《应变式传感器》PPT课件

应变式传感器 2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性 2.1.3 测量电路 2.1.4 应变式传感器应用 2.1.1 工作原理 1.金属的电阻应变效应 长为 l、 截面积为 A、 电阻率为 的金属或半导体丝 , 电阻 lR A 若导电丝在轴向受到应力的作用 , 其长度变化 l, 截面 积变化 A, 电阻率变化 , 而引起电阻变化 R, 则 R l A R l A 0K21R R 为导体的纵向应变 ， 其数值一般很小 ， 常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比 ， 一般金属 = 0.3-0.5； 2.1.2 金属应变片的主要特性 （ 一 ） 灵敏系数 （ 二 ） 横向效应 （ 三 ） 温度误差及其补 偿 （一）灵敏系数 RRk / “标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数 =0.285条件下，一批产品中只能抽样 5的 产品来测定，取平均值及允许公差值。 电阻应变片的灵敏系数 k (1+)，故 (1+)项可以忽略 ll ERR 半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率 的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 ERRK l / 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小 2.2.2 体型半导体电阻应变片 1. 结构型式及特点 2. 测量电路 1. 结构型式及特点 主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 半导体应变电桥的非线性误差很大，故半 导体应变电桥除了提高桥臂比、采用差动电桥 等措施外， 一般 还 采用恒流源 . USR R2 R4 R1 R3 USC 图 2-14 恒流源 电桥 I1 I2 若右图所示的电路输入 阻抗较高，则有： I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 ) I = I1+ I2 2.1 电桥输出电压与电阻变化量的关系 2. 测量电路 IRRRR RRRRRIRIU 4321 3241 32110 输出电压为 : 若电桥初始平衡，且 R =R2 =R3=R4=R， 当第一桥臂电阻 R1 变 为 R1+R1 时，电桥输出电压为： 4 1 1 4 1 40 R RRIIRR RRU 00 4 1 URIU 若满足 R1R1 ，则 输出电压与 R成正比，即与被测量成正比。 输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，与温度无关。 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 压阻式压力传感器结构简图 1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片 采用 N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直 接蒸镀半导体电阻应变薄膜 工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置 ： 按膜片上径向应力 r和切向应力 t的分布情况确定。 )31()1( 8 3 )3()1( 8 3 22 02 22 02 rr h p rr h p t r 设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 扩散型压阻式压力传感器 特点 优点 : 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度 高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕 变小，频率响应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压 力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。 2.2.4 压阻式加速度传感器 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻 扩散在其根部两面 。 扩散电阻 质量块 基座 应变梁 a 2.2.5 测量桥路及温度补偿 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。 减少与补偿误差措施 1. 恒流源供电电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿 1. 恒流源供电电桥 恒流源供电的全桥差动电路 假设 RT为温度引起的电阻变化 III A D CABC 21 电桥的输出为 RI RRRIRRRI UU TT BD )( 2 1 )( 2 1 0 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比， 但与温度无关，因此测量不受温度的影响。 2.温度 漂移 及其补偿 温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移 U R1 R2 R4 R3 U0 Rs Rp VD A B C D 由于零点漂移，导致 B、 D两点电位不等，譬 如，当温度升高时， R2的增加比较大，使 D 点电位低于 B点， B、 D两点的电位差即为零 位漂移。要消除 B、 D两点的电位差，最简单 的办法是在 R2上并联一个温度系数为负、阻 值较大的电阻 RP，用来约束 R2的变化。这样 ，当温度变化时，可减小 B、 D点之间的电位 差，以达到补偿的目的。当然，如在 R3上并 联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行 补偿，作用是一样的。 零漂：扩散电阻值随温度变化，串、并联电阻。串联电阻 Rs起 调零作用，并联电阻 RP起补偿作用。 灵敏度漂移：压阻系数随温度变化，串联二极管 （ 1） 零漂补偿