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吊钩秤 便携式 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 --剪切弹性模量 应变片安装在弹性元件剪应变最大处的主应变方向。剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器高。 3.剪切式力传感器 梁长度的中间截面弯矩为零,中性层处是最大剪应变所在处,为此将电阻应变片安装在该截面的中性层上,栅丝与中性层成45°方向,即最大正应变方向。 四片应变片接成全桥电路后,电桥输出指示的应变与外力的关系为: 矩形截面梁: 工字形截面梁: 减小弯矩影响的剪切力传感器贴片方式 轮辐式剪切力传感器 2.7.2 电阻应变式压力传感器 1.平膜片式压力传感器 在膜片中心(R=0),εr、εt达到正最大值;当r=0.635r0时,εr=0;当r>0.635r0时,εr产生负值;当r=r0时,εt=0,εr达到负最大值。一般用小栅长应变片在膜片中心沿切向贴两片,在边缘处沿径向贴两片,并接成全桥线路,以提高灵敏度和进行温度补偿。 2.筒式压力传感器 如图(a),当内腔与被测压力场相通时,圆筒部分外表面上的切向应变(沿着圆周线)为 若筒壁较薄时,可用下式计算应变 式中,β——筒的外径与内径之差,β=D0-D。 (b)(c)贴片方式可实现温度补偿 2.7.3电阻应变式加速度传感器 加速度传感器系统模型 2.8电阻应变仪 2.9 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、易于微型化和集成化等。 2.9.1 基本工作原理 单晶硅材料在受到应力作用后,其电阻率发生明显变化,这种现象被称为压阻效应。 电阻相对变化量 对半导体材料 式中,π——压阻系数,与晶向有关。 用于制作半导体应变片的材料最常用的是硅和锗。在硅和锗中渗进硼、铝、镓、铟等杂质,可以形成P型半导体;如渗进磷、锑、砷等,则形成N型半导体。渗入杂质的浓度越大,半导体材料的电阻率就越低。 参数 硅(ρ=10Ω·㎝) 锗(ρ=10Ω·㎝) N P N P πl/10-7㎝2·N-1 [100] [110] [111] -102 -63 -8 +6.5 +71 +93 -3 -72 -95 +6 +47.5 +65 E l/107㎝-2·N [100] [110] [111] 1.30 1.67 1.87 1.01 1.38 1.55 KB [100] [110] [111] -132 -104 -13 +10 +123 +177 -2 -97 -147 +5 +65 +103 由表可见,半导体是各向异性材料,其压阻系数与晶向密切相关。N型硅的[100]晶向、P型硅的[111]晶向、N型锗的[111]晶向、P型锗的[111]晶向,其灵敏系数比金属丝应变片要大几十倍。 2.9.2半导体应变片 2.9.3压阻式传感器 将制作成一定形状的N型单晶硅作为弹性元件,选择一定的晶向,通过半导体扩散工艺在硅基底上扩散出4个P型电阻,构成惠斯登电桥的四个桥臂,从而实现了弹性元件与变换元件一体化,这样的敏感器件称为压阻式传感器。压阻式传感器主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 1.压阻式压力传感器 2.压阻式加速度传感器 2.9.4压阻式传感器输出信号调理 由MAXIM1450压阻式传感器专用芯片构成的测量电路 式中 R0为负载电阻,因而其输出电压U0为: 联立求解上述方程,求出检流计中流过的电流Io为: 当R1R4=R2R3时,I0=0,U0=0,即电桥处于平衡状态。 若电桥的负载电阻R0为无穷大,则B、D两点可视为开路,上式可以化简为: 设R1为应变片的阻值,工作时R1有一增量ΔR1,当为拉伸应变时,ΔR1为正;压缩应变时,ΔR1为负。在上式中以R1+ΔR1代替R1,则 (2-12) 由于ΔR1 R1 ,略去(2-13)分母中的 ΔR1 /R1得: 整理得: (2-13) 定义桥臂比: (2-14) (2-15) 当dKU/dn=0时, dKU最大,此时n=1; 即R2=R1;R4= R3 当n=1时,电桥为等臂电桥,其输出电压为:
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