傳感器原理及應用 應變式傳感器-課件

1、第二章 應變式傳感器 2.1金屬應變片式傳感器2.2壓阻式傳感器 應變式傳感器是利用電阻應變效應做成的傳感器。 核心元件是電阻應變計（應變片、應變計），它將試件上的應變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化。有金屬、半導體兩種。第二章第二章應變傳感器的分類2.1 金屬應變片式傳感器2.1.1 工作原理2.1.2 金屬應變片的主要特性2.1.3 溫度特性（誤差及其補償） 2.1.4 測量電路2.1.5 應變式傳感器應用第二章2.1.1 工作原理2.1.1.1 電阻應變效應電阻應變效應：當金屬絲（或半導體）在外力作用下發(fā)生機械變形時其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。當受軸向應力作用時有：F l、A 、 R第二章 設有一根長度為

2、l、截面積為S、電阻率為的金屬絲，其電阻R為 兩邊取對數(shù)，得等式兩邊取微分，得 電阻的相對變化； 電阻率的相對變化； 金屬絲長度相對變化，用表示，= 稱為金屬絲長度方向上的應變或軸向應變； 截面積的相對變化。第二章dr/r為金屬絲半徑的相對變化，即徑向應變?yōu)閞。S= r 2dS /S=2dr/rr= 由材料力學知第二章對于金屬材料，電阻率的變化滿足以下關系。(C是金屬材料的某個常數(shù)。) 為導體的縱向應變，以微應變度量； 為應力值；為電阻絲材料的泊松比，一般金屬=0.3-0.5；為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關；E為材料的彈性模量；一般的第二章 2341電阻應變片結(jié)構(gòu)示意圖bl 由敏感柵1、基底2、蓋片3

3、、引線4和粘結(jié)劑等組成。（1） 敏感柵 由金屬細絲繞成柵形。電阻應變片的電阻值多為120。應變片柵長大小關系到所測應變的準確度，應變片測得的應變大小是應變片柵長和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應變量。柵長柵寬第二章2.1.1.2. 應變片的組成 金屬箔式應變片金屬箔式應變片 箔式應變片的工作原理基本和電阻絲式應變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應變片，如圖。第二章優(yōu)點 ：（1）尺寸準確，線條均勻，適應不同的測量要求， （2）可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵 （3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。 散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4

4、）橫向效應可以忽略。（5）蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長。 缺點： 電阻值的分散性大 阻值調(diào)整 金屬薄膜應變片 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn) 優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關系 金屬應變計2.1.2 金屬應變片的主要特性 （一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應（三）機械滯后（四）零點漂移和蠕變（五）應變極限（六）動態(tài)特性第二章 2.1.2.2 橫向效應試件與其上的應變片受單向應力時，其表面處于平面應變狀態(tài)。對于由多條直線和圓弧部分組成敏感柵

5、：直線段：沿軸向拉應變x，電阻圓弧段：沿橫向壓應變y等，電阻 lyxy第二章bOlrrdld0橫向效應： 金屬應變片測量應變時，構(gòu)件的軸向應變使敏感柵電阻發(fā)生變化，其橫向應變r也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化，應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫向效應。圖為 應變片敏感柵半圓弧部分的形狀。沿軸向應變?yōu)?，沿橫向應變?yōu)閞 。絲繞式應變片敏感柵半圓弧形部分第二章2.1.2.4 零點漂移和蠕變 零點漂移產(chǎn)生原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 第二章 如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特

6、性稱為蠕變。 一般蠕變的方向與原應變量的方向相反。 產(chǎn)生原因：由于膠層之間發(fā)生“滑動”，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。2.1.2.5 應變極限 在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實應變值。lim真實應變z指示應變i應變片的應變極限10%1影響因素：粘結(jié)劑和基底材料傳遞變形的性能及應變片的安裝質(zhì)量。第二章 設應變波波長為，則有= v /f。應變片柵長為l，瞬時t時應變波沿構(gòu)件分布為 應變片中點的應變?yōu)?xt為t瞬時應變片中點的坐標。應變片測得的應變?yōu)闁砰L l 范圍內(nèi)的平均應變m，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應變波曲線下的面積除以 l，即

7、第二章平均應變m與中點應變t相對誤差為（%）1.620.52誤差的計算結(jié)果 1/201/10由上式可見，相對誤差的大小只決定于 的比值，表中給出了為1/10和1/20時的數(shù)值。第二章式中 應變波在試件中的傳播速度；因為 f為最高工作頻率則若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度，由上式可計算出柵長為l，確定相對誤差的應變片粘貼在某種材料上的可測動態(tài)應變最高頻率。 第二章2.1.3 溫度特性（誤差及其補償）2.1.3.1 溫度誤差應變片的電阻絲(敏感柵)具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 第二章 設環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t（）時，粘貼在試件表面的應變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為t

