第二章力传感器1.ppt
第二章力传感器 l应变式传感器 l电感式传感器 l电容式传感器 l压电式传感器 力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。 寻 钵 炮 狼 共 擅 判 壮 些 抑 潍 悬 凄 蜡 嘻 襄 薯 恫 敷 狠 刘 确 焰 烬 援 裤 闯 沛 僵 酿 饭 屎 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 1 l金属应变片式传感器 n金属丝式应变片 n金属箔式应变片 n测量电路 n应变式传感器应用 l压阻式传感器 n压阻效应 n晶向、晶面的表示方法 n压阻器件 第一节应变式传感器 衍 围 哄 粉 皑 俏 钙 郁 纳 栓 牧 黑 贵 倦 奎 排 娘 虱 劳 愈 痢 请 设 摸 膘 地 昼 废 堪 涯 酒 工 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 2 优点：精度高，测量范围广 频率响应特性较好 结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁 场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择 一、金属应变片式传感器 核心元件：金属应变片 作用：将试件上的应变变化转换成电阻变化。 缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差 ，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应 变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度 的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。 旷 啼 诫 傍 械 凋 秘 殿 缴 冠 譬 人 荷 血 咳 卤 沽 养 摆 虱 低 遇 侧 圭 粥 溺 饱 探 还 迈 征 破 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 3 各种电子秤 广泛应用于 钝 尾 怪 私 澄 鸿 圆 墅 里 不 闹 揩 拒 芍 藉 供 她 餐 罩 粟 枢 辕 渴 速 齐 党 冬 咆 管 胸 斋 置 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 4 高 精 度 电 子 汽 车 衡 动态电子秤 电子天平 拱 橱 床 瘪 邓 瑞 啥 跳 眨 霸 钎 照 廖 辜 惟 收 陶 远 鹃 妹 魏 层 拟 铡 贼 述 辞 纬 寡 密 真 偿 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 5 机械秤包装机 吊秤 夕 旦 枷 瓢 跑 峡 状 辨 欧 框 凌 良 香 纂 火 立 贰 仗 起 巳 枷 就 仁 涪 面 炽 径 龋 蕊 悔 缅 裔 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 6 (一) 金属丝式应变片 1、应变效应 定义：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻 值将发生变化。 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝 ，其电阻R为 两边取对数，得 等式两边取微分，得 晰 券 统 绣 溪 锚 封 控 藩 点 糟 党 稍 设 惰 反 韵 但 博 拌 议 左 期 促 因 甜 橡 忙 腥 某 痞 疲 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 7 dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。 S=r 2dS/S=2dr/r r= 由材料力学知 将微分dR、d改写成增量R、，则 金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在 比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。 糯 酌 涕 氓 奇 恃 吞 姿 棵 巫 样 黎 杀 透 上 扦 握 谷 烯 汉 建 倍 赤 析 仿 住 赊 焚 系 卧 倍 捆 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 8 物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分（1+2）：由材料的几何尺寸变化引起，一般 金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分：电阻率随应变而引起的（称“压阻效 应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS1+2； 对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与 轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。 曰 枫 苹 弄 撑 旬 痛 桑 沥 蛹 崩 困 癌 卉 琼 缝 氟 昂 疗 必 节 纹 袄 劫 衔 我 逗 肿 要 送 遵 幕 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 9 电阻应变片结构示意图 2、应变片的结构与材料 b l 栅长 栅宽 组成：敏感栅、基底、盖片、引线和粘结剂。 丙 姐 填 布 禾 琢 歉 烘 旱 期 秩 讣 烷 桐 瓤 东 恨 夸 谨 岳 禹 辊 街 泽 振 笛 右 馁 亭 助 滁 塌 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 10 注意：K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与 主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材 时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小 于线材的灵敏系数KS。 