應(yīng)變式傳感器 2.1.1 工作原理 2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性 2.1.3 測量電路 2.1.4 應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 2.1.1 工作原理 1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 長為 l、 截面積為 A、 電阻率為 的金屬或半導(dǎo)體絲 , 電阻 lR A 若導(dǎo)電絲在軸向受到應(yīng)力的作用 , 其長度變化 l, 截面 積變化 A, 電阻率變化 , 而引起電阻變化 R, 則 R l A R l A 0K21R R 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； 為電阻絲材料的泊松比 ， 一般金屬 = 0.3-0.5； 2.1.2 金屬應(yīng)變片的主要特性 （ 一 ） 靈敏系數(shù) （ 二 ） 橫向效應(yīng) （ 三 ） 溫度誤差及其補(bǔ) 償 （一）靈敏系數(shù) RRk / “標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料 為泊松系數(shù) =0.285條件下，一批產(chǎn)品中只能抽樣 5的 產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。 電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù) k (1+)，故 (1+)項(xiàng)可以忽略 ll ERR 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 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 ERRK l / 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 2.2.2 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 2. 測量電路 1. 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 半導(dǎo)體應(yīng)變電橋的非線性誤差很大，故半 導(dǎo)體應(yīng)變電橋除了提高橋臂比、采用差動(dòng)電橋 等措施外， 一般 還 采用恒流源 . USR R2 R4 R1 R3 USC 圖 2-14 恒流源 電橋 I1 I2 若右圖所示的電路輸入 阻抗較高，則有： I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 ) I = I1+ I2 2.1 電橋輸出電壓與電阻變化量的關(guān)系 2. 測量電路 IRRRR RRRRRIRIU 4321 3241 32110 輸出電壓為 : 若電橋初始平衡，且 R =R2 =R3=R4=R， 當(dāng)?shù)谝粯虮垭娮?R1 變 為 R1+R1 時(shí)，電橋輸出電壓為： 4 1 1 4 1 40 R RRIIRR RRU 00 4 1 URIU 若滿足 R1R1 ，則 輸出電壓與 R成正比，即與被測量成正比。 輸出電壓與恒流源供給的電流大小、精度有關(guān)，與溫度無關(guān)。 2.2.3 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 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 r和切向應(yīng)力 t的分布情況確定。 )31()1( 8 3 )3()1( 8 3 22 02 22 02 rr h p rr h p t r 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。 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)比較簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度 高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(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非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 2.2.4 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)散在其根部兩面 。 擴(kuò)散電阻 質(zhì)量塊 基座 應(yīng)變梁 a 2.2.5 測量橋路及溫度補(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 1. 恒流源供電電橋 恒流源供電的全橋差動(dòng)電路 假設(shè) RT為溫度引起的電阻變化 III A D CABC 21 電橋的輸出為 RI RRRIRRRI UU TT BD )( 2 1 )( 2 1 0 電橋的輸出電壓與電阻變化成正比，與恒流源電流成正比， 但與溫度無關(guān)，因此測量不受溫度的影響。 2.溫度 漂移 及其補(bǔ)償 溫度變化而變化，將引起零漂和靈敏度漂移 U R1 R2 R4 R3 U0 Rs Rp VD A B C D 由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致 B、 D兩點(diǎn)電位不等，譬 如，當(dāng)溫度升高時(shí)， R2的增加比較大，使 D 點(diǎn)電位低于 B點(diǎn)， B、 D兩點(diǎn)的電位差即為零 位漂移。要消除 B、 D兩點(diǎn)的電位差，最簡單 的辦法是在 R2上并聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻 值較大的電阻 RP，用來約束 R2的變化。這樣 ，當(dāng)溫度變化時(shí)，可減小 B、 D點(diǎn)之間的電位 差，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹．?dāng)然，如在 R3上并 聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為正、阻值較大的電阻進(jìn)行 補(bǔ)償，作用是一樣的。 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 （ 1） 零漂補(bǔ)償