8、，則應變片產(chǎn)生的電阻相對變化為第二章由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當t 存在時，引起應變片的附加應變，其值為 e試件材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵材料線膨脹系數(shù)。相應的電阻相對變化為K應變片靈敏系數(shù)。第二章溫度變化形成的總電阻相對變化： 相應的虛假應變?yōu)樯鲜綖閼兤迟N在試件表面上，當試件不受外力作用，在溫度變化t 時，應變片的溫度效應（或熱輸出）。第二章2.1.3.3 溫度補償（自補償法和線路補償法） 單絲自補償應變片若要應變片在溫度變化t時的熱輸出值為零，必須使即選擇應變片時，若使其電阻溫度系數(shù) 和線膨脹系數(shù) 與 滿足上式的條件，即可實現(xiàn)溫度自補償。具有這種敏感柵的應變片稱為單

9、絲自補償應變片。 第二章雙絲組合式自補償應變片 是由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一種為正值，一種為負值）的材料串聯(lián)組成敏感柵，以達到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償?shù)?，如圖。(Ra) t= (Rb) t焊點RaRb第二章 這種應變片的自補償條件要求粘貼在某種試件上的兩段敏感柵，隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號相反，即 電路補償法 如圖，電橋輸出電壓與橋臂參數(shù)的關系為 式中A由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。USCR2R4R1R3E橋路補償法 由上式可知，當R3、R4為常數(shù)時，Rl和R2對輸出電壓的作用方向相反。利用這個基本特性可實現(xiàn)對溫度的補償。 第二章 測量應變時，使用兩個應變

10、片，一片貼在被測試件的表面，圖中R1稱為工作應變片。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，圖中R2，稱為補償應變片。補償應變片粘貼示意圖R1R2第二章 當被測試件不承受應變時，R1和R2處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即上式中可以選擇R1=R2=R及R3=R4=R。 當溫度升高或降低時，若R1t=R2t，即兩個應變片的熱輸出相等，由上式可知電橋的輸出電壓為零，即第二章 若此時有應變作用，只會引起電阻R1發(fā)生變化，R2不承受應變。故由前式可得輸出電壓為第二章將補償片貼在被測試件上，既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度，貼法如圖所示。 R1R2FFR1R2（b）（a）F

11、圖(a)為一個梁受彎曲應變時，應變片R1和R2的變形方向相反，上面受拉，下面受壓，應變絕對值相等，符號相反，將它們接入電橋的相鄰臂后，可使輸出電壓增加一倍。當溫度變化時，應變片R1和R2的阻值變化的符號相同，大小相等，電橋不產(chǎn)生輸出，達到了補償?shù)哪康摹?(b)圖是受單向應力的構(gòu)件。補償原理類似。構(gòu)件受彎曲應力構(gòu)件受單向應力第二章電橋補償法U0R1R4R3URbFFR1RbR1 +RRb -RU0R1RR4R3URbR第二章熱敏電阻補償 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流電阻 UURt U = Ui - URtK第二章2.1.4 電阻應變片的測量電路 1 直流（交流）電橋2 非線

12、性誤差及其補償 應變片將應變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對變化R/R，要把電阻的變化轉(zhuǎn)換成合適的電壓或電流的變化，才能用電測儀表進行測量。第二章2.1.4.1 直流電橋 電阻應變片的測量線路多采用交流電橋(配交流放大器)，其原理和直流電橋相似。直流電橋比較簡單，如圖所示。當電源E為電勢源，其內(nèi)阻為零時，可求出檢流計中流過的電流Ig與電橋各參數(shù)之間的關系為第二章R2R4R1R3E電橋線路原理圖RgACD IgB當R1R4=R2R3時，Ig=0，Ug=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。若電橋的負載電阻Rg為無窮大，則B、D兩點可視為開路，上式可以化簡為式中 Rg為負載電阻，因而其輸出電壓Ug為第二章設R1為應變片的阻

13、值，工作時R1有一增量R，當為拉伸應變時，R為正；壓縮應變時，R為負。在上式中以R1+R代替R1，則設電橋各臂均有相應的電阻增量R1、R2、R3、R4時在實際使用時，一般多采用等臂電橋或?qū)ΨQ電橋。第二章1、等臂電橋當R1=R2=R3=R4=R時，稱為等臂電橋。此時電橋輸出可寫為 一般情況下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高階微量，并利用 式得到 上式表明：第二章當RiR時，輸出電壓與應變呈線性關系。若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的極性不同時，輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂應變的極性一致時，輸出電壓為兩者之和；相對橋

