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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用课程名称：传感器原理及应用课程名称：传感器原理及应用哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学实用传感器样品举例实用传感器样品举例品名品名 型号型号 特性参数特性参数 用途及使用方用途及使用方法法 外观外观 应变应变式力式力传感传感器器 LYB-5-A 测量范围：测量范围：01kg安全超载：安全超载：150%工作温度工作温度()：-20+60：工作电压：工作电压：DC5V综合精度：综合精度：0.03Kg 重复性：重复性：0.02%称重，应变测量，触力测称重，应变测量，触力测量量方法：方法：指定压力方向，将砝码等指定压
2、力方向，将砝码等质量块放上，标定后即可质量块放上，标定后即可使用使用 光电光电转速转速传感传感器器LHYF-12-A 检测距离：检测距离：010mm工作温度工作温度()：-20+50工作电压工作电压/电流：电流：DC12V响应频率：响应频率：500Hz 测量轴的转速。测量轴的转速。方法：在轴上贴上一小块方法：在轴上贴上一小块1平方厘米的反光纸，通平方厘米的反光纸，通过调节传感器与轴的距离过调节传感器与轴的距离和拧传感器上的调节钮使和拧传感器上的调节钮使传感器对轴不动作，对反传感器对轴不动作，对反光纸动作光纸动作 传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(1/7)(1/7)哈尔滨
3、工业大学哈尔滨工业大学磁电转速磁电转速传感器传感器 LCD-12-A 检测距离：检测距离：115mm工作温度工作温度()：-25+70工作电压工作电压/电流：电流：DC12V响应频率：响应频率：3KHz 测量轴的转速测量轴的转速 固体声测固体声测量传感器量传感器 LGS-5-A 测量距离：测量距离：03m工作电压：工作电压：DC5V灵敏度：正负灵敏度：正负5mm固体声测距方法：固体声测距方法：将两个拾音端分开将两个拾音端分开放置在工作台上即放置在工作台上即可进行声音测距实可进行声音测距实验验噪声噪声传感器传感器 LZS-5-A 工作温度工作温度()：-10+50工作电压：工作电压：DC12V工
4、作距离：工作距离：03m灵敏度灵敏度(0dB=1V/Pa)：-502dB信噪比：信噪比：58dB指向性：单向指向性：单向 响应频率：响应频率：2016KHz 测量设备噪声，测测量设备噪声，测量环境噪声进行环量环境噪声进行环境状况监测境状况监测 传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(2/7)(2/7)哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学红外漫射红外漫射式传感器式传感器 LHMF-12-A 探测距离：探测距离：50cm工作温度工作温度()：-10+55工作电压：工作电压：DC12V输出电流：输出电流：3000mA响应时间：响应时间：40ms物件计数，安防，物件计数，安防，设备保护等设备
5、保护等 红外反射红外反射式传感器式传感器 LHF-12-A 探测距离：探测距离：3m工作温度工作温度()：-10+55工作电压：工作电压：DC12V输出电流：输出电流：3000mA响应时间：响应时间：40ms 物件计数，测量物件计数，测量单摆周期等单摆周期等 红外对射红外对射式传感器式传感器 LHD-12-A 探测距离：探测距离：3cm工作温度工作温度()：-10+55工作电压：工作电压：DC12V输出电流：输出电流：200mA响应时间：响应时间：3ms 物件计数，测量物件计数，测量轴的转速等轴的转速等 传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(3/7)(3/7)哈尔滨工业大学
6、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(5/7)(5/7)温度温度传感传感器器 LWZ-5-A 测量范围测量范围()：0100工作电压：工作电压：DC12V灵敏度：正负灵敏度：正负0.5 一阶系统响应。方一阶系统响应。方法：将带有金属套法：将带有金属套筒的传感器放入恒筒的传感器放入恒温器中温器中 LWZ-5-B 测量范围测量范围()：0100工作电压：工作电压：DC12V灵敏度：正负灵敏度：正负0.5 环境状况监测，测环境状况监测，测量环境温度。量环境温度。湿度湿度传感传感器器 LSD-5-A 测量范围：测量范围：10%100%工作电
7、压：工作电压：DC12V线性电压输出：线性电压输出：Vout=2068RH+1079mv 环境状况监测，测环境状况监测，测量环境中的空气湿量环境中的空气湿度度 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(6/7)(6/7)酒精酒精传感器传感器 LJJ-5-A 工作状态：工作状态：202，655%工作电压：工作电压：DC5V测量环境中的测量环境中的酒精含量酒精含量方法：方法：将传感器放置将传感器放置在预设的不同在预设的不同的酒精含量中的酒精含量中测量测量 气体质气体质量传感量传感器器 LQZ-5-A 测量范围：测量范围：110ppm工作电压：工作电压：D
8、C5V灵敏度：灵敏度：0.150.5Rs 环境状况监测环境状况监测 光光传感器传感器 LGS-12-A 工作电压：工作电压：DC5V光谱峰值光谱峰值(nm)：560亮电阻亮电阻(10Lux,K)：20-30暗电阻暗电阻(M)：3 测光频率闪烁测光频率闪烁方法：方法：对准显示器对准显示器 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品传感器实际产品(7/7)(7/7)加速度加速度传感器传感器 YD-37 工作温度工作温度()：-10+75工作电压：工作电压：DC5V工作距离：工作距离：03m灵敏度：灵敏度：0.7-0.8mV/ms2频率频率(Hz)：1-10000 测量电
