应变式传感器

R l A R l A
ε为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；
μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3-0.5； R 1 2 K 0 R
2.1.2 金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数
（二）横向效应
（三）温度误差及其补 偿
2.2.4 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 扩散在其根部两面 。
扩散电阻
基座
a
质量块 应变梁
2.2.5 测量桥路及温度补偿
• 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温 漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的 准确性。 • 减少与补偿误差措施
1. 恒流源供电电桥
R1 I1 I2 USR R2
USC R3 R4
←
图2-14 恒流源电桥
输出电压为:
R1 R4 R2 R3 U 0 I1 R1 I 2 R3 I R1 R2 R3 R4
若电桥初始平衡，且R =R2 =R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1 变 为R1+ΔR1 时，电桥输出电压为：
工作原理：
膜片两边存在压力差时，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，电压与膜片两边的压力差成正比。
四个电阻的配置位置：
按膜片上径向应力σr和切向应力σt的分布情况确定。
3p r 2 [(1 )r02 (3 )r 2 ] 8h 3p t 2 [(1 )r02 (1 3 )r 2 ] 8h
RR 1 1 U0 I IR R 4R R 4 1 4R 1 若满足ΔR1<<R1 ，则 U 0 IR U 0 4
输出电压与ΔR成正比，即与被测量成正比。 输出电压与恒流源供给的电流大小、精度有关，与温度无关。
2.2.3 扩散型压阻式压力传感器
压阻式压力传感器结构简图 1—低压腔 2—高压腔 3—硅杯 4—引线 5—硅膜片 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薄膜
• 4 应变式加速度传感器
2.2.1
半导体的压阻效应
R (1 2 ) R
半导体电阻率 半导体材料 l ＝ l l Ee l 金属材料
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
2. 零点温度补偿
3. 灵敏度温度补偿
1. 恒流源供电电桥
假设ΔRT为温度引起的电阻变化
I ABC I ADC 1 I 2
电桥的输出为
U 0 U BD 1 1 I ( R R RT ) I ( R R RT ) 2 2 IR
恒流源供电的全桥差动电路
当R1R4 =R2R3时，电桥处于平衡状态，输出电压U0 =0。
1.电桥电路工作原理
2.非线性误差及其补偿
R 1 ΔR 1
R 1 ΔR 1
R 2 ΔR 2
R 3 ΔR 3
Uy
U 0 R 1 2 R1
双臂电桥
2.1.4 电阻应变式传感器的应用
• 1 应变式力传感器 • 2 应变式压力传感器 • 3. 应变式液体重量（或液位）传感器
1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度 变化△t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电 阻相对变化为
ΔR αt Δt R 1
2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化△t时， 因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将 产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化
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。
2.温度漂移及其补偿
温度变化而变化，将引起零漂和灵敏度漂移
零漂：扩散电阻值随温度变化，串、并联电阻。串联电阻Rs起 调零作用，并联电阻RP起补偿作用。
灵敏度漂移：压阻系数随温度变化，串联二极管
VD
A
R1 Rs R2
直线段：沿轴向拉应变εx，电阻
圆弧段：沿轴向压应度εy 电阻 K (箔式应变片)
εy εx
εy
应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低 了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及 尺寸有关。敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应 的影响愈小。
（三）温度误差及其补偿
ΔR k g s Δt R 2
温度补偿
单丝自补偿法
自补偿法 温度补偿
组合式自补偿法 线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻 〕
2.1.3 电阻应变片的测量电路
1 直流电桥
2 非线性误差及其补偿
直流电桥
直流电桥的工作原理
R1R4 - R2 R3 U0 U ( R1 R2 )(R3 R4 )
R (1 2 l E ) R
对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
R l E l R
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的， 而电阻率ρ的变化是由应变引起的 半导体单晶的应变灵敏系数可表示
K
R / R

lE
2.1 应变式传感器
2.1.1 工作原理 2.1.2 金属应变片的主要特性
2.1.3 测量电路
2.1.4 应变式传感器应用
2.1.1 工作原理
1.金属的电阻应变效应 长为l、 截面积为A、 电阻率为ρ的金属或半导体丝, 电阻 l R A 若导电丝在轴向受到应力的作用, 其长度变化Δl, 截面 积变化ΔA, 电阻率变化Δρ, 而引起电阻变化ΔR, 则
（1） 零漂补偿
Rp
U
B
R3
R4
C
U0
由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬 如，当温度升高时，R2的增加比较大，使D 点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零 D 位漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单 的办法是在R2上并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。这样 ，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位 差，以达到补偿的目的。当然，如在R3上并 联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行 补偿，作用是一样的。
半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小
2.2.2
体型半导体电阻应变片
• 1. 结构型式及特点 • 2.系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
2. 测量电路
半导体应变电桥的非线性误差很大，故半 导体应变电桥除了提高桥臂比、采用差动电桥 等措施外，一般还采用恒流源. 2.1 电桥输出电压与电阻变化量的关系 若右图所示的电路输入 阻抗较高，则有： I1 ( R1+R2 )=I2 ( R3+R4 ) I = I1+ I2
设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。
扩散型压阻式压力传感器 特点
• 优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度 高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕 变小，频率响应高，便于生产，成本低。 • 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非线性和温度进行补偿。
（一）灵敏系数
k R / R

“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料 为泊松系数μ=0.285条件下，一批产品中只能抽样5％的 产品来测定，取平均值及允许公差值。
电阻应变片的灵敏系数k < 电阻丝的灵敏系数k0 原因： 粘结层传递变形失真 还存在有横向效应
（二）横向效应
敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成