《力传感器》PPT课件.ppt

第二章第二章  力传感器力传感器 l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置1l金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片n测量电路测量电路n应变式传感器应用应变式传感器应用l压阻式传感器压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻器件压阻器件第一节第一节  应变式传感器应变式传感器2优点：优点： ①①精度高，测量范围广精度高，测量范围广             ②②频率响应特性较好频率响应特性较好             ③③结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻             ④④可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁温、高速、高压、强烈振动、强磁                场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作             ⑤⑤易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化             ⑥⑥价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、金属应变片式传感器一、金属应变片式传感器核心元件：金属应变片核心元件：金属应变片作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化。

作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化     缺缺点点：：具具有有非非线线性性，，输输出出信信号号微微弱弱，，抗抗干干扰扰能能力力较较差差，，因因此此信信号号线线需需要要采采取取屏屏蔽蔽措措施施；；只只能能测测量量一一点点或或应应变变栅栅范范围围内内的的平平均均应应变变，，不不能能显显示示应应力力场场中中应应力力梯梯度度的的变变化化等；不能用于过高温度场合下的测量等；不能用于过高温度场合下的测量        3各种电子秤各种电子秤Ø广泛应用于广泛应用于4高高精精度度电电子子汽汽车车衡衡  动态电子秤动态电子秤电子天平电子天平5机械秤包装机机械秤包装机吊秤吊秤6( (一一) ) 金属丝式应变片金属丝式应变片1 1、应变效应、应变效应定定义义：：当当金金属属丝丝在在外外力力作作用用下下发发生生机机械械变变形形时时，，其其电电阻阻值将发生变化值将发生变化        设设有有一一根根长长度度为为l、、截截面面积积为为S、、电电阻阻率率为为ρ的的金金属属丝丝，，其电阻其电阻R为为                                   两边取对数，得两边取对数，得等式两边取微分，得等式两边取微分，得                            7dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为εr。

S=π r 2dS /S=2·dr/rεr= –με由材料力学知由材料力学知将微分将微分dR、、dρ改写成增量改写成增量ΔR、、Δρ，，则则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系比例关系比例系数比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数8物理意义：单位应变引起的电阻相对变化物理意义：单位应变引起的电阻相对变化KS由两部分组成：由两部分组成：前一部分（前一部分（1+2μ）：由材料的几何尺寸变化引起，一般）：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属金属μ≈0.3，，因此（因此（1+2μ））≈1.6；；后一部分后一部分               ：电阻率随应变而引起的（称：电阻率随应变而引起的（称“压阻压阻效应效应”）对金属材料，以前者为主，则对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；；对半导体，对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定值主要由电阻率相对变化所决定实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比通常轴向应变成正比通常KS在在1.8～～3.6范围内。

范围内9电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料bl栅长栅长栅宽栅宽组成：组成：敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂10注意注意：：K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材的钢材时测得的测量结果表明，应变片的灵敏系数时测得的测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小恒小于线材的灵敏系数于线材的灵敏系数KS3 3、主要特性、主要特性（（1 1）） 灵敏度系数灵敏度系数当金属丝做成应变片后，其电阻当金属丝做成应变片后，其电阻—应变特性，与金属单应变特性，与金属单丝情况不同因此，须用实验方法对应变片的电阻丝情况不同因此，须用实验方法对应变片的电阻—应应变特性重新测定实验表明，金属应变片的电阻相对变变特性重新测定实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系即在很宽的范围内均为线性关系即原因原因：胶层传递变形失真，横向效应胶层传递变形失真，横向效应K为金属应变片的灵敏系数为金属应变片的灵敏系数11横横向向效效应应：：金金属属应应变变片片由由于于敏敏感感栅栅的的两两端端为为半半圆圆弧弧形形的的横横栅栅，，测测量量应应变变时时，，构构件件的的轴轴向向应应变变ε使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化，，其其横横向向应应变变εr也也将将使使敏敏感感栅栅半半圆圆弧弧部部分分的的电电阻阻发发生生变变化化(除除了了ε起起作作用用外外)，，应应变变片片的的这这种种既既受受轴轴向向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象。