9、机振动，悬测量电机振动，悬臂梁固有频率臂梁固有频率方法：方法：放置在待测的实验放置在待测的实验台上，传感器器输台上，传感器器输出经过变送器，信出经过变送器，信号采集仪输入到计号采集仪输入到计算机中算机中 变送器变送器 SLM 测量范围：测量范围：工作电压：工作电压：DC12V灵敏度：灵敏度：0.520mV/ms2工作频率工作频率(Hz)：110000 将加速度传感器输将加速度传感器输出的信号调理成蓝出的信号调理成蓝津数据采集仪可分津数据采集仪可分辨的信号辨的信号 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2-1 电位器式传感器电位器式传感器 电位器是一个机电传感元件，它电位器是一
10、个机电传感元件，它作为传感器可以将作为传感器可以将机械位移机械位移或其它能或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的定函数关系的电阻值电阻值的变化，从而引的变化，从而引起起输出电压输出电压的变化。的变化。第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、电位器式传感器的种类一、电位器式传感器的种类1.1.线绕电位器线绕电位器线绕电位器线绕电位器 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活动触点）调节阻值大小。动触点）
11、调节阻值大小。特点：特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输）且稳定，输出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受到影响，分辨力也较低。到影响，分辨力也较低。2.2.合成膜电位器合成膜电位器合成膜电位器合成膜电位器 由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜。上形成电阻膜。特点：特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性分辨力高、阻
12、值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度在度在1%左右（经修刻后，可提高到左右（经修刻后，可提高到0.1%）；接触电阻大，抗潮性差，噪声）；接触电阻大，抗潮性差，噪声较大。较大。3.3.金属膜电位器金属膜电位器金属膜电位器金属膜电位器 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成。成。特点：特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率小、阻值较低（小、阻值较低（1K2K）。）。第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器
13、电阻式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器5.5.光电电位器光电电位器光电电位器光电电位器 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电极（鉻合金或银）。极（鉻合金或银）。图图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很
14、大而呈现绝缘状和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。出。特点：特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不
15、会光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。要场合仍得到应用。
16、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学图图3 线绕电位器实物图线绕电位器实物图第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器UiRx0Rx(等效电路等效电路)哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器三、线性线绕电位器电输出特性三、线性线绕电位器电输出特性VorR(L)Vix图中：图中：Vi电位器输入电压；电位器输入电压；V0电位器输出电压；电位器输出电压；R电位器总电阻；电位器总电阻；L电位器总行程；电位器总行程；x电刷行程；电刷行程；r电刷行程电刷行程x处对应电阻；处对应电阻；b骨架宽
17、度；骨架宽度；h骨架高度；骨架高度；t线绕节距；线绕节距；RL负载电阻。负载电阻。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l 负载误差负载误差第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器在在RL条件下，条件下，输输出出电压电压的表达式的表达式为为 显显然然RL时时，由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器若令负载系数若令负载系数mR/RL，行程比，行程比Xr/R=x/L，则有，则有 对对求一阶导数求一阶导数
18、取取的极大值的极大值，亦即，亦即可可见见相相对负载误对负载误差在差在x=1/2L处处有极有极值值。（负载误负载误差最大）差最大）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器2-2 应变式传感器应变式传感器 应变式式传感器是基于金属电阻的应变应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。效应制成。一、金属的电阻应变效应一、金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电金属的电阻应变效应阻应变效应。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第
19、二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器llrrFF 设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻系数为，电阻系数为的电阻丝，其电阻值的电阻丝，其电阻值R为：为：导线两端受到力导线两端受到力F作用时作用时哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器将上式取对数再微分，则引起电阻值变化将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：因因，由材料力学可知：由材料力学可知：（径向变化）（径向变化），式中，式中泊松比泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变应变。哈尔滨工业大学哈尔滨工业
