3.4 应变式电阻式传感器定

(a)同步补偿法
温度相同
受力
(b)差动补偿
R1 R2
• 差动补偿：将工作应变片贴在上表面,补偿片贴在
对应下表面,弯曲时, 工作应变片电阻值增加,补 偿片电阻值减小,两个电阻接在电桥的相邻两臂。 结果： – 电桥输出增加一倍,提高输出灵敏度, – 上下温度一致，补偿环境温度造成的误差。
5、应变式传感器的医学应用
• •
常用的金属电阻丝材料的性能
3．金属电阻应变片的结构种类
• 应变式传感器，是利用金属应变片（应变式变换元
• • •
件）内部应力与电阻之间的关系来进行测量的。 它主要用于测量力、应力和压力等。 分为压应力式和张应力式两种 在工作中，把应变片贴在产生应力变形的被测表面， 以实现对其应力和变形的测量。测量力、扭矩、压 力、加速度等物理量。
• 电阻值的相对变化率 dR 取决于三个基本因
素:
R
– 电阻丝的电阻率相对变化量(dρ/ρ)。 – 电阻丝长度的相对变化量(dL/L)。 – 电阻丝截面积的相对变化量(dA/A)。
2．灵敏系数（线材）
• 设纵向变化的相对变化量叫纵向应变 •
= dL/L 横向变化的相对变化量叫横向应变1 1 = dr/r（r为半径） 弹性材料横向应变与纵向应变之比为一个常数， 称为泊松比,故有： = - 1/
•
• 如果受拉，则L变长，截面积A（A=πr2）变小:
dr r dA 2 rdr dr = =2 = -2 2 A r r
•金属电阻的相对变化率为：
dR d dL dA R L A d (1 2 )
因应变使电阻率变化而 引起，称压阻效应
为L,则其电阻为:
L R A
•金属丝受应力作用产生形变时,A、L和ρ都随形 变而改变
• 上式取自然对数:
lnR = lnρ+ lnL- lnA
• 取全微分:
Ld dL LdA dR 2 A A A
•其相对变化量
dR d dL dA R L A
dR d dL dA R L A
3.4.2 半导体压阻传感器
• 半导体压阻传感器也称为固态压阻式传感器
(solid-state piezoresistive sensor)。原理是 基于半导体材料压阻效应,也称为半导体应变式传 感器。 半导体材料在机械应力的作用下,使得材料本身的 电阻率发生了较大的变化,这种现象叫做压阻效应。 这与金属电阻的应变效应有根本的区别。
c(1 2 )
• 得:
k0 (1 2 ) c(1 2 )
• 一般金属材料电阻丝在一定变形范围内：
– μ约0.3－0.5 – k0第一项约为1.6-2.0，第二项近似为0。 – 灵敏系数k0为常数2 第一项是应变引起,第二项因电阻率而引起，可以 忽略。 电阻变化反映应力的变化。
• 电阻率变化是因材料发生变化时，其自由电子活
动能力和数量均发生变化的缘故，也是因体积变 化而造成的，即有:
d
dV c V
式中： • c是一个常数，取决于材料成分 • V为体积：V＝AL
dV V
dA dL dL (1 2 ) A L L
• 即:
d dV c V dL c(1 2 ) L
•
金属应变片式传感器 一、金属应变效应 几个概念 （一）应力 在一受力物体截面上一点A取一微小面积△A，若此 时受力为△ F，则△ F与△ A的比值则为面积△ A上的 平均应力，当△ A→0时就为A点的应力。 其中σ为垂直截面的应力分量 τ为与截面相切的应力分量 单位：牛顿/米2（或帕斯卡）
（二）应变 物体在外力作用下，其几何形状将发生变化。围绕 物体中任一点取一微小正六面体，其边长分别为△ x 、 △ y、△ z。物体外力作用变形后，其边长和棱边夹角 都将发生变化，变形前为△ x的棱边变形后边长为△ x+ △ l，其相对形变为：εa= △ l/ △ x 其中，εa为单位长度的平均伸长和缩短，称为平均 应变。当 x→0时极限： l lim a lim 0 0 x ε称为x方向的应变。
•
• 原理：晶体在应力作用下,晶格间的载流子(空穴、
电子)的相互作用发生了变化,从能量的角度来看, 原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了 变化,这就影响了导带中载流子数目,同时又使载 流子的迁移率发生变化,因此晶体的电阻率变化， 通常称为压阻式传感器。 半导体应变片灵敏系数要比金属应变片大几十倍 至一百多倍。 半导体晶片压阻效应的方向性很强。