14、臂的應變極性相反時，輸出電壓為兩者之差。 利用上述特點可進行溫度補償和提高測量的靈敏度。 當僅橋臂AB單臂工作時，理想輸出電壓為第二章當考慮單臂工作時，AB橋臂變化R，則由上式展開級數(shù)，得則電橋的相對非線性誤差為可見，K愈大，愈大，通常K1。1/2K第二章例：設K=2，要求非線性誤差1(RR )時，k/(1+k)1/2，其非線性較等臂電橋大；當k遠小于1時，其非線性可得到很好改善；當k=1時，即為等臂電橋。第二章 若RR，忽略上式分母中 項，得到 可見，在一定應變范圍內(nèi)，第二對稱電橋的輸出與應變呈線性關系，但比等臂電橋的輸出電壓小 倍 。第二章放大器的選擇：交流載波放大器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好

15、、外界干擾和電源影響小及造價低等優(yōu)點，但存在工作頻率上限較低、長導線時分布電容影響大等缺點。直流放大器工作頻帶寬，能解決分布電容問題，但它需配用精密穩(wěn)定電源供橋，造價較高。第二章單臂電橋，即R1橋臂變化R，理想的線性關系 實際輸出電壓 電橋的相對非線性誤差為 2.1.4.2 非線性誤差及其補償?shù)诙吕涸OK=2，要求非線性誤差1%，試求允許測量的最大應變值max。結(jié)論：如果被測應變大于10000，采用等臂電橋時的非線性誤差大于1%。第二章減小非線性誤差 采用的措施為： （1）采用半橋差動電橋 R1R2F第二章R1+RR3R2-RR4UOUR1R2R3R4=R，R1R2=R 嚴格的線性關系電橋靈

16、敏度比單臂時提高一倍溫度補償作用第二章輸出電壓為：全橋差動電路第二章R1+RR2-RUOUR3-RR4+R2.1.5 電阻應變式傳感器的應用2.1.5.1應變式力傳感器2.1.5.2 應變式壓力傳感器2.1.5.3 應變式加速度傳感器第二章柱式力傳感器2.1.5.1 （1） 圓柱力式傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒； 圓柱式力傳感器的彈性元件分為實心和空心兩種。第二章R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF 在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構(gòu)成了差動對。第二章2.1.5.1 (2)梁式力傳感器等截面梁

17、 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷 b0R1R2l0lFbh 等截面懸臂梁第二章b0R1R2XlFbh 等強度懸臂梁 第二章 雙端固定梁第二章BK-2S稱重傳感器產(chǎn)品詳細介紹采用國際流行的雙梁式或剪切S梁結(jié)構(gòu)，拉壓輸出對稱性好、測量精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，廣泛用于機電結(jié)合秤、料斗秤、包裝秤等各種測力、稱重系統(tǒng)中 供橋電壓 12VDC 輸入阻抗 38020 輸出阻抗 35010 絕緣電阻 2000M 工作溫度 -10+50 第二章BK4輪輻式傳感器系列 采用輪輻式結(jié)構(gòu)，高度低，抗偏抗側(cè)能力強，測量精度高，性能穩(wěn)定可靠安裝方便，是大、中量程精度傳感器中的最佳形式，廣泛用于

18、各種電子衡器和各種力值測量，如汽車衡、軌道衡、吊勾秤、料斗秤技術(shù)參數(shù) 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供橋電壓 12VDC 靈敏度 152mV/V 輸入阻抗 73020 非線性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 輸出阻抗 70010 重復性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 絕緣電阻 2000M 滯后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作溫度 -10+50 允許過負荷 120%FS 熱零點偏移（%FS/10） 第二章2.1.5.2 應變式壓力傳感器 trR4R3R1R2 UU0膜片PrtR1R2R3R4rt膜片式壓力傳感器 第二章AK-1型應變式脈動壓

19、力傳感器產(chǎn)品特點： 采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量第二章2.1.5.3 應變式加速度傳感器 由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。 L應變片質(zhì)量塊m彈簧片外殼基座a應變式加速度傳感器測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向時，梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。 第二章應變式加速度傳感器在低頻（1060Hz）振動測量中得到廣泛的應用,但不適用于頻率

20、較高的振動和沖擊。 應變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1等強度梁 2質(zhì)量塊 3殼體 4電阻應變片第二章2.2 壓阻式傳感器2.2.1 半導體的壓阻效應2.2.2 體型半導體應變片2.2.3 固態(tài)壓阻器件第二章 壓阻式傳感器 是利用硅的壓阻效應和微電子技術(shù)制成的，是一種新的物性型傳感器。分為粘貼型和擴散型。2.2.1 壓阻效應 單晶硅材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱為壓阻效應。對半導體材料電阻相對變化量第二章由于E一般都比（1+2）大幾十倍甚至上百倍，因此引起半導體材料電阻相對變化的主要原因是壓阻效應，所以上式可近似寫成 式中 壓阻系數(shù)；E彈性模量； 應力； 應變。 上式表明壓

