传感器原理及应用 第3章 力压力敏传感器专用课件.ppt

第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 分类： 按应变片的基底材料可分为：纸基、胶基、浸胶基和金属基应变片。 按应变片工作的温区可分为：低温、常温、中温、及高温应变片。 按应变片敏感栅所用材料可分为：金属电阻应变片和半导体电阻应变片 按应变片安装方法可分为：粘贴式与非粘贴式（张丝式） 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 1.金属应变计 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感器元件。是目前国内外应用数量最多的传感器元件之一。 A.金属应变计的基本原理 ——金属导体受外力作用时发生机械形变，导致其阻值大小发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 金属导体的电阻： 当其受外力F时： 一般材料变形时，晶格畸变引起电阻率变化，使(dρ/ρ)/ε有一定值称为压阻系数，表示材料电阻率随应变ε的变化，金属的压阻系数很小，可以忽略，则其电阻的相对变化率与金属丝纵向应变ε成正比。 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 B.金属应变计的结构和分类 ①丝式应变片 (回线式和短接式两种) 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 B.金属应变计的结构和分类 ②箔式应变片 ③薄膜应变片 ——薄膜应变片是利用薄膜工艺将应变计材料直接沉积在弹性基底上(0.001~1.0um),利用光刻工艺形成应变计图形。与传统的粘贴式应变计相比，薄膜应变计具有无滞后和蠕变、稳定性好等优点，适合于用来制作高内阻、小型化、高精度和高稳定性的力敏器件 C.金属应变计的参数 —应变片的电阻值R0 —灵敏系数K0 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C.金属应变计的参数 —机械滞后 —蠕变和零漂 在一定温度下，粘好的应变计 在一定的机械应变(1000με) 长时间作用下，指示应变随时 间的变化称为蠕变(Dεt),一般 要求蠕变应小于3 με/h,也可 用变化率(n= Dεt /ε)来描述。 零点漂移是粘好的应变计在一定温度和无机械应变时，指示应变随时间的变化。 —绝缘电阻：敏感栅与基底间的绝缘电阻应大于1010Ω D.温度和蠕变补偿应变计 —温度自补偿应变计 —蠕变自补偿应变计 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 2.半导体应变计 A.半导体材料的压阻效应 ——当半导体材料受到应力作用时，其晶格间距会发生变化，使得其电阻率发生变化，这一现象称为压阻效应。 半导体材料的电阻在外力作用下的相对变化与金属相同，但半导体材料的电阻率的相对变化与应力s成正比，即： 式中π为材料的压阻系数，则： 对于半导体材料，其压阻系数 很大，G主要由πE决定，即G≈πE，一般在50~100之间。即： B.压阻系数 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C.半导体应变片 —体型半导体应变片 —一般扩散型半导体应变计 —SOI外延扩散型半导体应变计 —剪切型半导体应变计 —薄膜型半导体应变计 3.应变计的测量原理和测量电路 A.直流电压源单臂电桥 n=R1/R2 B.半桥差动电桥和全桥差动电桥 当R1=R2=R3=R4时： 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C. 应变片应用 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C. 应变片应用 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C. 应变片应用 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C. 应变片应用 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 C. 应变片应用 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 D. 关于扭矩测量 ——通过测量轴表面 的扭应变测量扭矩 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 D. 关于扭矩测量 ——应变计的布置 和组桥方案 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 D. 关于扭矩测量——扭矩值的标定 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 D. 关于扭矩测量——信号的传输与集流装置 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——调电桥平衡 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号的放大 反相比例放大： Af=-Rf/R1 同相比例放大： Af=1+Rf/R1 电压跟随器： 差动比例运算电路:Af=-Rf/R1 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号采集 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号采集 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号采集 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号采集 第3章 力/压力敏传感器——电阻应变计 E. 测量电路——信号采集 第3章