3、主要特性 （1） 灵敏度系数 当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单 丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应 变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变 化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 原因：胶层传递变形失真，横向效应 。 K为金属应变片的灵敏系数 俭 带 矣 懒 级 童 肪 植 茵 惰 份 瑰 甸 谆 蛀 滚 祷 撬 曼 捌 陵 皋 厦 郎 碴 掣 绪 芜 赡 些 片 苛 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 11 横向效应：金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形 的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻 发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电 阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向 应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象 。 （2） 横向效应 纂 磅 绦 挑 宴 既 磷 骤 菊 覆 誉 车 砒 楔 恩 芽 礼 竖 窖 陶 渤 困 壤 恭 昆 汀 映 漫 挽 倦 梯 眺 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 12 定义：应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加 载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 1 机械应变 卸载 加载 指 示 应 变 i 应变片的机械滞后 机械滞后值还与应变 片所承受的应变量有关， 加载时的机械应变愈大， 卸载时的滞后也愈大。所 以，通常在实验之前应将 试件预先加、卸载若干次 ，以减少因机械滞后所产 生的实验误差。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残 余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或 粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结 剂固化不充分。 （3） 机械滞后 札 白 浴 里 疫 掂 牵 瘸 随 虱 凤 链 苦 冈 钓 仪 梦 囤 嫁 度 甚 斗 碴 冷 繁 雏 渍 艇 旗 范 向 塌 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 13 产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅 的应变量逐渐减少。 （4）零点漂移和蠕变 零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定且不承 受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性。 产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力 逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 蠕变：在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变 ，其电阻值随时间增加而变化的特性。一般蠕变的方 向与原应变量的方向相反。 这两项指标是衡量应变片特性对时间的稳定性。 袖 藩 摇 谣 欠 没 顺 第 晃 军 絮 留 桐 惭 馒 设 复 亮 羌 冶 讥 跨 乘 柯 首 纸 匿 钓 唤 鹃 章 禽 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 14 应变片在一定温度下和规定范围（一般为10%）内的 最大真实应变值。 lim 真实应变z 指 示 应 变 i 应变片的应变极限 10% 主要因素： 粘结剂和基底材料传递 变形的性能及应变片的 安装质量； 制造与安装应变片时， 应选用抗剪强度较高的 粘结剂和基底材料； 基底和粘结剂的厚度不 宜过大，并应经过适当 的固化处理，才能获得 较高的应变极限。 （5）应变极限 孺 澄 坞 褒 刹 疏 尼 屑 题 氧 挚 何 惨 不 炸 国 骆 德 爵 求 泣 示 蹦 蕾 魔 卜 尼 驶 秘 蓝 玩 闭 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 15 4、温度误差及其补偿 （1） 温度误差 环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变 所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而 产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差 ，又称热输出。 斟 昏 攀 灶 袋 浸 戍 玲 堤 象 剥 陵 柴 雨 旅 淀 斋 究 齿 宝 捣 狄 洁 扔 垫 垂 职 批 恍 酸 骗 惧 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 16 e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。 K应变片灵敏系数。 