[工学]第五章 压力传感器.pptx

第五章

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第一节应力、应变的基本概念

第二节导体受力后电阻的变化

第三节压阻式压力传感器的基本原理

第四节压阻式(扩散硅)压力传感器的结构设计

第五节硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路

第六节压阻式压力传感器的结构、性能与应用

与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传

感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同，本章只

第五章力学量传感器

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第一节应力、应变的基本概念

1.应力的基本概念在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为S的均匀直杆两端施加方向相反的拉力。F如果在杆中A点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为的力，这个力就是右半段杆子通过截面作用到左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。

图1应力示意图4

式中，值大于零表示拉伸应力，小于零表示压缩应力。应力符号的两个下角标中，第

一个记为截面法线指向，该应力是由法线指向一侧物体作用在法线离开一侧物体上的。第二个下角标记为力的方向，上式给出的应力是作用在A点的、垂直于杆轴的截面上的沿杆轴方向的应力。如果通过A点作一斜截面，其法线记作A,见图2，它与杆轴夹角为a，在它上面作用着沿杆轴方向的合力为F的分布内力作用，但是该截面面积为

S/cosa所以每单位面积上沿杆轴方向的内力为

图2切应力示意图5

它就是在点截面上沿正方向的应力。为了求得作用在这个斜面上的垂直于截面及在截面内的应力，可将力F向法线方向及截面内方向投影，

F,=FcosaFP=Fsina

相应的应力为：

式中，on为正应力，Ow为切应力。

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2.应变的基本概念在外力作用下物体会产生变形，应变是衡量变形大小的力学量。图3给出直杆AB及坐标轴Qxr在杆中截取一个微元CD，和D的坐标分别为X和X+AX。当杆件两端受到F力的作用时，杆件会发生伸长，C、D分别移动到和，它们的坐标分别为x+lc，x+A.xtu,。对微元CD段变形前的长度：X+AX-x=AX

变形后长度：x+AX+up-(x+u。)=AX+up-u。

微元CD段的伸长为

CD段的平均伸长：

图3应变示意7图

为了表示杆件在点的变形情况，应当让趋于零。如果考虑杆件的变形很小，和有近似关系这样就得到所谓c点的应变EX

半径r变化dr，电阻率P变化dp，因而将引起R变化dR。对上式微分可得

第二节导体受力后电阻的变化

设有一根长为l、截面积为S、电阻率为P的导体，其起

（5-2-1）

其长度l变化dl，截面S变化，

始电阻为R，于是有：

设导线在力F作用下，

所以式（5-2-2）可写成（5-2-3）

式中△L/L是长度相对变化量,用轴向应变ε表示:

由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：

（5-2-4）

式中:µ——电阻丝材料的泊松比,负号表示径向应变与轴向应变相反。9

（5-2-2）

由于

将式（5-2-4）代入式（5-2-3），整理后得到

（5-2-5）

或写为（5-2-6）

（5-2-7）

称为金属材料的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻

变化率。由式（5-2-6）可知，金属材料的灵敏系数的大小是由两个因素引起的。一个是金属丝几何尺寸的变化引起的，即(aolo)s项；另一个是受力后材料的电阻率变化引起的，即(1+2u)项。对金属材料而言，前项是主要的，

而对半导体材料，后项则是主要的。

大量实验证明，金属