傳感器原理與運用

壓阻傳感器在驗潮儀中的應用制作者：孫鵬班級：232122學號：20121003920

摘要:壓阻傳感器由于其靈敏度高、動態(tài)響應快、測量精度

高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍

寬、易于小型化、使用方便，而獲得廣泛應用，因此目前的壓力驗潮儀產品中大都采用這種傳感器。本文闡述了壓阻傳感器的工作原理，及在驗潮儀應用中該傳感器電源的選擇對精度的影響．本文介紹了幾種典型的測量放大電路，并對溫度補償實現方進行了探討。

關鍵詞：壓阻傳感器

驗潮儀簡介：目前，潮汐測量廣泛使用的驗潮儀主要有浮子式、聲學式和壓力式三種類型，它們各有自己的特點。但前兩種形式的驗潮儀對測量環(huán)境的要求較高，浮子式驗漸儀必須安放在驗潮井中，須打井建站，輔助費用較高．且不機動靈活，它適用于岸邊的長期定點驗潮：而聲學式驗潮儀必須海域的驗潮．且無論是短期還是長期驗潮，它都能勝任。咀海岸作為依托，測量水深較淺。這兩種驗潮儀對于離岸較遠的驗潮點均不便使用。而壓力式驗潮儀所適用的范圍廣闊，它不需要打井建站，不但適用于沿岸．碼頭，而且對于遠離岸邊及較深壓力式驗潮儀在壓力傳感器技術有了長足發(fā)展之后才得以發(fā)展。目前最具代表性的壓力傳感器是固態(tài)壓阻傳感器，它是發(fā)展非常迅速的一種傳感器，它于七十年代初期開始發(fā)展，但只是近幾年，隨著雙面光刻技術、各項異性腐蝕技術、熱匹配技術、硅擴散技術和集成電路技術的飛速發(fā)展，使壓阻傳感器才有了～次飛躍，使它在眾多的壓力傳感器中豆得尤為出眾，太有替代其他類型壓力傳感器之勢。國內外現已涌現出許多形式的半導體型壓阻傳感器。目前，壓力式驗潮儀的壓力傳感器大都采用壓阻傳感器，這種傳感器是利用硅的壓阻效應和集成電路技術制成的，由于這種傳感器具有的顯著優(yōu)點，因而獲得日益廣泛的應用。本文對壓阻傳感器在驗潮儀中的幾個有代表性、且在不斷發(fā)展的新技術作介紹和討論。一、工作原理單晶硅材料的一大特點是其具有壓阻效應，即單晶硅材料在受到力的作用時．其電阻率會發(fā)化．這種現象即稱為壓阻效應。由歐姆定律可知，導體或半導體材料的電阻可用下式表示：R=PL/A;(1)R——導體電阻值；p——電阻率：L——導體長度；A——導體截面積。當電阻材料的截面為圓形時，其電阻公式為：(2)D——導體直徑。對于電阻應變絲其電阻絲伸長或縮短會改變電阻值，當電阻絲被拉伸時，L伸長dL，A則縮

小dA．p在受力作用下也會產生電阻率的變化dp。因而電阻值的變化可用下式表示(3)

由（2）/（3）得，（4）化簡得：（5）其中：為泊松比表示應變絲靈敏度系數。表示軸向相對變形，故：

整理后得（8）由式(8)可看出．電橋輸出一方面與dR／R成正比，另一方面又與電橋供電電壓成正比，即電橋的輸出電壓除了與被測量成正比外，還與電橋輸入電壓

的大小和精度有關。同時電橋輸出電壓如還與溫度有關，圖2當溫度變化時，電橋輸出電壓與成非線性關系，采用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。(=)恒流源供電恒流源供電時，由圖2可看出，當硅芯片發(fā)生變形時，假設電橋兩個支路的電阻相等，即每條支路上的一個電阻阻值增加R,而另一個電阻阻值減少R見那么通過每條支路的電流也相等，且都等于I。／2。因而可得：即：（9）

式中l(wèi)+2u為一常數，一般在1．6左右．是由電導率引起的，也是常數，故是常數，得（6）（7）(7)式表明電阻的變化與其軸向變形成正比，這也就是壓阻應變的原理·.二、供電電源對精度的影響圖1壓阻傳感器是在硅片上擴散出四個橋臂電阻．一般將其連接成惠斯頓電橋，為使電橋靈敏度最大，將一對增加的電阻對接，將另一對減小的電阻對接，供電采用兩種方式：恒壓源和恒流源供電。(一)恒壓源供電假定4只擴散電阻阻值均為R．且它們電阻的溫度系數相同，當硅甚片發(fā)生變形時，其中一對電阻的阻值均變?yōu)镽+dR，另一對電阻阻值均變?yōu)镽一dR，而由于溫度變化而使每個電阻產生的電阻變化為d而那么由圖1可得出：

電橋的輸出與電阻的變化

R成正比，也與電源電流成正比．即輸出與恒流源的電流大小與精度有關。但是電橋的輸出與溫度無關，不受溫度的影響，這是恒流源的優(yōu)點。三、測量電路壓阻傳感器的電橋輸出信號一般比較小，約幾十個毫伏。為了便于對信號進行處理，必須將電橋的信號進行放大。