因形变引起，称尺寸效应
• 得金属材料灵敏系数k0
k0 dR / R

d / (1 2 )
• 灵敏系数为单位应变所引起的电阻相对变化，它受 两个因素影响：
①受力后材料几何尺寸变化所引起，即(1＋2)项； ②受力后材料电阻率变化所引起的，即(d /)/项。
金属电阻应变计
金属电阻应变计：（a）丝式应变计；（b）短接式应变计； (c) 箔式应变计
• 电子秤，采用高性能低功耗处理器和高精度电阻
应变片式传感器
4. 应变片的特性指标
(1)应变片的灵敏系数
– 灵敏系数k是指在一维应力作用下,粘贴在试件表面应
变片单位电阻变化率与试件上应变片沿灵敏轴线产生 单位变形之比,数学式为:
率响应范围大的特点,在医学测量中的应用广泛。 例如血压测量，胃内压测量等，还可以测量指尖、 挠骨、手腕等部位的脉搏波等。
（1）针型压阻式血压传感器
• 采用半导体压阻应变片作传感器，采用扩散硅膜片
工艺制成,故体积极小,把扩散硅膜片装入注射针头 内的传感器可以用来插入血管内直接测量血压,也 可测量胆道的压力。
(6)电阻应变片的温度特性 – 应变片电阻随温度变化必造成误差,称这种误差 为应变片的温度误差。
• 温度补偿的两种方法：
– 同步补偿： 把受力应变片贴在受力件上,把补偿 片贴在不受力但环境温度相同的材料上,接入电 桥线路相邻的桥臂上, 相互补偿。电桥输出只反 映应变大小,与温度无关。
工作应变片
补偿应变片
半导体压阻型脉搏传感器结构图
半导体压阻应变片 弹簧片 外壳 基座 绝缘座 导杆
敏感膜片
3.4.3电阻应变片传感器的测量电路
• 应变式电阻传感器输出的是电阻信号，为了进一 •
步处理，须把电阻再转换为可处理的电压或电流 信号。 直流电桥是把电阻传感器的微弱电阻变化转换成 电流或电压变化的变换电路。直流电桥是因为采 用直流电源作为驱动电源而得名。
(2).扩散式半导体应变片
• 将P型半导体扩散到N型硅基底上,形成一层极薄的导电P型
层线条,连接引线后形成扩散式半导体应变片,通常称压敏 电阻片。
A1
金丝 氮化硅膜 P型扩散条
B1
A2
B2
铝电极
N型硅衬底
(a)
A1
B1 (b)
A2 B2
3. 半导体压阻式传感器的医学应用
• 半导体压阻式传感器具有体积小、灵敏度高和频
针型压阻式血压传感器
半导体应变片 P型 N型
不锈钢针头
导线 固定环
绝缘片
压力敏感膜
（2）半导体压阻型脉搏传感器
• 高灵敏的换能器件。 • 传感器采用典型悬臂梁式结构。 • 其核心为上下两片半导体压阻应变片粘贴在条形
弹簧片上,弹簧片一端固定在基座上，另一端接导 杆。导杆与敏感膜片相连，组成压力传感器。敏 感膜片还可以做成凸面有利于脉搏波测量。脉搏 压力作用在敏感膜片上，经导杆和弹簧片使应变 片发生形变。导线引出每个应变片的信息，再通 过测量电路实现脉搏波测量，包括脉搏波波形和 幅度变化的测量。
3.4.3-1. 直流电桥的特性方程
• 图中：Байду номын сангаас
– R1是电桥的测量臂 (即传感器的电阻) – R2、R3、R4是另外 三个臂，由确定数 a 值的固定电阻构成。 – 直流电源E加入电 路,输出端用负载 电阻RL表示。
L R A
为电阻率（· cm）， L 为导体长度（cm）， A 为导体均匀截面积（cm2）。 改变参数中任何一个，把被测参数转化为电阻变 化 ，通过测量电阻值的变化，就能反映出被测各 参数的变化。
•
• 电阻式传感器按材料不同分为两大类:
– 金属电阻应变式传感器
用金属丝或金属箔作敏感元件制成的片状传感器。
• 高灵敏度的简支梁结构的血压传感器原理
P
应变片 h 连杆 L/2 血压 膜片 支架
应变片
b 弹簧片 弹簧片
(b) (a)
•(a) 弹簧片（简支梁）结构；(b)传感器的作用原理。
传感器高灵敏度的原因: • ①膜片有较大面积,把均匀分布于膜片上血压量通 过连杆集中起来,使简支梁式的弹簧片接收较大压 力信号。 • ②粘贴四片应变片,上下左右对称，获得最大灵敏 度。应变片集中于弹簧片中心处,具有最大的应变 量。可用于血压测量，还可用于测量颅内压和眼 压。
(1)体型半导体应变片 (2)扩散式半导体应变片
（1）体型半导体应变片
• 用P型或N型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成薄片,将
此硅条粘贴在带有引线焊接箔的底基上,焊接好后成为应变 片
底基 半导体条 引线片 半导体条
(a)
(b)
引线片
(c)
(a)普通半导体应变片; (b)补偿式半导体应变片; (c)无底基半导体应变片。
3.4 应变式电阻式传感器
• 应变式电阻传感器原理：利用导体和半导体材料的 •
•
应变效应，把非电量的压力和位移等参数转换为电 阻变化的传感器 应变式电阻传感器是测量微小机械变化量的理想传 感器。 广泛用于人体生理参数测量：呼吸的位移和力、血 压、体重，浓度、速度等。
• 基本原理是根据物理学导体的电阻方程: