集成傳感器應(yīng)變式傳感器PPT課件

1、電阻式傳感器兩大常用類型應(yīng)變式傳感器是基于測量導(dǎo)體或者半導(dǎo)體受力變形所產(chǎn)生應(yīng)變而導(dǎo)致電阻變化的一類傳感器，最常用的傳感元件為電阻應(yīng)變片。其中半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)又稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。基于半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的電阻式傳感器是現(xiàn)代固態(tài)壓力，加速度等力學(xué)傳感器的基礎(chǔ)。第1頁/共52頁1敏感柵；2基底；3引線；4覆蓋層；5黏合劑；6電極；電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)第2頁/共52頁電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，使用時將其黏貼在待測量物體上，即電阻應(yīng)

2、變計，簡稱應(yīng)變計。第3頁/共52頁電阻應(yīng)變片的材料 制作應(yīng)變片敏感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。 除敏感柵以外，對基底材料、粘結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對象的不同進行選擇。第4頁/共52頁電阻應(yīng)變片的選用 選用應(yīng)變計時，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對象及環(huán)境條件等，對應(yīng)變計的類型進行選擇；然后根據(jù)使用溫度、時間、最大應(yīng)變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應(yīng)變計； 接著根據(jù)測量線路或儀器選擇合適應(yīng)變計的標準阻值； 最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計。第5頁/共5

3、2頁電阻應(yīng)變片的粘貼 電阻應(yīng)變片工作時，是用粘貼劑粘貼到被測試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準確迅速地將被測應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術(shù)對于測量結(jié)果有著直接的影響。第6頁/共52頁電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形( (伸長或縮短) )的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。應(yīng)變片壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料在受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。ALR電阻應(yīng)變片的工作原理第7頁/共52頁22-22/- (/ )-1/-22xxxxrLLRLAAAARLARLAArAr rAr rRRrL LA 假設(shè)金屬絲截面為圓形為泊松比為縱向應(yīng)變，電阻應(yīng)

4、變片的工作原理第8頁/共52頁電阻應(yīng)變片的工作原理對金屬材料，電阻率幾乎不變：0012,12xxRSSR ，稱為靈敏度系數(shù)在塑性變形范圍內(nèi)S0通常取1.83.6。 對于半導(dǎo)體材料，以壓阻效應(yīng)為主。半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的大小和符號與材料、力的方向、載流子濃度等有關(guān)，根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：xE 第9頁/共52頁22/66 133xxEmNEN mERER 1111軸向應(yīng)力縱向壓阻系數(shù)，(4080) 10電阻絲材料彈性模量，1.67 10所以特點：比金屬絲式靈敏度高，輸出電流大，但非線性嚴重，溫度穩(wěn)定性較差。電阻應(yīng)變片的工作原理第10頁/共52頁電阻應(yīng)變片的種類第11頁/共52頁電阻應(yīng)變片的種類第

5、12頁/共52頁電阻應(yīng)變片的種類第13頁/共52頁箔式應(yīng)變片優(yōu)點: :可制成多種復(fù)雜形狀、尺寸準確的敏感柵，其柵長最小可做到0.2mm0.2mm，以適應(yīng)不同的測量要求；橫向效應(yīng)小；散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度；蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。金屬箔的材料常用康銅和鎳鉻合金等。目前使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片的種類第14頁/共52頁采用真空沉積或高頻濺射等方法，在絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的電阻材料薄膜的敏感柵厚度大約為箔式應(yīng)變片的十分之一以下。優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型應(yīng)變片，無遲滯和蠕變現(xiàn)象，具

6、有良好的耐熱性和沖擊性能等。用化學(xué)氣相淀積法制備薄膜，成膜溫度低、可靠性好、系統(tǒng)簡單等。 薄膜應(yīng)變片：電阻應(yīng)變片的種類第15頁/共52頁在單晶硅上擴散p型雜質(zhì)電阻應(yīng)變片的種類第16頁/共52頁固態(tài)壓阻式傳感器 半導(dǎo)體單晶硅材料在受到外力作用，產(chǎn)生肉眼根本察覺不到的極微小應(yīng)變時，其原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電子能級狀態(tài)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈的變化，由其材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)叫壓阻效應(yīng)。 利用壓阻效應(yīng)，采用三維集成電路工藝技術(shù)及一些專用特殊工藝，在單晶硅片上的特定晶向，制成應(yīng)變電阻構(gòu)成的惠斯登檢測電橋，并同時利用硅的彈性力學(xué)特性，在同一硅片上進行特殊的機械加工，集應(yīng)力敏感與力電轉(zhuǎn)

