅栅长长大大小小关关系系到到所所测测应应变变的的准准确确度度，应应变变片片测测得得的的应应变变大大小小是是应应变变片片栅栅长长和和栅栅宽宽所所在在面面积积内内的的平平均轴向应变量。均轴向应变量。栅长栅长栅宽栅宽第二章2.1.1.2.2.1.1.2.应变片的组成应变片的组成 （2 2）基底和盖片基底
6、和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（4 4）引线引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。（3 3）粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。第二章金属箔式应变片金属箔式应变片金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。箔式电阻应
7、变片，如图。第二章金属薄膜应变片金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 金属应变计金属应变计2.1.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性 （一）灵敏系数灵敏系数（二）横向效应横向效应（三）机械滞后机械滞后（四）零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变（五）应变极限应变极限（六）动态特性动态特性第二章2.1.2.1 2.1.2.1 灵敏度系数灵敏度系数当当金金属属丝丝做做成成应应变变片片后后，
8、其其电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽的范围内均为线性关系。即宽的范围内均为线性关系。即K K为金属应变片的为金属应变片的“标称灵敏系数标称灵敏系数”。应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数K KS S。原因：胶。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。第二章 2.1.2.2 2.1.2.2 横向效应横向效应试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对试件与其上的应变片受单向应力时，其表面处于平面应变状态。对于由多条直线和圆弧部分组成敏感栅：于由多条直线和圆弧部分组
9、成敏感栅：直线段：沿轴向拉应变直线段：沿轴向拉应变x x，电阻，电阻圆弧段：沿横向压应变圆弧段：沿横向压应变y y等，电阻等，电阻 l lyxy第二章bOlrrdld0横向效应：横向效应：金金属属应应变变片片测测量量应应变变时时，构构件件的的轴轴向向应应变变 使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化，其其横横向向应应变变 r r也也将将使使敏敏感感栅栅半半圆圆弧弧部部分分的的电电阻阻发发生生变变化化，应应变变片片的的这这种种既既受受轴轴向向应应变变影影响响，又又受受横横向向应应变变影影响响而而引引起电阻变化的现象称为横向效应起电阻变化的现象称为横向效应。图为图为 应变片敏感栅半应变片敏感栅半圆
10、弧部分的形状。沿圆弧部分的形状。沿轴向应变为轴向应变为，沿横向，沿横向应变为应变为 r r。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分第二章2.1.2.3 2.1.2.3 机械滞后机械滞后产生原因：应应变变片片在在承承受受机机械械应应变变后后，其其内内部部会会产产生生残残余余变变形形，使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生少少量量不不可可逆逆变变化化；在在制制造造或或粘粘贴贴应应变变片片时时，敏敏感感栅栅受受到到不不适适当当的的变变形形或或者者粘粘结结剂剂固固化化不不充分。充分。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后机械滞后值还与应变片所机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关
11、。承受的应变量有关。第二章1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后2.1.2.4 2.1.2.4 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变零零点点漂漂移移产产生生原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。第二章 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生产生原因：由于胶层之间发生
12、“滑动滑动”，使力传到，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。敏感栅的应变量逐渐减少。2.1.2.5 应变极限在在一一定定温温度度下下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%10%）时时的最大真实应变值。的最大真实应变值。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限应变片的应变极限10%1影响因影响因素：粘结剂和基底素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应材料传递变形的性能及应变片的安装质量。变片的安装质量。第二章2.1.2.6 2.1.2.6 动态特性动态特性 设设一一频频率率为为 f f 的的正正弦弦应
13、应变变波波在在构构件件中中以以速速度度 v v 沿沿应应变变片片栅栅长长方方向向传传播播，在在某某一一瞬瞬时时 t t，应应变变量量沿沿构构件件分分布布如图所示。如图所示。应变片对应变波的动态响应0应变片1lx1x第二章设应变波波长为，则有=v/f。应变片栅长为l，瞬时t时应变波沿构件分布为应变片中点的应变为xt为t瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长l 范围内的平均应变m，其数值等于l 范围内应变波曲线下的面积除以l，即第二章平均应变m与中点应变t相对误差为（%）1.620.52误差误差的计算结果的计算结果1/201/10由上式可见，相对误差的大小只决定于的比值，表中给出了为1/10