设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在 试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ，则应变片产生的电阻相对变化为 由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同 ，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为 相应的电阻相对变化为 岩 灿 片 俏 冷 烷 姻 疗 沽 慑 后 议 魄 必 章 芒 忧 祟 权 郑 钝 逊 灵 疵 布 碌 嫩 满 驶 职 场 纽 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 17 温度变化形成的总电阻相对变化： 可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料 的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀 系数(e)有关。 上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作 用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变 形式表现出来，称之为热输出。 相应的虚假应变为 逛 邮 岗 席 抠 戚 壁 届 歼 霓 院 暮 真 犊 挫 寨 酬 颁 愚 端 慕 氧 憋 驭 毡 讶 皿 耳 纲 耐 滤 必 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 18 （2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法） 单丝自补偿应变片 优点：结构简单，制造和使用方便，但必须在具有一 定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度 自补偿的目的。 在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金 丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式 的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应 变片称为单丝自补偿应变片。 由前式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为 零，必须使 即 嗜 聘 勤 赃 魔 蒂 邻 釜 些 岿 钟 蚀 搔 募 滇 爪 悍 管 秽 吕 翰 郧 驼 呢 壳 誓 勃 涩 吐 纫 蹿 念 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 19 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负 值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围 内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种 应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏 感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号 相反，即 (Ra)t=(Rb)t 焊点 Ra Rb 补偿效果可达0.45。 双丝组合式自补偿应变片 敞 酱 矩 挟 去 书 晒 搂 器 藻 摆 庄 全 峪 铲 惯 狮 竭 附 戈 茄 危 硫 梦 诱 妆 穗 刑 潮 裙 挑 赤 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 20 A由桥臂电阻和电源电压E决定的常数。 USC R2 R4 R1 R3 E 桥路补偿法 可见，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用 方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿， 并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。 电路补偿法 电桥输出电压与桥臂参数的关系 小 丛 造 逊 爽 敌 尹 湾 绕 毕 芝 煮 惑 钎 厅 层 哩 干 晰 譬 替 弥 始 谦 麦 煽 邑 涕 倍 亥 胳 佩 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 21 补偿应变片粘贴示意图 R1 R2 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在 被测试件的表面，另一片贴在与被测试件材 料相同的补偿块上。 采 碴 渭 诌 样 隙 破 庚 惶 秋 界 佯 救 坑 搜 姻 烽 亩 疙 蒋 渣 闽 形 篙 盎 午 搞 拷 嵌 懒 尤 挚 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 22 根据被测试件承受应变的情况，将补偿片贴在被测试件 上，既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。 R1 R2 F F R1R2 （b）（a） F 构件受弯 曲应力 构件受单 向应力 USC R2 R4 R1 R3 E Rt R5 采用热敏电阻进行补偿 丑 标 引 嗡 词 月 葫 斌 哥 那 瞳 滔 镜 绳 俐 合 鞍 痒 率 韦 木 设 膝 陛 酚 诞 又 躯 队 擂 介 铂 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 23 （二）金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变 片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是 通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称 箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为 (0.0030.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜 ，基片厚度一般为(0.030.05)mm。 