第2章电阻式传感器1.ppt

第3篇 非电量测量 第2章 电阻式传感器 1 应变效应和工作原理 设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则： （一）等臂电桥（四桥臂工作） 2. 应变式测力传感器 应用实例 等强度梁 是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力P作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等。 悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷，最小可测几十克重。也可达到很大的量程，如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.2～30t，精度可达0.02%FS。 悬臂梁式传感器具有结构简单、应变片容易粘贴，灵敏度高等特点。 4. 应变式加速度传感器 电阻应变式位移传感器 实例 ：飞机全机疲劳试验是为满足适航要求进行的符合性验证试验项目，同时为疲劳与损伤容限分析和评定提供必要的试验数据支持。 由dKU/dn = 0，求KU的最大值，得 求得n=1时，KU为最大值。 即当R1=R2=R3=R4时，电桥电 压灵敏度最高，此时有： 从上述可知，当电源电压U和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 当U值确定后，n取何值时才能使KU最高： 第２章　　电阻式传感器 3) 非线性误差及其补偿方法 可见 与ΔR1/R1的关系是非线性的，如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1， 则非线性误差为 第２章　　电阻式传感器 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥：如图 若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得 电路优点： Uo与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差； 电压灵敏度KU=U/2，是单臂工作时的两倍； 具有温度补偿作用 该电桥输出电压为 第２章　　电阻式传感器 若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。 电路优点： Uo与ΔR1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差； 电压灵敏度KU=U/4，是单臂工作时的四倍； 具有温度补偿作用 若R1=R2=R3=R4，则 ： 第２章　　电阻式传感器 当负载为有限值时： 电桥内阻 输出电流 第２章　　电阻式传感器 2.3 压阻式传感器 20世纪50年代中期出现，由半导体应变片制成，其灵敏系数比金属电阻式传感器高几十倍，而且具有体积小、分辨率高、工作频带宽、机械迟滞小、传感器与测量电路可实现一体化等优点，在实际中应用广泛。 2.3.1 工作原理 基于半导体材料的压阻效应原理：当对半导体材料施加应力作用时，半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化，进而反映到电阻值也发生变化。 第２章　　电阻式传感器 其中由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化 很小，可忽略不计，而 一项很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成的，即： 对半导体应变片： ≈ 又弹性模量 故： 　可见，当半导体应变片受到外界应力的作用时，其电阻(率)的变化与受到应力的大小成正比，这就是压阻传感器的工作原理。 第２章　　电阻式传感器 2.3.2 影响压阻系数的因素 1. 应力的作用方向 半导体的晶向 由于半导体材料的各向异性，在实际应用中，随着外界应力施加方向的不同其压阻系数也是不同的。 通常根据外界应力相对晶轴的方向，分为纵向应力 和横向应力 ，当半导体同时受到两向应力作用时，有： 第２章　　电阻式传感器 2. 扩散杂质的表面浓度 可见压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高。 压阻系数与表面杂质的浓度的关系 第２章　　电阻式传感器 3. 环境温度 压阻系数与温度的关系 第２章　　电阻式传感器 2.3.3 压阻式传感器的材料 一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝分别与两电极焊接。 常用于制作半导体应变片的半导体材料主要有：硅、锗、锑化铟、砷化镓等。 第２章　　电阻式传感器 由半导体材料制成的压阻式传感器的灵敏系数比金属电阻应变片要大几十倍，其应变系数的符号随单晶材料的导电类型而异，一般P型为正，N型为负，而金属丝应变片的灵敏系数均为正值。此外，半导体材料(如单晶硅)是各向异性材料，它的压阻系数与晶向有关。 压阻式传感器的主要不足：一是温度稳定性差(电阻值随温度变化)；二是灵敏度