14、和1/20时的数值。第二章式中应变波在试件中的传播速度；因为f为最高工作频率则若已知应变波在某材料内传播速度若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算，由上式可计算出栅长为出栅长为l，确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上，确定相对误差的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。的可测动态应变最高频率。第二章应变式传感器的特点精度高,测量范围广频率响应较好结构简单,尺寸小,质量轻使用环境广易于小型化、（固态化）价格低2.1.3 2.1.3 温度特性（误差及其补偿）温度特性（误差及其补偿）2.1.3.1 2.1.3.1 温度误差温度误差应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度
15、系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。第二章设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为第二章由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为K K应变片灵敏系数。应变片灵敏系数。第二章温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为相应的虚假应变为上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作上式为应变片
16、粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化用，在温度变化t 时，应变片的温度效应（或热输出）。时，应变片的温度效应（或热输出）。第二章2.1.3.3 2.1.3.3 温度补偿（自补偿法和线路温度补偿（自补偿法和线路补偿法）补偿法）单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片若要应变片在温度变化若要应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使时的热输出值为零，必须使即即选择应变片时，若使其电阻温度系数选择应变片时，若使其电阻温度系数和线膨胀系数和线膨胀系数与与满足上式的条件，即可实现温度自补满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝
17、自补偿应变片。第二章双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片是是由由两两种种不不同同电电阻阻温温度度系系数数（一一种种为为正正值值，一一种种为为负负值值）的的材材料料串串联联组组成成敏敏感感栅栅，以以达达到到一一定定的的温温度度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。(Ra)t=(Rb)t焊点RaRb第二章这这种种应应变变片片的的自自补补偿偿条条件件要要求求粘粘贴贴在在某某种种试试件件上上的的两两段段敏敏感感栅栅，随随温温度度变变化化而而产产生生的的电电阻阻增增量量大大小小相相等等，符符号号相反，即相反，即电路补偿法电路补偿法如图，电桥输
18、出电压与桥臂参数的关系为式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿。第二章测量应变时，使使用用两两个个应应变变片片，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，图中R1称为工作应变片。另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块块上上，图中R2，称为补偿应变片。补偿应变片粘贴示意图R1R2第二章当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升
19、高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即第二章若此时有应变作用，只会引起电阻若此时有应变作用，只会引起电阻R R1 1发生变化，发生变化，R R2 2不承受应变。故由前式可得输出电压为不承受应变。故由前式可得输出电压为第二章将将补补偿偿片片贴贴在在被被测测试试件件上上，既既能能起起到到温温度度补补偿偿作作用用，又又能提高输出的灵敏度，贴法如图所示。能提高输出的灵敏度，贴法如图所示。R1R2FFR1R2（b）（a）F图图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和和R2的变形方向的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值
20、相等，符号相反，相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片温度变化时，应变片R1和和R2的阻值变化的符号相同，大小的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。(b)图是受图是受单向应力的构件。补偿原理类似。单向应力的构件。补偿原理类似。构件受弯曲应力构件受单向应力第二章电桥补偿法电桥补偿法U0R1R4R3URbFFR1RbR1+RRb-RU0R1RR4R3URbR第二章2.1.4 电阻应变片的测量电路电阻应