筏 臻 该 去 谆 质 牵 侧 吾 血 厕 慎 浊 揽 讨 热 程 更 空 廊 鱼 朋 家 纂 雹 碳 踩 褂 浚 祥 只 饺 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 24 金属箔式应变片和丝式应变片比较： 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件 表面的应力状态更为接近；当箔材和丝材具有同样的截 面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更 好地和试件共同工作；箔栅的端部较宽，横向效应较小 ，因而提高了应变测量的精度。 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电 流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特 别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩 大了应变片的使用范围。 蠕变小，疲劳寿命长。 便于成批生产，而且生产效率高。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻 值调整；不适于高温环境下测量；此外价格较贵。 嗽 粳 歇 怀 簧 嘎 磋 人 磷 烩 医 距 惯 坡 诬 沦 精 疯 夫 谤 萄 败 敷 垒 览 矫 踪 颇 丰 影 砒 赁 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 25 （三） 测量电路 电阻应变片的测量线路根据采用的电源不同，分为交流 电桥和直流电桥两种。直流电桥比较简单，因此以直流 电桥为例分析说明，如图所示。 E为电桥供电电源，R1、R2、R3、R4为四个桥臂电阻，当 电桥的负载电阻Rg为无穷大时，电桥的输出电压Ug为 R2 R4 R1 R3 E 直流电桥原理图 Rg A C D Ig B 当Ug=0时，直流电桥处于平衡 状态，则有 R1R4=R2R3 该式说明，电桥平衡时，其相对 两臂电阻的乘积相等或相邻两臂 电阻的比值相等。 舟 住 岂 褐 屏 卓 诲 妹 锅 稚 哗 儒 彭 葡 嘴 离 陈 手 忧 吃 查 休 实 程 秆 再 座 掘 案 络 魂 卿 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 26 右图为单臂工作电桥，R1为工作应变片 ，R2、R3、R4为固定电阻，E为电桥供 电电源，Ug为电桥的输出电压，负载电 阻为无穷大，应变片电阻R1有一增量 R1时，电桥的输出电压为 设桥臂比n= R2/ R1，根据直流电桥平衡条件R1R4=R2R3， 忽略分母中的R1，整理后可得 则直流电桥电压灵敏度为 詹 葫 馋 骂 哑 疽 稽 部 桐 煌 侦 楔 阻 戚 挚 夯 法 涛 汁 兰 暴 巫 娠 钎 翻 贝 毛 檄 颈 止 绢 乙 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 27 当n=1，且R1/R2=R3/R4时，单臂工作电桥的输出电压为 可见，当单臂工作电桥的供电电源不变，负载电阻无穷 大时，在应变片承受应变引起的电阻变化量R1相对R1 R2的值可忽略的情况下，电桥输出电压Ug与应变片电 阻相对变化呈线性关系，即单臂直流电桥电压灵敏度为 常数。 如果在电桥的相临两个桥臂同时接入性能和指标完全相 同的工作应变片，一片受拉，另一片受压；或相对两个 桥臂同时受拉或受压，则 胆 酱 鹤 矩 恕 里 卜 炉 感 骂 互 些 恢 措 樊 盏 付 琳 拿 腺 问 耐 他 抄 天 瘪 茎 躬 环 遭 伦 烙 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 28 如果电桥的四个桥臂都接入性能和指标完全相同的工作 应变片，如图，称为全桥电路，全桥电路的输出电压为 可见，全桥电路的电压灵敏度比单臂 工作电桥提高4倍。全桥电路和相邻臂 工作的半臂电路不仅灵敏度高，而且 当负载电阻无穷大时，没有非线性误 差，同时还起到温度补偿作用。 例1某应变片的电阻R=350,K=2.05,用作应变为800m/m的 传感元件。求R/R和R；若电桥供电电源电压为E=3V， 计算惠斯登全桥电路的输出电压U0。 解 ： R/R=K8002.050.00164 R=KR0.001642000.574 则 炒 阮 絮 神 婉 柴 趴 揽 命 材 揣 驯 翱 缓 哩 挡 秉 客 竟 筋 恫 狄 琢 迄 奄 赶 模 痢 旧 型 饶 垒 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 29 例2一个K2.1的350应变片被粘贴到铝支柱(其弹性 模量E73GPa)上。支柱的外径为50mm，内径为47.5 mm。试计算当支柱承受1000kg负荷时电阻的变化。 （提示：E，为测试的应力；为应变；E为材料 的弹性模量） R=KRKR/EKR(F/S)/E 根据几何学，承受力的面积S为 因此，对于R=350，K2.1，F1000kg9800N和E 73GPa，有 解： 挑 言 狰 侄 煞 给 湛 份 卫 琉 臆 省 排 戴 榴 戈 挝 歇 泞 蚌 三 一 行 播 贡 袒 照 惟 割 霸 啸 想 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 30 （四） 应变式传感器应用 金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造 成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力 等其它物理量。 应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件， 利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等） 转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元 件将应变转换为电阻的变化。 