应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象2 2）） 横向效应横向效应12定定义义：：应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，，当当温温度度恒恒定定时时，，其其加加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后        机械滞后值还与应变机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大所卸载时的滞后也愈大所以，通常在实验之前应将以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生以减少因机械滞后所产生的实验误差的实验误差 产生原因产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分剂固化不充分3 3）） 机械滞后机械滞后13产生原因产生原因：由于胶层之间发生：由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏感，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。

栅的应变量逐渐减少4 4）零点漂移和蠕变）零点漂移和蠕变零零点点漂漂移移：：对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，，当当温温度度恒恒定定且且不不承承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性产生原因产生原因：敏感栅通电后的：敏感栅通电后的温度效应温度效应；应变片的；应变片的内应力内应力逐渐变化；逐渐变化；粘结剂粘结剂固化不充分等固化不充分等蠕变蠕变：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性一般蠕变的方向其电阻值随时间增加而变化的特性一般蠕变的方向与原应变量的方向相反与原应变量的方向相反这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性14应应变变片片在在一一定定温温度度下下和和规规定定范范围围（（一一般般为为10%））内内的的最大真实应变值最大真实应变值εlim真实应变εz指示应变εi应变片的应变极限±10%主要因素：主要因素：粘结剂和基底材料传递粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的变形的性能及应变片的安装质量；安装质量；制造与安装应变片时，制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料；粘结剂和基底材料；基底和粘结剂的厚度不基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得的固化处理，才能获得较高的应变极限。

较高的应变极限5 5）应变极限）应变极限154 4、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿（（1 1）） 温度误差温度误差环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：★★应变片的电阻丝应变片的电阻丝( (敏感栅敏感栅) )具有一定温度系数；具有一定温度系数；★★电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出又称热输出16βe—试件材料线膨胀系数；试件材料线膨胀系数；βg—敏感栅材料线膨胀系数敏感栅材料线膨胀系数 K——应变片灵敏系数应变片灵敏系数设设环环境境引引起起的的构构件件温温度度变变化化为为ΔΔt t（（℃℃））时时，，粘粘贴贴在在试试件件表表面面的的应应变变片片敏敏感感栅栅材材料料的的电电阻阻温温度度系系数数为为ααt t ，则应变片产生的电阻相对变化为，则应变片产生的电阻相对变化为由由于于敏敏感感栅栅材材料料和和被被测测构构件件材材料料两两者者线线膨膨胀胀系系数数不不同同，，当当ΔΔt t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为存在时，引起应变片的附加应变，其值为相应的电阻相对变化为相应的电阻相对变化为17温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化：可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能的性能( (ααt t, ,ββg g) )有关，而且与被测试件材料的线膨胀有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数系数( (ββe e) )有关。

有关 上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化用，在温度变化ΔΔt t 时，应变片的温度效应用应变时，应变片的温度效应用应变形式表现出来，称之为热输出形式表现出来，称之为热输出相应的虚假应变为相应的虚假应变为18（（2 2）） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）①①  单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片优优点点：：结结构构简简单单，，制制造造和和使使用用方方便便，，但但必必须须在在具具有有一一定定线线膨膨胀胀系系数数材材料料的的试试件件上上使使用用，，否否则则不不能能达达到到温温度度自补偿的目的自补偿的目的在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其丝制成，并使其电阻温度系数电阻温度系数和和线膨胀系数线膨胀系数满足上式满足上式的条件，即可实现温度自补偿具有这种敏感栅的应的条件，即可实现温度自补偿具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片变片称为单丝自补偿应变片 由前式知，若使应变片在温度变化由前式知，若使应变片在温度变化Δt时的热输出值为时的热输出值为零，必须使零，必须使即即19是是由由两两种种不不同同电电阻阻温温度度系系数数（（一一种种为为正正值值，，一一种种为为负负值值））的的材材料料串串联联组组成成敏敏感感栅栅，，以以达达到到一一定定的的温温度度范范围围内内在在一一定定材材料料的的试试件件上上实实现现温温度度补补偿偿的的，，如如图图。