21、变片的测量电路 1 1 直流（交流）电桥直流（交流）电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化应变片将应变的变化转换成电阻相对变化 R R/R R，要把电阻的变化转换成合适的电压或电，要把电阻的变化转换成合适的电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。流的变化，才能用电测仪表进行测量。第二章2.1.4.1 直流电桥 电阻应变片的测量线路多采用交流电桥电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大配交流放大器器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，如图，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，如图所示。当电源所示。当电源E E为电势源，其内阻为零
22、时，可求出检流计为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流中流过的电流I Ig g与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为第二章R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDIgB当当R1R4=R2R3时，时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则为无穷大，则B、D两点可视为开两点可视为开路，上式可以化简为路，上式可以化简为式中式中Rg为负载电阻，因而其输出电压为负载电阻，因而其输出电压Ug为为第二章设设R1为应变片的阻值，工作时为应变片的阻值，工作时R1有一增量有一增量R，当当为为拉拉伸伸应应变变时时，R为为正
23、正；压压缩缩应应变变时时，R为为负负。在上式中以在上式中以R1+R代替代替R1，则，则设设电电桥桥各各臂臂均均有有相相应应的的电电阻阻增增量量R1、R2、R3、R4时时在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。第二章1 1、等臂电桥、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用式得到上式表明：第二章当当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。时，输出电压与应变呈线性关系。若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的应应变变极极性性一一致致，即即同同为为拉拉应应
24、变变或或压压应应变变时时，输输出出电电压压为为两两者者之之差差；若若相相邻邻两两桥桥臂臂的的极极性性不不同同时时，输出电压为两者之和。输出电压为两者之和。若若相相对对两两桥桥臂臂应应变变的的极极性性一一致致时时，输输出出电电压压为为两两者者之之和和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。当仅桥臂当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为单臂工作时，理想输出电压为第二章当考虑单臂工作时，当考虑单臂工作时，AB桥臂变化桥臂变化R，则，则由上式展开级数，得由上式
25、展开级数，得则电桥的相对非线性误差为则电桥的相对非线性误差为可见，可见，K愈大，愈大，愈大，通常愈大，通常K1。1/2K第二章例：设K=2，要求非线性误差1(RR)时，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k远小于1时，其非线性可得到很好改善；当k=1时，即为等臂电桥。第二章若RR，忽略上式分母中项，得到可可见见，在在一一定定应应变变范范围围内内，第第二二对对称称电电桥桥的的输输出出与与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出电压小应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出电压小倍倍 。第二章放大器的选择：放大器的选择：n交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外
26、界干扰和电源影响小及造价低等优点，外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。电容影响大等缺点。n直流放大器工作频带宽，能解决分布电容直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。价较高。第二章单臂电桥，即单臂电桥，即R1桥臂变化桥臂变化R，理想的线性关系，理想的线性关系实际输出电压实际输出电压电桥的相对非线性误差为电桥的相对非线性误差为2.1.4.2 2.1.4.2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿第二章减小非线性误差减小非线性误差采用的
27、措施为采用的措施为：（1）采用半桥差动电桥R1R2F第二章R1+RR3R2-RR4UOUR1R2R3R4=R，R1R2=R严格的线性关系严格的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用温度补偿作用第二章输出电压为：全桥差动电路全桥差动电路第二章R1+RR2-RUOUR3-RR4+R2.1.5 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用n n2.1.5.12.1.5.1应变式力传感器应变式力传感器n n2.1.5.2 2.1.5.2 应变式压力传感器应变式压力传感器n n2.1.5.3 2.1.5.3 应变式加速度传感器应变式加速度传感器第二章柱柱式式力力传传感感
28、器器2.1.5.1（1）圆柱力式传感器圆柱力式传感器（a）实心圆柱；（）实心圆柱；（b）空心圆筒；）空心圆筒；圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。第二章R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。从而构成了差动对。第二章2.1.5.1 (2)梁式力传感器梁式力传感器等截面梁结构简单，易加工，灵敏度高适合于测5000N以下的载荷b
