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Endevco技术论文—TP280—硅应变片技术在航空和航天加速度

和压力测量中的应用

RobertM.Whittier；JonWilson

引言

传感器技术的发展总是根据工程技术的要求，综合考虑各种因素，兼顾到各方面利害，

选择最优的方案。一般说来，必须妥善处理传感器的性能指标与其所带来的一些限制条件之

间的关系。对于航空和航天技术所用的加速度传感器和动态压力传感器来说，对其性能最典

型的要求是灵敏度高、频率响应宽和动态范围大。最常见的环境要求是特别高或特别低的温

度、冲击、振动、潮湿、底座应变和瞬态温度变化。典型的限定条件是尺寸和重量。

大多数这类传感器或者应用压电敏感元件或者应用压阻敏感元件。Endevco公司两种敏

感元件都生产，本文的目的在于讨论压阻式传感器（PR）的设计与应用。

在设计为航空和航天技术使用的压阻式传感器时，我们一般是着重于效率（即对每单

位供电电压尽可能得到高输出值）和从直流开始的宽的频率响应。可以用“品质因数”来综

合地描述这两个因素。压阻式硅应变片的应变灵敏度系数大约比金属应变片高两个数量级，

这就是我们成功的开始。在加速度传感器和压力传感器中由于应用了能把动态力集中于中间

较细的部位的传感元件，而应变片就正是位于这个部位，因此效率大为提高。这种设想正是

本文的主要议题。

加速度计的设计

图1中给出了Endevco在压阻式加速度计中所用的应变片。它是由整块的硅晶体制成

的。在应用时它是惠斯登电桥电路的一个元件。

因为应变片属于成功元件，所以在设计时有两个因素很重要的。第一个：应变片在受

到力作用时，由于应变片的有效面积随之减小，所以应变片的灵敏度提高，因此应变片的有

效面积必须尽可能地小。第二个：必须将应变片贴到收礼的结构上。为使粘贴是非弹性的，

所以必须将粘贴的区域放大。Endevco获有专利的哑铃状应变片满足这两种要求。两个大的

安装底座被窄细的柔性颈部连系在一起，颈部是应变片的有效部位。

Endevco压阻式加速度计应用了悬臂梁式传感机构。应变片被跨装在这个小梁的狭长切

口上，另一端就成了悬臂的质量块。这种结构系统保证了作用到梁上的线性力与传感器的运

动加速度成正比。

微型设计通常只使用两个应变片，一个受压缩，而另一个受拉伸。图2给出了这种设

计的略图。放在很小的外壳中的这种结构可将加速度计的Q值因数放大。电桥的其余电阻放

在另外的信号适调仪中，或者也可放在加速度计内，但这要以增加加速度计的尺寸为代价。

这种安排方法使我们有可能用分路校准法对整个测量系统进行校准。某些传感器是全桥式的，

它们的灵敏度较高，供电方法简单，其输出可以接到大多数电压表、示波器和记录仪上直接

进行测量。

图2：在一个悬臂梁上应用两个应变片的半桥式加速度计的设计型式

这种传感器不加阻尼，因此在其有用的频段之内相移为零，典型的有用频段为从稳态

到1200Hz。图3中给出了一种微型加速度计的照片，整个外形尺寸只有10×4.6×10mm，其

重量小于1g重。

微型设计可以承受比额定测量值大两倍的环境冲击。当然在使用时必须十分小心，

如果掉在地上，则会激起自然共振，从而造成损坏。在某些使用场合，环境冲击值要比被测

的振动值大得多。为满足这种测量场合的要求，设计了具有长的悬臂梁质量块，在一端有过

载限止器的结构，如图4所示。另外，在某些型号里加了油阻尼，使其能获得临近阻尼比下

的频率响应，如图5所示。在图6中给出了一种具有过载限止器和油阻尼的典型传感器。这

种传感器具有5／8英寸六角形安装底座，其高度为25mm。

图4：应用具有过载限止器的悬梁臂式加速度计设计型式

图5：具有补偿电阻和过载限止器的加速度计

图6：具有过载限止器和阻尼的2262A型压阻式加速度计

加速度计的应用

权衡一下压阻式加速度计与应用得很广泛的压电式加速度计之间的利弊是很有好处的。

表1给出了压阻式加速度计的特点，由于其输出阻抗低，所以就简化了与信号适调仪之间的

连接方式，可以进行简单的互易校准和交流分路校准。它的最突出的优点是具有稳态响应。

表1：压电式与压阻式加速度计的比较

压阻式加速度计广