7、換檢測于一體的力學(xué)量傳感器，稱為固態(tài)壓阻傳感器。以氣、液體壓強為檢測對象的則稱為固態(tài)壓阻壓力傳感器。第17頁/共52頁固態(tài)壓阻式傳感器 主要特點： 1. 靈敏度高 2. 精度高 3. 體積小、重量輕、動態(tài)頻響高 4. 性能穩(wěn)定、可靠性高 5. 溫度系數(shù)小 6. 適應(yīng)介質(zhì)廣 7. 安全防爆 在以大規(guī)模集成電路技術(shù)和計算機軟件技術(shù)為特色的智能傳感器技術(shù)中，由于它能做成單片式多功能復(fù)合敏感元件來構(gòu)成智能傳感器的基礎(chǔ)，因此倍受矚目。第18頁/共52頁電阻應(yīng)變片的種類第19頁/共52頁電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性 靜態(tài)特性是指應(yīng)變計感受不隨時間變化或變化緩慢的應(yīng)變時的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標主要有： 靈敏度

8、系數(shù)、 機械滯后、 蠕變、 應(yīng)變極限等。第20頁/共52頁將具有初始電阻值R的應(yīng)變計安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計阻值的相對變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù)。應(yīng)變計的電阻應(yīng)變特性與單根電阻絲時不同，一般情況下，應(yīng)變計的靈敏系數(shù)小于相應(yīng)長度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)。電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性第21頁/共52頁橫向效應(yīng)將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱稱為應(yīng)變片的為應(yīng)變片的橫

9、向效應(yīng)橫向效應(yīng)。為了減為了減小小橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)帶來的帶來的測量誤差測量誤差，一般采用一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響。電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性第22頁/共52頁 機械滯后產(chǎn)生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底和產(chǎn)生機械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形粘合劑在承受機械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的所造成的。為了減小機械滯后為了減小機械滯后，除選用合適除選用合適的粘合劑外的粘合劑外，最好在最好在正式使用之前預(yù)先加、正式使用之前預(yù)先加、卸卸載若干次

10、載若干次再正式測量再正式測量，以減小機械滯后的，以減小機械滯后的影響影響。3. 機械滯后電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性第23頁/共52頁蠕變和零漂粘貼在試件上的應(yīng)變計粘貼在試件上的應(yīng)變計，在溫度保持恒定在溫度保持恒定、不承受機械應(yīng)變時不承受機械應(yīng)變時，其電阻值隨時間而變化其電阻值隨時間而變化的特性的特性，稱為稱為應(yīng)變計的零漂應(yīng)變計的零漂。如果在一定溫如果在一定溫度下度下，使其承受恒定的機械應(yīng)變使其承受恒定的機械應(yīng)變，應(yīng)變計，應(yīng)變計電電阻值隨時間而變化的特性阻值隨時間而變化的特性，稱為稱為應(yīng)變計的蠕應(yīng)變計的蠕變變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相反。反。選用彈性模量較大

11、的粘貼劑和基底材料，選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善。有利于蠕變性能的改善。電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性第24頁/共52頁應(yīng)變極限應(yīng)變計的線性應(yīng)變計的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性特性，只有只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當試件輸在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當試件輸入的真實應(yīng)變超過某一入的真實應(yīng)變超過某一極極限值時限值時，應(yīng)變計的輸應(yīng)變計的輸出特性將出特性將呈現(xiàn)呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下非線性。在恒溫條件下，使非線使非線性誤差達到性誤差達到10%10%時的真實應(yīng)變值時的真實應(yīng)變值，稱為稱為應(yīng)變極限應(yīng)變極限。電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性第25頁/共52頁絕緣電阻和最大工作

12、電流應(yīng)變片絕緣電阻應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求為與被測試件之間的電阻值。通常要求為50 100M以上。不影響應(yīng)變片工作特性的最以上。不影響應(yīng)變片工作特性的最大電流稱為大電流稱為最大工作電流最大工作電流。工作電流大，輸工作電流大，輸出信號就大，靈敏度也就高。但是電流過大出信號就大，靈敏度也就高。但是電流過大時，會使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，使零漂、蠕變時，會使應(yīng)變片發(fā)熱、變形，使零漂、蠕變增加，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流增加，甚至燒壞。如果散熱條件好，則電流可適當大一些?？蛇m當大一些。6. 絕緣電阻和最大工作電流電阻應(yīng)變片的靜態(tài)特性

13、第26頁/共52頁 溫度效應(yīng)及其補償一、溫度效應(yīng)用應(yīng)變計測量時，用應(yīng)變計測量時，通常通常希望工作溫度是恒定希望工作溫度是恒定的，的，實際應(yīng)用時工作溫度可能偏離實際應(yīng)用時工作溫度可能偏離或或超出常超出常溫范圍溫范圍，致使致使應(yīng)變計的應(yīng)變計的工作特性改變工作特性改變而而影響影響輸出輸出。這種由溫度變化引起應(yīng)變計這種由溫度變化引起應(yīng)變計輸出輸出變化變化的現(xiàn)象的現(xiàn)象，稱為稱為應(yīng)變應(yīng)變片片的溫度效應(yīng)的溫度效應(yīng)（也稱溫度（也稱溫度誤差）。誤差）。第27頁/共52頁溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因溫度效應(yīng)產(chǎn)生的原因: :1. 1. 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變產(chǎn)生附加應(yīng)