这这种种应应变变片片的的自自补补偿偿条条件件要要求求粘粘贴贴在在某某种种试试件件上上的的两两段段敏敏感感栅栅，，随随温温度度变变化化而而产产生生的的电电阻阻增增量量大大小小相相等等，，符符号号相反，即相反，即(ΔRa) t= – (ΔRb) t焊点RaRb补偿效果可达补偿效果可达±0.45με／／℃②②双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片20A—由桥臂电阻和电源电压由桥臂电阻和电源电压E决定的常数决定的常数USCR2R4R1R3E桥路补偿法可见，当可见，当R3、、R4为常数时，为常数时，Rl和和R2对输出电压的作用对输出电压的作用方向相反方向相反利用这个基本特性可实现对温度的补偿，利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一 ③③  电路补偿法电路补偿法电桥输出电压与桥臂参数的关系电桥输出电压与桥臂参数的关系21补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2测量应变时，使用两个应变片，一片贴在测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面被测试件的表面，，另一片贴在与被测试件材另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上。

料相同的补偿块上22根根据据被被测测试试件件承承受受应应变变的的情情况况，，将将补补偿偿片片贴贴在在被被测测试试件件上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度 R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受弯曲应力构件受单向应力USCR2R4R1R3ERtR5采用热敏电阻进行补偿采用热敏电阻进行补偿23（二）金属箔式应变片（二）金属箔式应变片        箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是片相同它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图金属箔的厚度箔式电阻应变片，如图金属箔的厚度—般为般为(0.003～～0.010)mm，，它的基片和盖片多为胶质膜，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为基片厚度一般为(0.03～～0.05)mm 24金属箔式应变片和丝式应变片比较：金属箔式应变片和丝式应变片比较：         ①①金金属属箔箔栅栅很很薄薄，，因因而而它它所所感感受受的的应应力力状状态态与与试试件件表表面面的的应应力力状状态态更更为为接接近近；；当当箔箔材材和和丝丝材材具具有有同同样样的的截截面面积积时时，，箔箔材材与与粘粘接接层层的的接接触触面面积积比比丝丝材材大大，，使使它它能能更更好好地地和和试试件件共共同同工工作作；；箔箔栅栅的的端端部部较较宽宽，，横横向向效效应应较较小小，，因而提高了应变测量的精度。

因而提高了应变测量的精度         ②②箔箔材材表表面面积积大大，，散散热热条条件件好好，，故故允允许许通通过过较较大大电电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度         ③③箔箔栅栅的的尺尺寸寸准准确确、、均均匀匀，，且且能能制制成成任任意意形形状状，，特特别别是是为为制制造造应应变变花花和和小小标标距距应应变变片片提提供供了了条条件件，，从从而而扩扩大了应变片的使用范围大了应变片的使用范围         ④④蠕变小，疲劳寿命长蠕变小，疲劳寿命长         ⑤⑤便于成批生产，而且生产效率高便于成批生产，而且生产效率高缺缺点点：：电电阻阻值值分分散散性性大大，，有有的的相相差差几几十十Ω，，故故需需要要作作阻阻值调整；不适于高温环境下测量；此外价格较贵值调整；不适于高温环境下测量；此外价格较贵25（三）（三）      测量电路测量电路电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流电桥和直流电桥两种直流电桥比较简单，因此以直流电桥和直流电桥两种直流电桥比较简单，因此以直流电桥为例分析说明，如图所示。

电桥为例分析说明，如图所示E为电桥供电电源，为电桥供电电源，R1、、R2、、R3、、R4为四个桥臂电阻，当为四个桥臂电阻，当电桥的负载电阻电桥的负载电阻Rg为无穷大时，电桥的输出电压为无穷大时，电桥的输出电压Ug为为  R2R4R1R3E直流电桥原理图RgACDIgB当当Ug=0时，直流电桥处于平衡时，直流电桥处于平衡状态，则有状态，则有R1R4=R2R3该式说明，电桥平衡时，其相对该式说明，电桥平衡时，其相对两臂电阻的乘积相等或相邻两臂两臂电阻的乘积相等或相邻两臂电阻的比值相等电阻的比值相等 26右右图图为为单单臂臂工工作作电电桥桥，，R1为为工工作作应应变变片片，，R2、、R3、、R4为为固固定定电电阻阻，，E为为电电桥桥供供电电电电源源，，Ug为为电电桥桥的的输输出出电电压压，，负负载载电电阻阻为为无无穷穷大大，，应应变变片片电电阻阻R1有有一一增增量量ΔR1时，电桥的输出电压为时，电桥的输出电压为 设桥臂比设桥臂比n= R2/ R1，根据直流电桥平衡条件，根据直流电桥平衡条件R1R4=R2R3，，忽略分母中的忽略分母中的ΔR1，整理后可得，整理后可得 则直流电桥电压灵敏度为则直流电桥电压灵敏度为 27当当n=1，且，且R1/R2=R3/R4时，单臂工作电桥的输出电压为时，单臂工作电桥的输出电压为 可见，当单臂工作电桥的供电电源不变，负载电阻无穷可见，当单臂工作电桥的供电电源不变，负载电阻无穷大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量ΔR1相对相对R1＋＋R2的值可忽略的情况下，电桥输出电压的值可忽略的情况下，电桥输出电压Ug与应变片电与应变片电阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为常数。

常数 如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个桥臂同时受拉或受压，则桥臂同时受拉或受压，则 28如如果果电电桥桥的的四四个个桥桥臂臂都都接接入入性性能能和和指指标标完完全全相相同同的的工工作作应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为 可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂工作电桥提高工作电桥提高4倍全桥电路和相邻臂倍全桥电路和相邻臂工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且当负载电阻无穷大时，没有非线性误当负载电阻无穷大时，没有非线性误差，同时还起到温度补偿作用差，同时还起到温度补偿作用 例例1 某应变片的电阻某应变片的电阻R=350Ω,K=2.05,用作应变用作应变ε为为800μm/m的的传感元件传感元件①①求求ΔR/R和和ΔR；；②②若电桥供电电源电压为若电桥供电电源电压为E=3V，，计算惠斯登全桥电路的输出电压计算惠斯登全桥电路的输出电压U0。

 解：解：ΔR/R=Kε＝＝800×2.05＝＝0.00164ΔR=KεR＝＝0.00164×200＝＝0.574Ω则则29例例2 一个一个K＝＝2.1的的350Ω应变片被粘贴到铝支柱应变片被粘贴到铝支柱(其弹性其弹性模量模量E＝＝73GPa)上支柱的外径为上支柱的外径为50mm，内径为，内径为47.5 mm试计算当支柱承受试计算当支柱承受1000kg负荷时电阻的变化负荷时电阻的变化提示：（提示：σ＝＝εE，，σ为测试的应力；为测试的应力；ε为应变；为应变；E为材料为材料的弹性模量）的弹性模量）        ΔR=KεR＝＝KRσ/E＝＝KR(F/S)/E根据几何学，承受力的面积根据几何学，承受力的面积S为为因此，对于因此，对于R=350Ω，，K＝＝2.1，，F＝＝1000kg＝＝9800N和和E＝＝73GPa，有，有解：解：30（四）（四） 应变式传感器应用应变式传感器应用      金金属属应应变变片片，， 除除了了测测定定试试件件应应力力、、应应变变外外，，还还制制造造成成多多种种应应变变式式传传感感器器用用来来测测定定力力、、扭扭矩矩、、加加速速度度、、压压力力等其它物理量。

