2 电阻式传感器

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压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承 压膜片可以 将腐蚀性的 气体、液体 与硅膜片 隔 离开来。
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压阻式固态 压力传感器
内部结构
信号处理电 路
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小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
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2.4.1 压阻效应与压阻系数
半导体材料受到压力作用后，其电阻率会 发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体 材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金 属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。 频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、 加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻 式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。
2.4 压阻式传感器
金属电阻应变片性能稳定、精度较高，至今还 在不断地改进和发展，得到了广泛应用。这种应 变片的主要缺点是：应变灵敏系数较小。而半导 体应变片可以改善这一不足，其灵敏系数比金属 电阻应变片高50倍。
用半导体应变片制作的传感器称为压阻式传感 器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。
与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，
也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、
三角函数及其他函数，因此可满足控制系统的特殊要
求，也可满足传感、检测系统最终获得线性输出的要 求。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、 分路电阻式及电位给定式四种。
10
对称变骨架高度式非线性电位器 变骨架高度式非线性电位器
R l 1 2 R l
表示金属丝受力后引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化ε （1+2μ），材料电阻率的变化（Δρ/ρ）
令：
k0
R / R

1 2
/

金属丝的灵敏度系数k0表示单位应变能引起的电阻相对变化的 能力
24
对金属导体而言,有 =>
59
压阻效应
R (1 2 ) R
金属材料 半导体电阻率

半导体材料
l l

＝ l l E
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。
R (1 2 l E ) R
60
U U
6
阶梯特性和阶梯误差：
从理论上讲，电位器的特性曲线是位移x的连续函 数。但对线绕电位器而言，电刷的直线位移x的变化是 不连续的，所以得到的电阻变化也是不连续的，或输出 电压Uo的变化是一个阶梯形的曲线
即电刷每移动一个节距，输 出电阻或输出电压都有一个 微小的跳跃。
7
分辨率： 绕线式电位器的分辨率是指电位器所能反映 的输入量的最小变化量与全量程输入量的比值。
直流电桥平衡条件
当RL→∞时，电桥输出电压为
R1 R3 Uo E R R R R 2 3 4 1
当电桥平衡时，Uo=0，则有
R1 R3 R2 R4
33
电压灵敏度
应变片单臂工作时：电阻值变化很小，电桥相 应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以 此时仍视电桥为开路情况。 由于Δ R1<<R1，分母中Δ R1/R1可忽略:
R1 Uo E R1 KU E
结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且
电压灵敏度为单片工作时的4倍。
39
四、应变效应的应用
应变效应可以测量应变应力、弯矩、 扭矩、加速度、位移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上， 并将其接到测量转换电路，这样就构成测 量各种物理量的专用应变式传感器。敏感 元件一般为各种弹性体，传感元件就是应 变片，测量转换电路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后 将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读 取被测试件的应变量。
根据电位器的输出特性，电位器可分为线 性电位器和非线性电位器。
2
一、 线性电位器
线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿 电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷 组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式 或两者相结合的形式。
3
4
直线位移电位式传感器示意图
x Ux U L
5
电位器式角度传感器
若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得
E R1 Uo 2 R1
可知：Uo与Δ R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且 电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
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全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应
变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对
桥臂上。若Δ R1=Δ R2=Δ R3=Δ R4，且R1=R2=R3=R4，则
26
二、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变 片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜 式三种。 目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中 的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的 。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍 合金。箔式应变片与片基的接触面积大，散热 条件较好，测量时的蠕变较小，一致性较好， 适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片 进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度 系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵 27 消，从而将温度影响减小到最小的程度。
R1 ' Uo Uo R1 L R Uo 1 n 1 R1
36
减小和消除非线性误差的方法
差动电桥
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半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉 应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。 该电桥
R1 R1 R3 Uo E R R R R R R 1 2 2 3 4 1
温度变化受环境温度引起阻值的变化
恒流源
U 0 I R
63
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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
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例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0 为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为 9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量 E=21011N/m2，所受拉力F=0.2N，受拉后应变 片的阻值R 的变化量仅为2 10-5，所以必须 使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。
32
电阻应变片的测量电路
电桥电压灵敏度定义为
Uo n KU E 2 R1 (1 n ) R1
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分析：
① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供 电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的 提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选 择；
② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 n的函数， 恰当地选择桥臂比 n 的值，保证电桥具有较高的电 压灵敏度。
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
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
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导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合 金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉 粉为粘合剂，混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。
15
四、电位器式传感器应用
压力测量
位移测量
16
17
18
19
第二节
电阻应变式传感器
导体或半导体材料在外界力的 作用下，会产生机械变形，其电阻 值也将随着发生变化，这种现象称 为应变效应。 电阻应变式传感器主要由电阻 应变片及测量转换电路等组成。
第二章
电阻式传感器
本章学习电阻式传感器 的原理及应用，包括：电位 器、电阻应变片等。
器是一种常用的机电元件，广泛应用于 电气和电子设备中，当它作为一种传感元件时， 可以把机械位移转换成与之成一定函数关系的电 阻或电压输出。
电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、 容量、高度等多种物理量。
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。
.
(M1)
对半导体, 存在, 其中 π 是压阻系数, σ 是轴向应力; => E是弹性模量
(M2)
25
对于金属电阻丝 μ = 0.25～0.5 (钢 μ = 0.285) k0≈1+2μ k0≈1.5～2 金属应变片灵敏系数 k0 主要由材料的几何尺 寸引起的 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理 量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感 器测量应变的基本原理。
R l S R l S
22
R l S R l S
其中轴向应变为： l
l
径向应变为： s 2r （截面积相对变化量）
s
r
横向变形系数： （泊松系数）
r / r l / l
（径向） （轴向）
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用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：
40
应变式力传感器
F
F
F
F
41
各种悬臂梁
F
固定点
F
固定点
电缆
42
应变片在悬臂梁上的粘贴及变形