29、0R1R1R2R2l l0 0l lF Fb bh 等截面悬臂梁第二章b0R1R1R2R2X Xl lF Fb bh 等强度悬臂梁 第二章 双端固定梁第二章2.1.5.2 2.1.5.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 trR4R3R1R2UU0膜片P P r r t tR1R2 R3R4rrtt膜片式压力传感器第二章AK-1型型应变式脉式脉动压力力传感器感器产品品特点：采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构尺寸小，安装方便频响高，精度高，性能稳定可靠适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量第二章2.1.5.3 2.1.5.3 应变式加速度传感器应变式加速度传感器由由端端部部固固定定并并带带有有
30、惯惯性性质质量量块块m m的的悬悬臂臂梁梁及及贴贴在在梁梁根根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器测量时，根据所测振动体加测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，速度沿图中箭头所示方向时，梁发生弯曲变形，应变片电梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度号，输出信号大小与加速度成正比。成正比。第二章2.2 压阻式传感器2.2
31、.1 2.2.1 半导体的压阻效应半导体的压阻效应2.2.2 2.2.2 体型半导体应变片体型半导体应变片2.2.3 2.2.3 固态压阻器件固态压阻器件第二章 压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。分为粘贴型和扩散型。新的物性型传感器。分为粘贴型和扩散型。2.2.1 2.2.1 压阻效应压阻效应单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变化，这种现象被称为压阻效应变化，这种现象被称为压阻效应。对半导体材料电阻相对变化量第二章由由于于EE一一般般都都比比（1+
32、21+2）大大几几十十倍倍甚甚至至上上百百倍倍，因因此此引引起起半半导导体体材材料料电电阻阻相相对对变变化化的的主主要要原原因因是是压压阻阻效效应应，所所以以上上式式可可近近似写成似写成 式式 中中 压压 阻阻 系系 数数；E E弹弹 性性 模模 量量；应力；应力；应变。应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。扩扩散散硅硅压压阻阻式式传传感感器器的的基基片片是是半半导导体体单单晶晶硅硅。单单晶晶硅硅是是各各向向异异性性材材料料，取取向向不不同同其其特特性性不不一一样样。而而取取向向是是用用晶晶向向表表示示的，所谓晶向就是晶面的法线方向的，所
33、谓晶向就是晶面的法线方向。第二章C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示附附1 1 晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法结晶体是具有多面体形态的固体。多面体的表面多面体的表面称为称为晶面晶面。晶面与晶面相交的直线称为晶面与晶面相交的直线称为晶棱晶棱，晶棱的晶棱的交点称为晶体的交点称为晶体的顶点顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为引进一组对称轴线，称为晶轴晶轴，用用X、Y、Z表示。表示。第二章单晶硅是各向异性的材料，取向不同，则压阻效应也不同。硅压阻传感器的芯片，就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。同时利用硅晶体各向异性、腐蚀速率不同的特性，采用腐蚀工
34、艺来制造硅杯形的压阻芯片。第二章 是从单晶硅或锗切下薄片制成。是从单晶硅或锗切下薄片制成。主要优点是灵敏系数大。横向效应和机械滞后极小；温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。2.2.2 2.2.2 体型半体型半导导体体电电阻阻应变应变片片 第二章2.2.3 2.2.3 固态压阻器件（扩散型）固态压阻器件（扩散型）1 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若若在在圆圆形形硅硅膜膜片片上上扩扩散散出出四四个个P P型型电电阻阻，构构成成惠惠斯斯登登电电桥桥的的四四
35、个个臂臂，这这样样的的敏敏感感器器件件通通常称为固态压阻器件常称为固态压阻器件，如图所示。1N-Si膜片2P-Si导电层3粘贴剂4硅底座5引压管6Si保护膜77引线第二章USCRR+RT图2.1-27恒流源供电ACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE2、测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿为为了了减减少少温温度度影影响响，压压阻阻器器件件一一般般采采用用恒恒流流源源供供电电。假假设设电电桥中两个支路的电阻相等，桥中两个支路的电阻相等，即即R RABCABC=R=RADCADC=2=2（R R+R RT T），故有），故有因此，电桥的输出为因此，电桥的输出为I第二章 USC=IR 电电电电桥
36、桥桥桥输输输输出出出出与与与与温温温温度度度度无无无无关关关关，但但但但是是是是，压压压压阻阻阻阻器器器器件件件件本本本本身身身身受受受受到到到到温温温温度度度度影影影影响响响响后后后后，要要要要产产产产生生生生零零零零点点点点温温温温度度度度漂漂漂漂移移移移和和和和灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度温温温温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。度漂移，因此必须采取温度补偿措施。度漂移，因此必须采取温度补偿措施。度漂移，因此必须采取温度补偿措施。第二章（1）零点温度补偿零点温度补偿零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图2.1-28所示。其中，RS是串联电