21、阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應。 擴散硅壓阻式傳感器的基片是半導體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向。第二章C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示附1 晶向、晶面的表示方法 結(jié)晶體是具有多面體形態(tài)的固體。多面體的表面稱為晶面。晶面與晶面相交的直線稱為晶棱，晶棱的交點稱為晶體的頂點。為了說明晶格點陣的配置和確定晶面的位置，通常引進一組對稱軸線，稱為晶軸，用X、Y、Z表示。第二章 硅為立方晶體結(jié)構(gòu)，就取立方晶體的三個相鄰邊為X、Y、Z。在晶軸X、Y、Z上取與所有晶軸相交的某晶面為單位晶面，如圖所示。此晶面ABC與坐標軸上的截距為O

22、A、OB、OC。已知某晶面在X、Y、Z軸上的截距為OAx、OBy、OCz，它們與單位晶面在坐標軸截距的比可寫成C ZOBAXY11晶體晶面的截距表示第二章 上式中，p、q、r為沒有公約數(shù)(1除外)的簡單整數(shù)。為了方便取其倒數(shù)得下式，h、k、l也為沒有公約數(shù)（1除外）的簡單整數(shù)。依據(jù)上述關系式，可以看出截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三個簡單整數(shù)h、k、l來表示。h、k、l稱為密勒指數(shù)。 而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關的規(guī)定，晶面符號為(hkl)，晶面全集符號為hkl，晶向符號為 hkl，晶向全集符號為hkl。晶面所截的線段對于X軸，O點之前為正，O點之后為負；對于Y軸，O點右邊為正，O

23、點左邊為負；對于Z軸，在O點之上為正，O點之下為負。 若晶面與任一晶軸平行，則晶面符號中相對于此軸的指數(shù)等于零，因此與X軸相交而平行于其余兩軸的晶面用(1 0 0)表示，其晶向為1 0 0；(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX單晶硅內(nèi)集中不同晶向與晶面（b）（a） 與Y軸相交面平行于其余兩軸的晶面為(0 1 0)，其晶向為0 1 0；與Z軸相交而平行于X、Y軸的晶面為(0 0 1)，晶向為0 0 1。同理，與X、Y軸相交而平行于Z軸的晶面為(1 1 0)，其晶向為1 1 0； 單晶硅是各向異性的材料，取向不同，則壓阻效應也不同。硅壓阻傳感器

24、的芯片，就是選擇壓阻效應最大的晶向來布置電阻條的。同時利用硅晶體各向異性、腐蝕速率不同的特性，采用腐蝕工藝來制造硅杯形的壓阻芯片。第二章 是從單晶硅或鍺切下薄片制成。主要優(yōu)點是靈敏系數(shù)大。橫向效應和機械滯后極??；溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多。 2.2.2 體型半導體電阻應變片 第二章2.2.3 固態(tài)壓阻器件（擴散型）1、固態(tài)壓阻器件的結(jié)構(gòu)原理 利用固體擴散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴散到一片N型硅底層上，形成一層極薄的導電P型層，裝上引線接點后，即形成擴散型半導體應變片。若在圓形硅膜片上擴散出四個P型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件，如圖所示。1 N-Si膜片

25、 2 P-Si導電層 粘貼劑 硅底座 引壓管 Si 保護膜 7 引線第二章USCRR+RT圖2.1-27 恒流源供電ACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE2、 測量橋路及溫度補償 為了減少溫度影響，壓阻器件一般采用恒流源供電。假設電橋中兩個支路的電阻相等，即RABC=RADC=2（R+RT），故有因此，電橋的輸出為I第二章 USC=IR 電橋輸出與溫度無關，但是，壓阻器件本身受到溫度影響后，要產(chǎn)生零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移，因此必須采取溫度補償措施。第二章（1） 零點溫度補償零點溫度漂移是由于四個擴散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻法補償，如圖2.1-28所示。其

26、中，RS是串聯(lián)電阻；RP是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補償作用。補償原理如下： R2R4R1R3USC圖2.1-28 溫度漂移的補償RpBCDARSEDi第二章 由于零點漂移，導致B、D兩點電位不等，譬如，當溫度升高時，R2的增加比較大，使D點電位低于B點，B、D兩點的電位差即為零位漂移。要消除B、D兩點的電位差，在R2上并聯(lián)一個溫度系數(shù)為負、阻值較大的電阻RP，用來約束R2的變化。當溫度變化時，可減小B、D點之間的電位差，達到補償?shù)哪康?。第二章?） 靈敏度溫度補償 靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時，壓阻系數(shù)變?。粶囟冉档蜁r，壓阻系數(shù)變大，說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負值。 第二章 因為二極管PN結(jié)的溫度特性為負值，溫度每升高1時，正向壓降約減小(1.92.5)mV。將適當數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中，見圖2.1-28。電源