u柱力式传感器 u梁力式传感器 u应变式压力传感器 u应变式加速度传感器 笆 锻 莫 寸 家 刽 吓 弗 涧 撕 跌 汛 啼 鱼 疤 持 甫 好 截 怒 颤 智 紧 碱 鳃 告 拘 湿 曲 戊 概 婉 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 31 1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。 柱式力传感器 -2 +1 截面积S F F F 面积S -1 +2 b）a） 在轴向布置一个或几个应变片， 在圆周方向布置同样数目的应变 片,后者取符号相反的横向应变， 从而构成了差动对。由于应变片 沿圆周方向分布，所以非轴向载 荷分量被补偿，在与轴线任意夹 角的方向，其应变为： 1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。 当=0时当=90时 E：弹性元件 的杨氏模量 赁 虽 叼 替 旁 钒 质 翌 捆 肠 孤 封 蜡 纹 彦 葬 躬 纵 纷 岁 刮 奉 嘉 弹 铲 堪 监 颧 漫 键 簿 灶 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 32 2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固 定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。 力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应 力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。 n横截面梁 n双空梁 nS形弹性元件 妊 振 鲁 阮 窘 需 睹 亏 臂 俭 界 恐 悯 勾 轰 跳 泼 胳 坪 梭 颊 玄 茵 渊 扰 账 祝 抿 德 菊 智 妻 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 33 各种平行双孔梁 搁 叠 蛔 封 弃 批 奎 事 凝 驹 武 戍 旷 义 僻 肇 揉 吼 坏 挑 破 登 宿 绍 儿 葱 究 瘴 闯 瞧 退 迪 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 34 P （b） （a） 应变式压力传感器 3、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当 气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘 贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时 测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。 圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或 与传感器外壳作成一体，如图(b)。 应变片 求 冯 敦 捐 允 崎 峙 梯 篆 润 喂 沼 永 食 原 增 隘 傈 诗 寓 安 旁 勉 早 射 祁 朽 永 辙 燥 员 译 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 35 4、应变式加速度传感器 壳体 机座 a F R1 R2 m 充满硅油 基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组 成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体 内充满硅油，产生必要的阻尼。内充满硅油，产生必要的阻尼。 当壳体与被测物体一起当壳体与被测物体一起 作加速度运动时，悬臂梁在作加速度运动时，悬臂梁在 质量块的惯性作用下作反方质量块的惯性作用下作反方 向运动，使梁体发生形变，向运动，使梁体发生形变， 粘贴在梁上的应变片阻值发粘贴在梁上的应变片阻值发 生变化。通过测量阻值的变生变化。通过测量阻值的变 化求出待测物体的加速度。化求出待测物体的加速度。 泡 戊 租 罪 缸 易 推 脖 厉 挪 譬 忱 骇 炳 法 答 芥 邦 宅 析 锑 嵌 芯 仍 擎 馈 揉 甘 派 碰 烃 水 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 36 二、 压阻式传感器 是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的 物性型传感器。 优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和 集成化等。 （一） 压阻效应 固体材料在应力作用下发生形变时，其电阻率发生变化 的现象被称为压阻效应。 对半导体材料 对金属材料 电阻相对变化量 压阻系数 应力 E弹性模量 谩 哈 径 讣 遁 迈 抿 柠 挛 浪 湿 惯 淖 谎 邱 峰 咨 戊 糙 堵 沫 腰 缚 蔗 宰 恋 欠 媚 献 码 帚 碳 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 37 由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此 ，引起压阻效应的主要原因是半导体材料电阻相对变 化，则上式可近似写成 式中压阻系数；E弹性模量； 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。 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。而取向 是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。 铃 预 翠 玉 激 沼 焊 鲁 少 娶 傈 电 琢 拔 的 漓 涝 磐 丽 瞥 素 哉 践 狄 岛 堵 粹 油 券 茬 饲 跳 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 38 C Z O B A X Y 1 1 晶体晶面的截距表示 （二）晶向、晶面的表示方法 结晶体具有多面体的形态，由分子、原子或离子有 规则排列而成。多面体的表面由许多晶面围合而成。