压阻应变片式压力传感器详解.ppt

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1、第三章第三章 传感器传感器能动学院能动学院3.1压力传感器压力传感器n n定义：定义：定义：定义：垂直作用在单位面积上的力称垂直作用在单位面积上的力称压力压力。压力的单位是“帕斯卡帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。n绝对压力绝对压力PJ、大气压力、大气压力PD、表压力、表压力PB真空度真空度PZ（负压）（负压）PB=PJ PD、PZ PD PJ测压仪表的分类：测压仪表的分类：测压仪表测压仪表液柱式压力计液柱式压力计依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将依据重力与被测压力平衡的原理制成的，可将被测压力转换为液柱的高度差进行测量被测压力转换为液柱的高度差进行测量U型管压力计、单管压力计以及斜

2、管压力计型管压力计、单管压力计以及斜管压力计弹性式压力计弹性式压力计依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性依据弹性力与被测压力平衡的原理制成，弹性元件变形的多少反映了被测压力的大小。元件变形的多少反映了被测压力的大小。弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计电气式压力计电气式压力计利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍尔式尔式活塞式压力计活塞式压力计根根据据水水压压机机液液体体传传送送压压力力的的原原理理，将将被被测测压压力

3、力转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。它它普普遍遍地地被被作作为为标标准准仪仪器器用用来来校校验验或或刻刻度度弹弹性性式压力计。式压力计。3.1压力传感器压力传感器一一.电阻式压力传感器电阻式压力传感器 将压力信号转换成电阻的变化电阻的变化的压力传感器。有：电阻应变片式压力传感器电阻应变片式压力传感器、压阻式传感器压阻式传感器1.电阻应变式压力传感器电阻应变式压力传感器n电阻的应变效应：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电阻应变式压力传感器，通过粘结在弹性

4、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。幅等测量。3.1压力传感器压力传感器n应变片结构：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 60 120

5、。3.1压力传感器压力传感器n电阻应变式压力传感器结构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；3.1压力传感器压力传感器n工作方式：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：慧斯登电桥半桥：n图为膜片式应变片压力传感器，4个电阻全为工作片，全桥全桥接法接法：知：2 4 ,1 3，且 1 3-2 -4 -则：3.1压力传感器压力传感器2.压阻式压力传感器压阻式压力传感器n压阻效应压阻效应:半导体材料在受力时电阻率发生变化，这一特 性称为压阻效应。(硅、锗/石英片、压电陶瓷等）。n电阻变化与应变值之间的关系：电

6、阻变化与应变值之间的关系：式中：式中：灵敏系数 ，-应变材料的泊松比 L、-分别为电阻丝的长度与电阻率3.1压力传感器压力传感器n硅、锗等半导体材料组成的元件受到压缩或拉伸时，其电阻率电阻率随应力随应力()的变化率的变化率 远大于一般电阻材料的灵敏系数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压阻效应：式中：压阻系数；E弹性摸量；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

7、向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶料，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。面的法线方向。3.1压力传感器压力传感器3.1压力传感器压力传感器3.1压力传感器压力传感器n优点：优点：灵敏系数高灵敏系数高，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。机械滞后小、横向效应小及本身体积小。n缺点：缺点：温度温度性差：温度温度性差：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。3.1压

8、力传感器压力传感器n体形（体形（bulk)bulk)半导体电阻应变片半导体电阻应变片n是从单晶硅或锗切下薄片制成，主要优点是灵敏系数大，横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。变片差的多。3.1压力传感器压力传感器n扩散型（扩散型（diffusion)diffusion)压阻式压力传感器压阻式压力传感器 采用采用N N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半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导体电阻应变膜片3.1压力传感器压力传感器

9、n工作原理：工作原理：膜片两边存在压差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻膜片两边存在压差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置：四个电阻的配置位置：按膜片上径向应力按膜片上径向应力r 和切向应力和切向应力 t 分布情况确定。分布情况确定。设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。设计时适当安排电子的位置，可以组成差点电桥。3.1压力传感器压力传感器 扩散型压阻式压力传感器特点：扩散

10、型压阻式压力传感器特点：n优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度优点：体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变高，能测出十几帕德微压，长期稳定性好，之后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。小，频率响应高，便于生产，成本低。n测量准确度受到非线性和温度的影响，智能压阻式压力测量准确度受到非线性和温度的影响，智能压阻式压力传感器利用微处理器对费线性和温度进行补偿。传感器利用微处理器对费线性和温度进行补偿。3.1压力传感器压力传感器n压阻式加速度传感器：压阻式加速度传感器：它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在器根它的悬臂梁直接

11、用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在器根部两面。部两面。n测量电路：测量电路：恒压源：恒压源：输出电压与输出电压与 成正比，输出电压受环境温度的影响成正比，输出电压受环境温度的影响.恒流源：恒流源：输出电压与输出电压与 成正比，环境温度的变化对其没有影响成正比，环境温度的变化对其没有影响.3.1压力传感器压力传感器3.1压力传感器压力传感器测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿n由于制造、温度等影响因素，电桥存在失调、灵位飘移、由于制造、温度等影响因素，电桥存在失调、灵位飘移、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。n减少与补偿误差措施减少

12、与补偿误差措施：恒流源供电电桥；恒流源供电电桥；零点温度补偿；零点温度补偿；灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿。3.1压力传感器压力传感器n恒流源供电电桥恒流源供电电桥为了减少温度影响为了减少温度影响,压阻器件一般采用压阻器件一般采用恒流源供电恒流源供电.假设两个支路的电阻相等假设两个支路的电阻相等,即即:故有故有:电桥的输出为电桥的输出为:3.1压力传感器压力传感器 电桥的输出电压与电阻变化成正比,与恒流源电流成正比,但与温度无关,因此测量不受温度的影响.但是压电器件本身受到温度影响后,要产生零点温度漂零点温度漂移移和灵敏度温度漂移灵敏度温度漂移。因此必须采用温度补偿措施。3.1压力传感器压力传感

13、器零点温度漂移零点温度漂移 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值四个扩散电阻的阻值及其温度系数温度系数的不一致引起的不一致引起的，一般用串、并联 电阻法补偿。其中RS为串联电阻，RP是并联电阻。串联电阻主要起 调零作用；并联电阻主要起补偿 作用。3.1压力传感器压力传感器 由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，如当温度升高时，R2增加比较大，使D点的电位低于B点，B、D两点的电位差即为零点漂移。可在R2上串联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。当温度变化时，可减少或消除B、D点之间的电位差，达到补偿的目的。3.1压力传感器压力传感器灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿 灵敏度温度

14、漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。说明传感器的灵敏度系数为负值。补偿灵敏度温漂可采用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。3.1压力传感器压力传感器 图为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小1.92.5mV。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中。电源采用 恒压源恒压源，当温度升高时，二极 管的正向压降减小，于是电桥 的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串如入电桥电源回路，便 可以达到补偿的目的。谢谢！谢谢！