资源描述
Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 压阻式传感器,2.2.1,半导体的压阻效应,2.2.2,体型半导体应变片,2.2.3,扩散型压阻式压力传感器,2.2.4,压阻式加速度传感器,2.2.5,测量桥路及温度补偿,下一页,返 回,2.2.1 半导体的压阻效应,单晶半导体材料在受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应,半导体材料的压阻效应特别强。,压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。,因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。,上一页,返 回,下一页,压阻效应,金属材料 半导体材料,半导体电阻率,l,为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向,与晶轴方向之间的夹角有关；,E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。,上一页,返 回,下一页,对半导体材料而言，,l,E,(1+)，故(1+)项可以忽略,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,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,上一页,返 回,下一页,上一页,返 回,下一页,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,上一页,返 回,下一页,2.测量电路,恒压源,恒流源,电桥输出电压与,R,/,R,成正比，输出电压受环境温度的影响。,电桥输出电压与,R,成正比，环境温度的变化对其没有影响。,上一页,返 回,下一页,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,上一页,返 回,下一页,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。,设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。,上一页,返 回,下一页,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。,上一页,返 回,下一页,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,上一页,返 回,下一页,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,上一页,返 回,下一页,1.恒流源供电电桥,恒流源供电的全桥差动电路,假设R,T,为温度引起的电阻变化,电桥的输出为,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。,上一页,返 回,下一页,对等臂电桥,2.温度,漂移,及其补偿,上一页,返 回,U,R1,R2,R4,R3,U0,Rs,Rp,VD,温度变化时，将引起,零漂,和,灵敏度漂移,零 漂 扩散电阻值随温度变化,灵敏度漂移 压阻系数随温度变化,零 位 温 漂 串、并联电阻,灵敏度温漂 串联二极管,（负温度特性）,串联电阻,R,s,起调零作用,并联电阻,R,P,起补偿作用,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,桥梁固有频率测量电路,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器（测力与秤重）,试验研究结果建议选用以下公式：,实心圆柱,H2D+L,空心圆柱,HDd+L,柱式力传感器结构,F=100*103N,K=2mm/V,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器（测力与秤重）,各种平行双孔梁,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器（测力与秤重）,各,种,形,式,梁,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器（测力与秤重）,梁的形式较多，如平行双孔梁、工字梁、S型拉力,（a）双孔梁 （b）S形,传感器原理及应用,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器（测力与秤重）,轮辐式测力传感器（剪切力）,轮辐式传感器结构主要由五个部分组成，,轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片。,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器,膜片式压力传感器,P,h,r,0,圆形金属膜片,径向应变,切向应变,R1 R2,0.58,r,R3 R4,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器,膜片式压力传感器,膜片式压力传感器应力分布,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器,应变式加速度传感器,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。,当壳体与被测物体一起,作加速度运动时，悬臂梁在,质量块的惯性作用下作反方,向运动，使梁体发生形变，,粘贴在梁上的应变片阻值发,生变化。通过测量阻值的变,化求出待测物体的加速度。,壳体,机座,a,F,R1,R2,m,充满硅油,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（3）,力传感器,应变式加速度传感器,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（4）,压阻式传感器,应变测量:,将半导体条制作成,敏感元件粘贴在被,测试件上。,压力测量:,与金属膜片式压力,传感器原理相同。,测量系统 P,高压腔,空气,硅膜片,低压腔,硅杯,第2章 应变式传感器,应变式传感器的应用,（4）,压阻式传感器,压阻式传感器有许多优点：,频率响应高，f,0,可达1.5M；,体积小、耗电少、灵敏度,高、可测量到0.1%的精确,度；无运动部件。,压阻式传感器缺点：,温度特性差；工艺复杂；,压阻式传感器应用领域：,航空工业，生物医学，,兵器工业，防爆检测等,。,微型硅应变压力传感器,第2章 应变式传感器,上海卢浦大桥通车应变试验,第2章 应变式传感器,上海国际会议中心模型试验,第2章 应变式传感器,打桩船吊塔,强度试验,内容总结,第二节 压阻式传感器。2.2.1 半导体的压阻效应。2.2.2 体型半导体应变片。2.2.3 扩散型压阻式压力传感器。2.2.4 压阻式加速度传感器。2.2.5 测量桥路及温度补偿。单晶半导体材料在受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。l为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向。对半导体材料而言，l E(1+)，故(1+)项可以忽略。而电阻率的变化是由应变引起的。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。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。电桥输出电压与R/R成正比，输出电压受环境温度的影响。输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。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。电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成,
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