第2章 應(yīng)變式傳感器(4)

1、 電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測電阻式應(yīng)變傳感器作為測力的主要傳感器，測力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到力范圍小到肌肉纖維，大到登月火箭，精確度可到 0.010.1%0.010.1%。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲。有拉壓式（柱、筒、環(huán)元件）、彎曲式、剪切式。式、剪切式。 應(yīng)變式傳感器特征：應(yīng)變式傳感器特征： 材料類型材料類型: :金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: :應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度；應(yīng)變力、壓力、轉(zhuǎn)矩、位移、加速度； 優(yōu)優(yōu) 點點: :使用簡單、精度高、范圍大體積小。使用簡單、精度高、范圍大體積小。 各種電子秤各種電子

2、秤廣泛應(yīng)用于廣泛應(yīng)用于高高 精精 度度 電電 子子 汽汽 車車 衡衡 動態(tài)電子秤動態(tài)電子秤電子天平電子天平lRSRlSRlS結(jié)論：金屬材料的結(jié)論：金屬材料的 主要受主要受影響；非金屬材料主要受影響；非金屬材料主要受影響！影響！0/12RRk LLLLLLpRR)21()21(設(shè)0)21(KLLpRRRR/(12 ) 1敏感元件 2、4基底 3引線應(yīng)變片組成應(yīng)變片組成 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1 應(yīng)變片的檢查與選擇應(yīng)變片的檢查與選擇2 試件的表面處理試件的表面處理3 底層處理底層處理4 貼片貼片5 固化固化6 粘貼質(zhì)量檢查粘貼質(zhì)量檢查7 引線焊接與組橋連接引線焊接與組橋連

3、接v 半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片又稱壓阻式傳感器 優(yōu)點：靈敏度高、耗電少、有正負兩種應(yīng)力效應(yīng)。優(yōu)點：靈敏度高、耗電少、有正負兩種應(yīng)力效應(yīng)。 缺點：受溫度影響較大。缺點：受溫度影響較大。 l 半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù)主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻主要由壓阻效應(yīng)引起的電阻 率率的變化；靈敏系數(shù)遠大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。的變化；靈敏系數(shù)遠大于金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。 012KE050100K 對半導(dǎo)體對半導(dǎo)體 0/12/R RK 已知固體受力引起的電阻變化為：已知固體受力引起的電阻變化為： 按材料分：按材料分： 金屬式：金屬式： 絲式、箔式、薄膜型絲式、箔式、薄膜型 半導(dǎo)體式

4、：半導(dǎo)體式： 體型體型、薄膜型、擴散型、外延型、薄膜型、擴散型、外延型、PNPN結(jié)型結(jié)型 按結(jié)構(gòu)分：單片、雙片、特殊形狀按結(jié)構(gòu)分：單片、雙片、特殊形狀 按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下按使用環(huán)境：高溫、低溫、高壓、磁場、水下 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片對比對比 半導(dǎo)體 壓阻效應(yīng) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電阻率變化 金屬導(dǎo)體 電阻效應(yīng) 機械形變 電阻值變化 性能指標(biāo)性能指標(biāo)使用面積電阻值靈敏度系數(shù)基底材料和形式最大允許工作電流極限溫度電阻溫度系數(shù)靈敏度溫度系數(shù)應(yīng)變極限動態(tài)特性被測體應(yīng)變片應(yīng)變片 應(yīng)變片溫度誤差。應(yīng)變片溫度誤差。v 因環(huán)境溫度改變引起的附加電阻變化與環(huán)境溫因環(huán)境溫度改變引起

5、的附加電阻變化與環(huán)境溫 度變化度變化tt有關(guān)；有關(guān)； v 應(yīng)變片本身的性能參數(shù)應(yīng)變片本身的性能參數(shù)t t、ss； v 試件參數(shù)試件參數(shù)gg有關(guān)。有關(guān)。電阻絲阻值與溫度關(guān)系：電阻絲阻值與溫度關(guān)系： 0001tttRRtRRt0tgsRRKt因試件使應(yīng)變片電阻產(chǎn)生附加形變造成的電阻變化因試件使應(yīng)變片電阻產(chǎn)生附加形變造成的電阻變化00tttRRRRt溫度變化溫度變化tt時電阻絲的電阻變化時電阻絲的電阻變化當(dāng)溫度變化時當(dāng)溫度變化時 RR1 1=R=RB B，電橋平衡，電橋平衡， 當(dāng)有應(yīng)變時當(dāng)有應(yīng)變時 R R1 1有增量有增量, ,正比于正比于KK， 補償片補償片R RB B無變化無變化 RRB B=0