等其它物理量     应变式传感器包括两个部分：一是应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是转换为弹性体的应变值；另一个是应变片应变片作为转换元作为转换元件将应变转换为电阻的变化件将应变转换为电阻的变化 u柱力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器311 1、柱力式传感器、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）在在轴轴向向布布置置一一个个或或几几个个应应变变片片，，在在圆圆周周方方向向布布置置同同样样数数目目的的应应变变片片,后后者者取取符符号号相相反反的的横横向向应应变变，，从从而而构构成成了了差差动动对对由由于于应应变变片片沿沿圆圆周周方方向向分分布布，，所所以以非非轴轴向向载载荷荷分分量量被被补补偿偿，，在在与与轴轴线线任任意意夹夹角的角的α方向，其应变为方向，其应变为 ：：ε1——沿轴向的应变；沿轴向的应变；μ——弹性元件的泊松比。

弹性元件的泊松比当当α=0时时当当α=90˚时时E：弹性元件的杨氏模量322 2、梁力式传感器、梁力式传感器等等强强度度梁梁弹弹性性元元件件是是一一种种特特殊殊形形式式的的悬悬臂臂梁梁梁梁的的固固定端宽度为定端宽度为b0，，自由端宽度为自由端宽度为b，，梁长为梁长为L，，粱厚为粱厚为h力力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严方向上粘贴应变片位置要求不严n横截面梁横截面梁n双空梁双空梁nS形弹性元件形弹性元件33各种平行双孔梁各种平行双孔梁34P（b） （a）应变式压力传感器3 3、应变式压力传感器、应变式压力传感器     测测量量气气体体或或液液体体压压力力的的薄薄板板式式传传感感器器，，如如图图所所示示当当气气体体或或液液体体压压力力作作用用在在薄薄板板承承压压面面上上时时，，薄薄板板变变形形，，粘粘贴贴在在另另一一面面的的电电阻阻应应变变片片随随之之变变形形，，并并改改变变阻阻值值这这时时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压          圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a））或或与传感器外壳作成一体，如图与传感器外壳作成一体，如图 (b)。

应变片354 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器壳体壳体机座机座aFR1R2m充满硅油基基基基本本本本结结结结构构构构由由由由悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁、、、、应应应应变变变变片片片片、、、、质质质质量量量量块块块块、、、、机机机机座座座座外外外外壳壳壳壳组组组组成成成成悬悬悬悬臂臂臂臂梁梁梁梁（（（（等等等等强强强强度度度度梁梁梁梁））））自自自自由由由由端端端端固固固固定定定定质质质质量量量量块块块块，，，，壳壳壳壳体体体体内充满硅油，产生必要的阻尼内充满硅油，产生必要的阻尼内充满硅油，产生必要的阻尼内充满硅油，产生必要的阻尼当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。

通过测量阻值的变生变化通过测量阻值的变生变化通过测量阻值的变生变化通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度化求出待测物体的加速度化求出待测物体的加速度化求出待测物体的加速度                36二、二、 压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器物性型传感器优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等集成化等 （一）（一）   压阻效应压阻效应固固体体材材料料在在应应力力作作用用下下发发生生形形变变时时，，其其电电阻阻率率发发生生变变化化的现象被称为压阻效应的现象被称为压阻效应对半导体材料对半导体材料对金属材料对金属材料电阻相对变化量电阻相对变化量π——压阻系数压阻系数σ——应力应力E——弹性模量弹性模量37由由于于πE一一般般都都比比（（1+2μ））大大几几十十倍倍甚甚至至上上百百倍倍，，因因此此，，引引起起压压阻阻效效应应的的主主要要原原因因是是半半导导体体材材料料电电阻阻相相对对变变化化，，则上式可近似写成则上式可近似写成                                  式中式中  π——压阻系数；压阻系数；E——弹性模量；弹性模量；              σ——应力；应力；       ε——应变。

应变      上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应       扩扩散散硅硅压压阻阻式式传传感感器器的的基基片片是是半半导导体体单单晶晶硅硅单单晶晶硅硅是是各各向向异异性性材材料料，，取取向向不不同同其其特特性性不不一一样样而而取取向向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向38 C ZOBAXY11晶体晶面的截距表示（二）晶向、晶面的表示方法（二）晶向、晶面的表示方法         结晶体具有多面体的形态，由分子、原子或离子有结晶体具有多面体的形态，由分子、原子或离子有规则排列而成多面体的表面由许多晶面围合而成晶规则排列而成多面体的表面由许多晶面围合而成晶面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的顶点为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通顶点为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、、Y、、Z表示        硅为立方晶体结构，就硅为立方晶体结构，就取立方晶体的三个相邻边为取立方晶体的三个相邻边为X、、Y、、Z。

在晶轴在晶轴X、、Y、、Z上取与所有晶轴相交的某晶上取与所有晶轴相交的某晶面为单位晶面，如图所示面为单位晶面，如图所示 39此此晶晶面面与与坐坐标标轴轴上上的的截截距距为为OA、、OB、、OC已已知知某某晶晶面面在在X、、Y、、Z轴轴上上的的截截距距为为OAx、、OBy、、OCz，，它它们们与与单位晶面在坐标轴截距的比可写成单位晶面在坐标轴截距的比可写成                      p、、q、、r为没有公约数为没有公约数(1除外除外)的简单整数取其倒数得的简单整数取其倒数得h、、k、、l也也为为没没有有公公约约数数的的简简单单整整数数依依据据上上式式可可知知，，截截距距OAx、、OBy、、OCz的的晶晶面面，，能能用用三三个个简简单单整整数数h、、k、、l来来表表示示h、、k、、l称称为为密密勒勒指指数数而而晶晶向向是是晶晶面面的的法法线线方方向向，，根根据据规规定定，，晶晶面面符符号号为为(hkl)，，晶晶面面全全集集符符号号为为{hkl}，，晶向符号为晶向符号为 [hkl]，，晶向全集符号为晶向全集符号为〈〈hkl〉〉40（三）固态压阻器件（三）固态压阻器件1 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理     利利用用固固体体扩扩散散技技术术，，将将P型型杂杂质质扩扩散散到到一一片片N型型硅硅底底层层上上，，形形成成一一层层极极薄薄的的导导电电P型型层层，，装装上上引引线线接接点点后后，，即即形形成成扩扩散散型型半半导导体体应应变变片片。

若若在在圆圆形形硅硅膜膜片片上上扩扩散散出出四四个个P型型电电阻阻，，构构成成惠惠斯斯登登电电桥桥的的四四个个臂臂，，这这样样的的敏敏感感器件通常称为固态压阻器件，如图所示器件通常称为固态压阻器件，如图所示１２３４５７６1   N-Si膜片膜片  2   P-Si导电层导电层  3粘贴剂粘贴剂     4硅底座硅底座  5引压管引压管     6Si 保护膜保护膜 77  引线引线 41USCR－ΔR+ΔRT恒流源供电ACDBR－ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTR+ΔR+ΔRTE2 2、测量桥路及温度补偿、测量桥路及温度补偿为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电假设电桥中两个支路的电阻相等，即假设电桥中两个支路的电阻相等，即 RABC=RADC=2（（R+ΔRT），），故有故有因此，电桥的输出为因此，电桥的输出为        可可见见，，电电桥桥输输出出与与电电阻阻变变化化成成正正比比，，即即与与被被测测量量成成正正比比，，与与恒恒流流源源电电流流成成正正比比，，即即与与恒恒流流源源电电流流大大小小和和精精度度有有关关但但与与温温度度无无关关，，因因此此不不受受温温度度的的影影响响。

但但是是，，压压阻阻器器件件本本身身受受到到温温度度影影响响后后，，要要产产生生零零点点温温度度漂漂移移和和灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移，，因因此必须采取温度补偿措施此必须采取温度补偿措施IUSC=IΔR42（（1 1）零点温度补偿）零点温度补偿零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的一般用串、并联电阻法补偿，如图其不一致造成的一般用串、并联电阻法补偿，如图其中，中，RS是串联电阻；是串联电阻；RP是并联电阻串联电阻主要起调是并联电阻串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用零作用；并联电阻主要起补偿作用 R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RPBCDARSEDi计算计算RS、、RP的方法的方法43设设R1′,R2′,R3′,R4′与与R1″,R2″,R3″,R4″为为四四个个桥桥臂臂电电阻阻在在低低温温和和高高温温下下的的实实测测数数据据，，RS′,RP′与与RS˝、、RS˝分别为分别为RS、、RP在低温与高温下的欲求数值在低温与高温下的欲求数值根根据据以以上上四四式式可可计计算算出出RS′,RP′,RS˝,RP˝。

从从而而，，计计算算出常温下出常温下RS、、RP的数值计计算算出出RS、、RP后后，，那那么么，，选选择择该该温温度度系系数数的的电电阻阻接接入入桥路，便可起到温度补偿的作用桥路，便可起到温度补偿的作用根据低温与高温下根据低温与高温下B、、D两点的电位相等的条件两点的电位相等的条件设设RS、、RP的温度系数的温度系数α、、β为已知，则为已知，则44（（2 2）） 灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿      原因：由于压阻系数随温度变化而引起的原因：由于压阻系数随温度变化而引起的      温温度度升升高高时时，，压压阻阻系系数数变变小小；；温温度度降降低低时时，，压压阻阻系系数数变大，说明传感器的灵敏度系数为变大，说明传感器的灵敏度系数为负值负值    补偿灵敏度温漂采用在电源回路中串联二极管的方法：补偿灵敏度温漂采用在电源回路中串联二极管的方法：      温温度度升升高高时时，，因因为为灵灵敏敏度度降降低低，，这这时时如如果果提提高高电电桥桥的的电电源源电电压压，，使使电电桥桥的的输输出出适适当当增增大大，，便便可可以以达达到到补补偿偿的的目目的的反反之之，，温温度度降降低低时时，，灵灵敏敏度度升升高高，，如如果果使使电电源源电电压压降降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。

低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的     因为二极管因为二极管PN结为负温度特性，温度每升高结为负温度特性，温度每升高1℃时，正时，正向压降约减小向压降约减小(1.9～～2.5)mV将适当数量的二极管串联在将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中，电桥的电源回路中，如图如图电源采用恒压源，当温度升高电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥输出增大只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的电源回路，便可以达到补偿的目的 45根据电桥的输出，应有根据电桥的输出，应有若若传传感感器器低低温温时时满满量量程程输输出出为为USĆ，，高高温温时时为为USC˝，，则则ΔUSC= USĆ–USC˝ 而而ΔR/R可可根根据据常常温温下下传传感感器器的的电电源源电电压压与与满满量量程程输输出出计计算算，，从从而而可可以以求求出出ΔUSC此此值值便便是是为为了了补补偿偿灵灵敏敏度度随随温温度下降，桥压需要提高的数值度下降，桥压需要提高的数值ΔE。

当当n只二极管串联时，可得只二极管串联时，可得n·θ·ΔT=ΔE式中式中θ——二极管二极管PN结正向压降的温度系数，一般为结正向压降的温度系数，一般为-2mV/℃；；n——串联二极管的个数；串联二极管的个数；ΔT——温度的变化范围温度的变化范围用这种补偿方法时，必须考虑二极管正向压降的阈值，用这种补偿方法时，必须考虑二极管正向压降的阈值，硅管为硅管为0.7V，，锗管为锗管为0.3V因此，要求恒压源提供的电因此，要求恒压源提供的电压应有一定的提高压应有一定的提高        46稳压源+－+－R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及转换应变电桥（3－19）mARr（4－20）mA恒流源       下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图组成：应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及组成：应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电流转换单元等电压一电流转换单元等47。