第三章：传感器之二.ppt

第三章 传感器 能动学院 满长忠 dlman41@163.com 3.2　压力传感器 定义：垂直作用在单位面积上的力称压力。 　　　　压力的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。 绝对压力PJ、大气压力PD、表压力PB 　真空度PZ（负压）　　 　　　　PB= PJ －PD 、　　PZ＝ PD－ PJ 3.2压力传感器 一.电阻式压力传感器 将压力信号转换成电阻的变化的压力传感器。 有：电阻应变片式压力传感器、压阻式传感器 1.电阻应变式压力传感器 电阻的应变效应：导体受机械变形时，其电阻值发生变化，称为“应变效应” 电阻应变式压力传感器，通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化来测量压力值的。用于力、扭矩、张力、位移、转角、速度、加速度和振幅等测量。 3.2压力传感器 应变片结构：由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应变敏感元件一般由金属丝、金属箔（高电阻系数材料）组成，它把机械应变转化成电阻的变化。基片和覆盖层起固定和保护敏感元件、传递应变和电气绝缘作用。 金属箔的厚度通常为0.002～ 0.008mm。应变片厚度小、工 作电流大、寿命长、易批量生 产，在应力测量中应用广泛。 绕线式应变片由一根高电阻系 数的电阻丝排成栅型，电阻为 60 ～120Ω。 3.2压力传感器 康铜是目前应用最广泛的应变丝材料 灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数。 康铜的电阻温度系数较小且稳定；加工性能好。 应变计的粘贴要求 有一定的粘结强度。 能准确传递应变。 蠕变小。 3.2压力传感器 电阻应变式压力传感器结构 膜片式、筒式、组合式 膜片式适用于低压测量；筒式适用于高压测量； 3.2压力传感器 工作方式：通过不平衡电桥把电阻的变化转换成电流或电压信号的输出。 → 慧斯登电桥半桥： 3.2压力传感器 图为膜片式应变片压力传感器，4个电阻全为工作片，全桥接法： 知：ε2＝ ε4 ,ε1＝ ε3 ， 且 ε1＝ ε3 ＝- ε2 ＝ - ε4 ＝ -ε 则： 2.压阻式压力传感器 压阻效应:半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化，这一特性称为压阻效应。 (硅、锗 / 石英片、压电陶瓷等）。 电阻变化与应变值之间的关系： 式中：灵敏系数 ， μ-应变材料的泊松比 L、ρ-分别为电阻丝的长度与电阻率 硅、锗等半导体材料组成的元件受到压缩或拉伸时，其电阻率ρ随应力( )的变化率 远大于一般电阻材料的灵敏系数，因此，引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应： 式中： —压阻系数；E—弹性摸量；σ —应力； —应变 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅，单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样，而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。 3.2压力传感器 3.2压力传感器 优点： 灵敏系数高，k =30～ 175（而电阻丝其值约在1.6～ 3.6 之间)； 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。 缺点： 温度稳定性差：半导体材料的电阻温度系数大，且灵敏度系数随温度的变化也相当大。 灵敏系数的非线性度较大：灵敏系数高，在承受大应变作用时，引起的电阻变化教大，灵敏度系数失去线性。 3.2压力传感器 若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变εx时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变, 圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。 横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但由于应变片敏感栅的电阻变化较小, 因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数K0小, 这种现象称为应变片的横向效应。 3.2压力传感器 体形（bulk)半导体电阻应变片 是从单晶硅或锗切下薄片制成，主要优点是灵敏系数大，横向效应和机械之后极小；温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差的多。 3.2压力传感器 扩散型（diffusion) 压阻式压力传感器 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膜片 3.2压力传感器 工作原理： 膜