6、 =0 電橋輸出電橋輸出 U U0 0與溫度無關(guān)與溫度無關(guān) 雙絲法雙絲法 R1、R2 溫度系數(shù)互補 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件 負載負載R RL L（開路）（開路） 3101234RRRUERRRRR 1423R RR R1234/RRRR電橋平衡時電橋平衡時 I I0 0=0 U=0 U0 0=0=0 對臂積相等對臂積相等 鄰臂比相等鄰臂比相等 設(shè)設(shè)R R1 1為應(yīng)變片，應(yīng)變時為應(yīng)變片，應(yīng)變時R R1 1變化量為變化量為RR1 1， 這時電橋失衡，不平衡輸出電壓為：這時電橋失衡，不平衡輸出電壓為： 3101234RRRUERRRRR 4311112143(/)(/)(1/) 1/RRR

7、RERRRRRR21unkEn電橋靈敏度定義為：電橋靈敏度定義為： 11/RR0211nRUERn電橋輸出：電橋輸出：在分母在分母中忽略中忽略設(shè)設(shè) n=R2/R1=R4/R3即即 R1 R1討論：討論： 電橋電壓靈敏度電橋電壓靈敏度KuKu越大，越大， 應(yīng)變變化相同情況輸出電壓越大應(yīng)變變化相同情況輸出電壓越大 ; ; Ku Ku是橋臂比是橋臂比n n的函數(shù)的函數(shù)KuKu（n n），）， 恰當(dāng)選擇恰當(dāng)選擇n n可提高電壓靈敏度可提高電壓靈敏度Ku;Ku; Ku Ku與電橋電源與電橋電源E E成正比成正比KuEKuE， 但供電受應(yīng)變片允許功耗限制但供電受應(yīng)變片允許功耗限制; ; 討論：討論： 顯然

8、顯然 n=1 R1=R2 R3=R4時，時，Ku最大最大 210udkndndn4uEK 單臂工作片電壓靈敏度：單臂工作片電壓靈敏度： 104REUR 橋路輸出電壓：橋路輸出電壓： 等臂電橋等臂電橋n=1n=1時時, , 由上式近似得到：由上式近似得到： 112LRR11011(1) (1)RnRUERnnR實際輸出值為：實際輸出值為：0011011/1/LUURRUnRR非線性誤差：非線性誤差： 可見非線性誤差與可見非線性誤差與RR1 1/R/R1 1成正比成正比 為減小非線性誤差常采用差動電橋為減小非線性誤差常采用差動電橋 u差動電橋：在試件上安裝兩個工作片，一個受拉、差動電橋：在試件上安

9、裝兩個工作片，一個受拉、 一個受壓接在電橋的相鄰兩個臂，電橋輸出為：一個受壓接在電橋的相鄰兩個臂，電橋輸出為：3110112234RRRUERRRRRR12RRR 2uEK 半橋電壓靈敏度為半橋電壓靈敏度為： 討論：討論： 輸出電壓輸出電壓U U0 0與與 R/RR/R呈線性關(guān)系，無非線性誤差；呈線性關(guān)系，無非線性誤差； 電壓靈敏度是單橋的兩倍；電壓靈敏度是單橋的兩倍； 具有溫度補償作用。具有溫度補償作用。02ERUR半橋半橋電橋輸出電橋輸出： 全橋：全橋： 將四臂按對臂同性接四個工作片稱全橋。將四臂按對臂同性接四個工作片稱全橋。 若若RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4 10

10、1RUER 全橋電壓輸出：全橋電壓輸出： uKE 全橋電壓靈敏度為：全橋電壓靈敏度為： 在在 R R R1 R1時，時，U UO O與應(yīng)變成線性關(guān)系與應(yīng)變成線性關(guān)系 相鄰兩臂，方向相反相鄰兩臂，方向相反 相對兩臂，方向相同相對兩臂，方向相同 lFlESE 012RUER v 等截面梁：等截面梁： 懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。懸臂梁的橫截面積處處相等，所以稱等截面梁。 當(dāng)外力當(dāng)外力F F作用在梁的自由端時，固定端產(chǎn)生的應(yīng)作用在梁的自由端時，固定端產(chǎn)生的應(yīng) 變最大，粘貼在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋鹤冏畲螅迟N在應(yīng)變片處的應(yīng)變?yōu)椋?26 F lb hE0l26 F lb hE 殼體殼體機座機座aFR1R2m充滿硅油Fma 膜片式壓力傳感器-P28 固態(tài)壓阻式傳感器-P29 結(jié)構(gòu)特點: 單晶硅, 4片橋路集成; 性能特點: 靈敏度高, 固有頻率高. 基本原理基本原理: 應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)和壓阻效應(yīng) (橫向效應(yīng)) 應(yīng)變