37、阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。补偿原理如下：R2R4R1R3USC图2.1-28温度漂移的补偿RpBCDARSEDi第二章由由于于零零点点漂漂移移，导导致致B B、D D两两点点电电位位不不等等，譬譬如如，当当温温度度升升高高时时，R R2 2的的增增加加比比较较大大，使使D D点点电电位位低低于于B B点点，B B、D D两两点点的的电电位位差差即即为为零零位位漂漂移移。要要消消除除B B、D D两两点点的的电电位位差差，在在R R2 2上上并并联联一一个个温温度度系系数数为为负负、阻阻值值较较大大的的电电阻阻R RP P，用用来来约约束束R R2 2的
38、的变变化化。当当温温度变化时，可减小度变化时，可减小B B、D D点之间的电位差，达到补偿的目的。点之间的电位差，达到补偿的目的。第二章（2）灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移是是由由于于压压阻阻系系数数随随温温度度变变化化而而引引起起的的。温温度度升升高高时时，压压阻阻系系数数变变小小；温温度度降降低低时时，压压阻阻系系数数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。第二章 因为二极管因为二极管PNPN结的温度特性为负值，温度每升高结的温度特性为负值，温度每升高11时，时，正向压降约减小正向压降约减小(1.9(1.92.5)mV2.5)mV。
39、将适当数量的二极管串联在电。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，见桥的电源回路中，见图图2.1-282.1-28。电源采用恒压源，当温度升高。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。便可以达到补偿的目的。补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中串联二极管的方补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源法。温度升高
40、时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。适当减小，同样可达到补偿的目的。第二章根据电桥的输出，应有根据电桥的输出，应有若若传传感感器器低低温温时时满满量量程程输输出出为为U USCSC，高高温温时时满满量量程程输输出为出为U USCSC，则，则UUSCSC=U USCSCUUSCSC，因此，因此第二章 而而R/RR/R可根据常温下传感器的电源电
41、压与满量程可根据常温下传感器的电源电压与满量程输出计算，从而可以求出输出计算，从而可以求出U USCSC。此值，便是为了补偿灵敏。此值，便是为了补偿灵敏度随温度下降，桥压需要提高的数值度随温度下降，桥压需要提高的数值E E。当当n n只二极管串联时，可得只二极管串联时，可得 nT=EnT=E式中式中二极管二极管PNPN结正向压降的温度系数，一般为结正向压降的温度系数，一般为-2mV/-2mV/；n n串联二极管的个数；串联二极管的个数；TT温度的变化范围。温度的变化范围。第二章根据上式可计算出用这种方法进行补偿时，必须考虑二极管正向压降的阈值，硅管为0.7V，锗管为0.3V。因此，要求恒压源提
42、供的电压应有一定的提高。第二章下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。它由应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电它由应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电流转换单元等组成。流转换单元等组成。第二章扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图电桥由电流值为电桥由电流值为1mA1mA的恒流源供电。硅杯未承受负荷时，的恒流源供电。硅杯未承受负荷时，因因R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，I I1 1=I I2 2=0.5mA=0.5mA，故，故A A、B B两点电位相等（两点电位相
43、等（U UACAC=U=UBCBC），电桥处于平衡状态，因此电流），电桥处于平衡状态，因此电流I I0 0=5mA=5mA。第二章 硅杯受压时，硅杯受压时，R R2 2减小，减小，R R4 4增大，因增大，因I I2 2不变，导致不变，导致B B点电点电位升高。同理，位升高。同理，R R1 1增大，增大，R R3 3减小，引起减小，引起A A点电位下降，电桥失点电位下降，电桥失去平衡（其增量为去平衡（其增量为U UABAB）。）。A A、B B间的电位差间的电位差U UABAB是运算放大是运算放大器器A A1 1的输入信号，它的输出电压经过电压的输入信号，它的输出电压经过电压电流变换器转换电流
44、变换器转换成相应的电流（成相应的电流（I I0 0+I I0 0），这个增大了的回路电流经过反馈），这个增大了的回路电流经过反馈电阻电阻R RF F，使反馈电压增加，使反馈电压增加U UF F+U UF F，于是导致，于是导致B B点电位下降，直点电位下降，直至至U UACACU UBCBC。扩散硅应变电桥在差压作用下达到了新的平衡。扩散硅应变电桥在差压作用下达到了新的平衡状态，完成了状态，完成了“力平衡力平衡”过程。当差压力量程上限值时，过程。当差压力量程上限值时，I I0 0=20mA=20mA，变送器的净输出电流，变送器的净输出电流I I204=16mA204=16mA。正交压力测风技术是WH0 推荐的换代测风技术之一，其中的核心部件就是采用固态硅压阻压力传感器。在大气探测中的应用大气静压测量也广泛采用绝压型压阻压力传感器 在大气检测中的应用此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