14、變; ;2. 2. 試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，試件材料與敏感材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變 溫度效應(yīng)及其補償?shù)?8頁/共52頁電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，測量電路將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，最終實現(xiàn)被測量的測量。電阻的變化一般采用電橋電路測量。電橋按其電源性質(zhì)的不同可以分為直流電橋和交流電橋。直流電橋只能測量電阻，而交流電橋可用于測量電阻、電感和電容的變化。u 直流電橋R R1 1R R2 2R R4 4R R3 3b ba ac cd dU UI IU Uo oI I1 1I I2 2原理：利用一個或數(shù)個橋臂的阻值變化引起電橋輸出電壓

15、的變化；橋臂可由電阻式敏感元件構(gòu)成。測量電路第29頁/共52頁測量電路第30頁/共52頁直流電橋常見連接形式R R1 1RRR R2 2R R4 4R R3 3b ba ac cd dU UI IU Uo oI I1 1I I2 2R R1 1RR1 1R R2 2 RR2 2R R4 4R R3 3b ba ac cd dU UI IU Uo oI I1 1I I2 2R R1 1RR1 1R R2 2 RR2 2b ba ac cd dU UI IU Uo oI I1 1I I2 2R R3 3RR3 3R R4 4 RR4 4半橋單臂半橋雙臂全橋測量電路第31頁/共52頁半橋單臂：132

16、4123400424oIIIRR RR RUURRRRRRRUURRR 假設(shè)：12340RRRRR1234RRRRR 半橋雙臂：02oIRUUR全橋：0oIRUUR測量電路第32頁/共52頁半橋單臂：04oIRUUR半橋雙臂：02oIRUUR全橋：0oIRUUR測量電路第33頁/共52頁當全橋四個橋臂阻值變化同號時，即：11223344,RR RR RR RR有：3124000014oIRRRRUURRRR測量電路第34頁/共52頁測量電路第35頁/共52頁測量電路第36頁/共52頁敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)；S敏感柵靈敏度系數(shù)；1 、2分別為敏感柵和試件的線膨脹系數(shù)；測量電路及溫度補償?shù)?7頁

17、/共52頁溫度引起的電阻變化總值：12()tRRSt12()0S使測量電路及溫度補償?shù)?8頁/共52頁測量電路及溫度補償?shù)?9頁/共52頁 溫度升高引起應(yīng)變片靈敏度下降，電橋輸出電壓下降；熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減小，使電橋的供電電壓隨溫度升高而增加，適當選取分流電阻R0的值，可以補償由于應(yīng)變片靈敏度變化引起的輸出電壓的變化，達到溫度補償。測量電路及溫度補償熱敏電阻補償法原理第40頁/共52頁 利用適當?shù)牟计徒M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響，獲得最大的輸出靈敏度。1）應(yīng)變片應(yīng)布置在彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變最大的位置，并沿主應(yīng)力方向貼片；貼片處的應(yīng)變盡量與外載荷呈線性關(guān)系（避開非線性區(qū)），同

18、時應(yīng)注意使該處不受非待測載荷的干擾影響。2）根據(jù)電橋的和差特性，選擇適當?shù)慕訕蚍绞?，可以使輸出的靈敏度最大，同時又能排除非待測載荷的影響并進行溫度補償。 應(yīng)變片的布置與橋接方式第41頁/共52頁R1、R3串接，R2、R4串接并置于相對臂，減小彎矩影響；橫向貼片作溫度補償。應(yīng)變片的布置與橋接方式第42頁/共52頁應(yīng)變片的布置與橋接方式第43頁/共52頁電阻應(yīng)變式傳感器特點：精度高，測量范圍廣；使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕；頻率響應(yīng)較好，既可用于靜態(tài)測量又可用于動態(tài)測量；價格低廉，品種多樣，便于選擇和大量使用。應(yīng)用范圍：用于位移、加速度、力、壓力、力矩等各種參數(shù)測量。電阻應(yīng)變式傳感器的特點和應(yīng)用 第44頁/共52頁電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第45頁/共52頁電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第46頁/共52頁電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第47頁/共52頁電阻應(yīng)變片的應(yīng)用第48頁/共52頁電阻應(yīng)變片的應(yīng)用應(yīng)用實例：沖床監(jiān)測與次數(shù)第49頁/共52頁1. 金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別？金屬電阻應(yīng)變片與半導(dǎo)體應(yīng)變片在工作原理上有何區(qū)別？各有何優(yōu)缺點？應(yīng)如何針對具體情況選用？各有何優(yōu)缺點？應(yīng)如何針對具體情況選用？2. 金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)與金屬絲的靈敏度系數(shù)有何金屬