传感器培训讲义

项目一力传感器

力传感器是能将能感受外力并转换成可用输出信号的传感器。常见的力传感器是电阻应变式传感器和压阻式压力传感器。

知识链接：

一、电阻应变片

1、电阻应变效应

所谓电阻应变效应是指具有规则外形的金属导体或半导体材料在外力作用下产生应变而其电阻值也会产生相应地改变，这一物理现象称为“电阻应变效应”。

此处插入动画：元素有万用表，金属箔式应变片，表笔接金属箔两端，拉伸金属箔，万用表欧姆档数值变化。

2、应变片的分类和结构

电阻应变片按材料分为金属导体应变片和半导体应变片。二者的应变灵敏度不同。应变灵敏度是指电阻应变片在单位应变作用下所产生的电阻的相对变化量。

(1)、金属导体的应变灵敏度K：主要取决于其几何效应；可取

其灵敏度系数为：

K=

金属导体在受到应变作用时将产生电阻的变化，拉伸时电阻增大，压缩时电阻减小，且与其轴向应变成正比。金属导体的电阻应变灵敏度一般在2左右。

(2)、半导体的应变灵敏度：主要取决于其压阻效应；

dR/R<≈dρ⁄ρ

半导体材料之所以具有较大的电阻变化率，是因为它有远比金属导体显著得多的压阻效应。在半导体受力变形时会暂时改变晶体结构的对称性，因而改变了半导体的导电机理，使得它的电阻率发生变化，这种物理现象称之为半导体的压阻效应。不同材质的半导体材料在不同受力条件下产生的压阻效应不同，可以是正（使电阻增大）的或负（使电阻减小）的压阻效应。也就是说，同样是拉伸变形，不同材质的半导体将得到完全相反的电阻变化效果。

半导体材料的电阻应变效应主要体现为压阻效应，其灵敏度系数较大，一般在100到200左右。

此处插入：元素是具有温度自补偿的金属箔式应变片和半导体应变片图片。

3、应变片的粘贴

金属箔式应变片是在用苯酚、环氧树脂等绝缘材料的基板上，粘贴直径为0.025mm左右的金属丝或金属箔制成，如下图所示。

(a) 丝式应变片(b) 箔式应变片

4、单臂电桥、半桥、全桥测量转换电路

为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号，在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路。电桥电路具有结构简单、灵敏度高、测量范围宽、线性度好且易实现温度补偿等优点。能较好地满足各种应变测量要求，因此在应变测量中得到了广泛的应用。

电桥电路按其工作方式分有单臂、双臂和全桥三种，单臂工作输出信号最小、线性、稳定性较差；双臂输出是单臂的两倍，性能比单臂有所改善；全桥工作时的输出是单臂时的四倍，性能最好。因此，为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作。基本电路如下图（a）、（b）、（c）所示。

（a）单臂（b）半桥（c）全桥

应变片测量电路

（a）、单臂

Uo＝U①－U③

＝〔(R1＋△R1)／(R1＋△R1＋R5)－R7／(R7＋R6)〕E

＝｛〔（R7＋R6）（R1＋△R1）－R7（R5＋R1＋△R1）〕／〔（R5＋R1＋△R1）（R7＋R6）〕｝E 设R1＝R5＝R6＝R7，且△R1／R1＝ΔR／R＜＜1，ΔR／R＝Kε，K为灵敏度系数。

则Uo≈(1／4)(△R1／R1)E＝(1／4)(△R／R)E＝(1／4)Kε E

(b)、双臂(半桥)

同理:Uo≈(1／2)(△R／R)E＝(1／2)Kε E

(C)、全桥

同理:Uo≈(△R／R)E＝Kε E

此处插入动画：单臂电桥做成flash,U0处改成万用表，当鼠标放到“R1＋△R1”部分时，鼠标变成手形，操作员控制向两边拉，电阻明显变大，同时U0处万用表电压值变化。

二、固态压阻式压力传感器

1、压阻效应

压阻效应：在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，扰动了载流子纵向和横向的平均量，从而使半导体的电阻率发生变化的现象。

压阻效应的强弱可以用压阻系数π来表征。压阻系数π被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化。压阻效应有各向异性特征，沿不同的方向施加应力和沿不同方向通过电流，其电阻率变化会不相同。

2、压阻式传感器的结构

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。

压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的测量和控制。特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。

3、x型硅压力传感器工作原理

压组式传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。压阻式压力传感器又称为固态压力传感器，它直接通过硅膜片感受被测压力。

摩托罗拉公司设计出X形硅压力传感器如下图所示：

在单晶硅膜片表面形成4个阻值相等的电阻条。并将它们连接成惠斯通电桥，电桥电源端和输出端引出，用制造集成电路的方法封装起来，制成扩散硅压阻式压力传感器。

扩散硅压力传感器的工作原理：在X 形硅压力传感器的一个方向上加偏置电压形成电流

i ，当敏感芯片没有外加压力作用，内部电桥处于平衡状态，当有剪切力作用时，在垂直电

流方向将会产生电场变化i E ⋅∆=ρ，该电场的变化引起电位变化，则在端可得到被与电流垂直方向的两测压力引起的输出电压Uo 。

i d E d U O ⋅∆⋅=⋅=ρ 式中d 为元件两端距离。

实训项目 一、 电阻应变片测量——电子称 1、 电阻应变片——单臂电桥实验 实验内容与步骤

1．应变传感器上的各应变片已分别接到应变传感器模块左上方的R1、R2、R3、R4上，可用万用表测量判别，R1=R2=R3=R4=350Ω。

2．差动放大器调零。从主控台接入±15V 电源，检查无误后，合上主控台电源开关，将差动放大器的输入端Ui 短接并与地短接，输出端Uo 2接数显电压表（选择2V 档）。将电位器Rw3调到增益最大位置（顺时针转到底），调节电位器Rw4使电压表显示为0V 。关闭主控台电源。（Rw3、Rw4的位置确定后不能改动）

3．按图1-1连线，将应变式传感器的其中一个应变电阻（如R1）接入电桥与R5、R6、R7构成一个单臂直流电桥。

4．加托盘后电桥调零。电桥输出接到差动放大器的输入端Ui ，检查接线无误后，合上主控台电源开关，预热五分钟，调节Rw1使电压表显示为零。

5．在应变传感器托盘上放置一只砝码，读取数显表数值，依次增加砝码和读取相应的数显

6．实验结束后，关闭实验台电源，整理好实验设备。