传感器：第2篇 应变式传感器.ppt

第二章 应变式传感器 2.1 金属应变式传感器 2.2 压阻式传感器 则欧姆定律表示为 对于立方晶体有 因此Si立方晶体电阻率只有1个分量。 作用在硅晶体上的应力，有三个独立的垂直应力分量 ，和三个独立的剪切应力分量 所引起的电阻率变化分别为 用矩阵表示应力与电阻率变化的关系有 令 对于硅立方晶体，考虑其对称性有 称为纵向压阻系数， 称为横向压阻系数， 称为剪切压阻系数。 对于硅立方晶体，在正交坐标系中，坐标轴与晶轴一致时，有 忽略垂直应力，于是 式中 扩散电阻 2006.9.18 JC204- 方向余弦计算方法：若已知Si晶体中力敏电阻所处晶向为 ，其方向余弦为 P39例子图 四、固态压阻器件 （一）固态压阻器件的结构原理 将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线，即形成扩散型半导体应变片。 扩散根据方向不同分为径向电阻和切向电阻。电阻的长边与膜片的半径平行的称为径向电阻 ；垂直于膜片半径的称为切向电阻 。 设膜片的径向应变为 ，切向应变为 ，则 圆形硅膜片在四周固定，受均匀压力 作用时，如果膜片位移远小于膜片厚度时，膜片的应力分布为 当 时， ； 当 时， 。 设 为应变片，受应变时电阻改变为 ，则输出 如果电桥各臂都改变，则有 （一）等臂电桥 当 时，称为等臂电桥。此时 设通常 为应变片，略去高阶小量，得到 考虑单臂工作情况 下面讨论单臂工作时的非线性误差 上式用级数展开得 电桥的非线性相对误差 取 （二）第一对称电桥 若电桥桥臂两两相等，即 则称为第一对称电桥。设 有一增量 ，则输出 2006.9.15 JC204- 1.第一对称电桥 2.第二对称电桥 （三）第二对称电桥 若电桥桥臂两两相等，即 则称为第二对称电桥。设 有一增量 ，则输出 令 得 由上式可知 1.当 时， ，其非线性较等臂电桥大； 2.当 时，其非线性较等臂电桥小； 3.当 时，其非线性得到很好改善； 4.当 时，即为等臂电桥。 当 时，前式可简化为 上式表明，第二对称电桥比等臂电桥的输出电压小。 （四）电桥恒流供电 将电桥有恒压供电改为恒流供电，可以提高线性度。 设 有一增量 ，则输出 如果为等臂电桥，则 ，于是 恒流供电电桥 （五）电桥桥臂比与电桥灵敏度 根据前面电桥输出公司，令 称为电桥的桥臂比，得 定义电桥灵敏度 由上式看出，电桥灵敏度是桥臂比的函数，下面分析桥臂比为何值时电桥灵敏度最大。令 得 时，即第一对称电桥电桥灵敏度最大。 四、应变传感器 金属应变片除了测定试件应力、应变外，还可知制造成多种应变式传感器，用于测量力、扭矩、加速度、压力等其他物理量。 应变式传感器包括两部份，一是弹性敏感元件，将被测量转换为应变；二是应变片，将应变转化为电阻的变化。 弹性元件 被测量 应变片 电阻 变化 应变量 （一）柱式压力传感器 圆柱式压力传感器分为实心和空心两种。 柱式力传感器应变片的粘贴方式 对于柱式压力传感器其轴向应变和圆周方向应变与轴向受力成正比例关系。 轴向应变 圆周方向应变 柱式应变传感器的结构形式 （二）梁式力传感器 如图，梁的一端固定，另一端受力，在力作用下梁弯曲，产生应变。 等截面梁 等强度梁 对于等截面梁其应变与受力关系如下 对于等强度梁其应变与受力关系如下 等截面梁其应变随距受力点的距离变化而变化，等强度梁各处的应变相同。 除了上面的梁式传感器外还有其它形式的梁式传感器。参见下面图。 各种梁式传感器 （三）应变式压力传感器 1.膜式应变压力传感器 测量气体或液体压力（压强）的膜式压力传感器结构如下图。 当均匀的压力作用于圆形的薄板时，圆板上任一点的应变值为