20、大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器二、应变片的结构二、应变片的结构 应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器 敏感栅由很细的电阻丝（敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式）或箔式金属片（厚度为金属片（厚度为310m）组成。）组成。敏感栅常用下列材料制成敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：康铜（铜镍合金）：最常用；最常用；（2）镍鉻合金：镍鉻
21、合金：多用于动态；多用于动态；（3）镍鉻铝合金：镍鉻铝合金：作中、高温应变片；作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：铂及铂合金：高温动态应变测量。高温动态应变测量。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学l0PP2bar第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器图图4 放大的栅状电阻应变片及弯角放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图部分示意图纵向应变纵向应变 造成电阻增加
22、，横向应造成电阻增加，横向应变变 造成电阻减少。造成电阻减少。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器经推导得：经推导得：n直线部分栅丝的数目；直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。弯角部分的个数。可见可见 ，即应变片存在横向效应使应变片的灵即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式
23、传感器电阻式传感器（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。）电阻丝电阻本身就是温度的函数。（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：由热膨胀系数不同产生的电阻增量；由热膨胀系数不同产生的电阻增量；分别为试件、电阻丝的热膨胀系数。分别为试件、电阻丝的热膨胀系数。、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器 温度补偿的方法温度补偿的方法（1）采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材）采用敏感栅热处理或采用两种温度
24、系数的材料相互补偿的方法，使得敏感栅与试件热膨胀系料相互补偿的方法，使得敏感栅与试件热膨胀系数相似。数相似。（2）电桥补偿法（电路实现）。电桥补偿法（电路实现）。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器R1R2R3R4U若初始电阻若初始电阻 。电桥输出电压与各桥臂电阻的增量表达式为：电桥输出电压与各桥臂电阻的增量表达式为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器 每一个桥臂电阻变化均是两部分：一部分是每一个桥臂电阻变化均是两部分：一部分是应变应变引起的；引起的；另一部分是
25、另一部分是温度温度引起的。引起的。若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化相互抵温度变化引起的电阻相对变化相互抵消消，且不在电桥输出中反映。，且不在电桥输出中反映。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器RWRCR3R4URWRC半桥连接半桥连接哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RWRCR3R4U第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器RWRC差动半桥连接差动半桥连接哈尔滨工业
26、大学哈尔滨工业大学RWRCRWRCU第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器RWRCRWRW全桥连接全桥连接哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、应变片的主要参数四、应变片的主要参数1、几何尺寸几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长 和基底宽；和基底宽；2、初始电阻初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻(常常 用用120)；3、绝缘电阻绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；：敏感栅与基底间的电阻值；4、允许工作电流允许工作电流：最大的工作电流。：最大的工作电流。第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻
27、式传感器电阻式传感器电阻式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器五、应用举例五、应用举例举例举例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器举例举例2 2：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感
28、器电阻式传感器举例举例3：力传感器测量电路力传感器测量电路AD581+10V+15VA1AD741101500P200+10V+12Vba722.6+15V15V输出输出Uo4.99K24.9K010V负载负载失调失调+15VA2AD52210KRg4114213368512711调整调整Rg使电路满量程输出为使电路满量程输出为010V哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学举例举例4：电阻应变仪电阻应变仪第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器测测 量量电电 桥桥放大器放大器相相 敏敏检波器检波器低低 通通滤波器滤波器显示器显示器读读 数数电电 桥桥振荡器振荡器稳稳 压
29、压电电 源源基于双桥平衡法的静态应变仪基于双桥平衡法的静态应变仪哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器RW放大器放大器uRcuouoABC放大器输入信号放大器输入信号当当 时，时，因此因此（、K0、u0、R均为常数）均为常数）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器2-3 压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器利用硅的利用硅的压阻效应压阻效应和微电子技术制成。和微电子技术制成。特点特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和：灵敏度高、动态响应好、精度高、
30、易于微型化和 集成化。集成化。半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、半导体压阻效应一、半导体压阻效应第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器压阻效应：压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变固体受到作用力后，电阻率就要发生变 化，这种现象称为压阻效应。化，这种现象称为压阻效应。所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但在所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但在半导体材料中，这种效应特别显著。半导体材料中，这种效应特别显著。哈尔滨
31、工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器 金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变阻值变化阻值变化 半导体材料的电阻大小半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子取决于有限数目的载流子 空穴和电子的迁移。空穴和电子的迁移。加在一定加在一定晶向上晶向上的外界应力，引起半导体能带的的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。半导体电阻率产生相应的变化。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章
32、第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器半导体的电阻率半导体的电阻率 与载流子数与载流子数 之积成反比。之积成反比。e 电子电荷量。电子电荷量。应力作用于半导体时，同时使应力作用于半导体时，同时使 和和 发生发生变化，变化的大小和方向取决于半导体的类型、变化，变化的大小和方向取决于半导体的类型、载流子浓度以及作用于半导体某一晶向上的压力。载流子浓度以及作用于半导体某一晶向上的压力。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器式中：式中：纵向压阻系数纵向压阻系数 应力应力由材料力学知：由材料力学知：应力应力应变应变半导体材
33、料弹性模量半导体材料弹性模量这样这样哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器金属电阻丝的相对灵敏度系数为：金属电阻丝的相对灵敏度系数为：代入得到：代入得到：弹性模量弹性模量泊松比泊松比压阻系数压阻系数金属应变片金属应变片 基本不变基本不变金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片 变化变化半导体应变片半导体应变片哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器 常用的单晶硅材料是各向异性的，取向不同时常用的单晶硅材料是各向异性的，取向不同时特性不一样。取向用特性不一样。取向用晶
34、向晶向来表示。来表示。晶向晶向是晶面的法线方向，用是晶面的法线方向，用密勒指数密勒指数表示。表示。密勒指数密勒指数是在晶体是在晶体x、y、z 轴上晶面截距的倒数轴上晶面截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。化成的三个没有公约数的整数。压阻系数随晶向不同而异，压阻系数随晶向不同而异，晶向不同，压阻效晶向不同，压阻效应也明显不同。应也明显不同。对对P型硅来说，型硅来说，111晶向的相对晶向的相对灵敏度系数灵敏度系数K111达达150，而，而100晶向的晶向的K100只有只有10左右。左右。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第二章第二章第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器二、压阻器件的特性二、压阻器件的特性1、温度性能、温度性能 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生生零位温度漂移零位温度漂移和和灵敏度温度漂移灵敏度温度漂移。对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方法进行补偿。法进行补偿。2、线性度、线性度 对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测量范围内）。量范围内）。