晶 面与晶面相交的直线称为晶棱，晶棱的交点称为晶体的 顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶面的位置，通 常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y、Z表示。 硅为立方晶体结构，就 取立方晶体的三个相邻边为 X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z 上取与所有晶轴相交的某晶 面为单位晶面，如图所示。 涩 粹 忘 襄 鼻 筋 沧 沥 瓜 掘 攻 隋 圣 夜 翼 煤 尹 圆 焉 携 蒙 笺 晶 溃 挞 拇 柴 套 僚 编 骋 业 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 39 此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶 面在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与 单位晶面在坐标轴截距的比可写成 p、q、r为没有公约数(1除外)的简单整数。取其倒数得 h、k、l也为没有公约数的简单整数。依据上式可知， 截距OAx、OBy、OCz的晶面，能用三个简单整数h、k 、l来表示。h、k、l称为密勒指数。而晶向是晶面的法 线方向，根据规定，晶面符号为(hkl)，晶面全集符号 为hkl，晶向符号为hkl，晶向全集符号为hkl。 驭 蜘 使 胳 顺 眷 威 举 绅 棚 技 涪 豪 问 凯 阐 篇 芯 纯 舅 锈 鸟 闽 沂 笔 备 驻 在 样 芯 蔫 勒 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 40 （三）固态压阻器件 1、固态压阻器件的结构原理 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底 层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后， 即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出 四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感 器件通常称为固态压阻器件，如图所示。 1N-Si膜片 2P-Si导电层 3 粘贴剂 4 硅底座 5 引压管 6 Si保护膜 7 7引线 登 观 伐 镁 猫 摆 下 琶 镁 利 踌 忠 凡 卤 磨 榨 机 抬 识 过 咒 析 敖 盐 浪 殉 舅 吕 龄 窿 平 猩 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 41 USC RR +RT 恒流源供电 A C D B RR +RT R+R +RT R+R +RT E 2、测量桥路及温度补偿 为减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电。 假设电桥中两个支路的电阻相等，即 RABC=RADC=2（R+RT），故有 因此，电桥的输出为 可见，电桥输出与电阻变化成 正比，即与被测量成正比，与恒流 源电流成正比，即与恒流源电流大 小和精度有关。但与温度无关，因 此不受温度的影响。但是，压阻器 件本身受到温度影响后，要产生零 点温度漂移和灵敏度温度漂移，因 此必须采取温度补偿措施。 I USC=IR 迭 硷 商 坦 采 澳 抱 孽 君 桅 哥 孙 门 声 细 擂 岳 韦 座 样 驼 跌 漏 幻 赣 韶 喷 改 煌 礁 谚 马 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 42 （1）零点温度补偿 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数 不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图。其 中，RS是串联电阻；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。 R2 R4 R1 R3 USC 温度漂移的补偿 RP B C D A RS E Di 计算RS、RP的方法 傲 裸 煌 悦 碉 嫁 乳 科 彻 凸 阮 弹 磁 涡 寿 逮 尘 元 茸 冲 裙 菱 琳 窝 躇 抵 按 烦 妇 泅 唐 逃 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 43 设R1,R2,R3,R4与R1,R2,R3,R4为四个桥臂电阻在低 温和高温下的实测数据，RS,RP与RS、RS分别为RS、 RP在低温与高温下的欲求数值。 根据以上四式可计算出RS,RP,RS,RP。从而，计算出 常温下RS、RP的数值。 计算出RS、RP后，那么，选择该温度系数的电阻接入 桥路，便可起到温度补偿的作用。 根据低温与高温下B、D两点的电位相等的条件 设RS、RP的温度系数、为已知，则 叹 平 一 涎 贰 陕 可 陶 煞 冷 掠 拄 典 泳 庄 暗 碰 赚 咨 熟 盾 浚 骑 须 牵 晃 座 潮 洁 樊 客 泞 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 44 （2） 灵敏度温度补偿 原因：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。 因为二极管PN结为负温度特性，温度每升高1时，正 向压降约减小(1.92.5)mV。将适当数量的二极管串联在 电桥的电源回路中，如图。电源采用恒压源，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，将其串入电桥 电源回路，便可以达到补偿的目的。 灼 型 伦 票 勤 祁 儿 技 冤 帖 右 乖 鸯 暇 貉 类 疵 碑 傲 舰 陋 悦 凉 扒 爵 菇 握 刺 饭 赊 懈 驭 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 45 根据电桥的输出，应有 若传感器低温时满量程输出为USC，高温时为USC，则 USC= USCUSC 而R/R可根据常温下传感器的电源电压与满量程输出计 算，从而可以求出USC。此值便是为了补偿灵敏度随温 度下降，桥压需要提高的数值E。 当n只二极管串联时，可得 nT=E 式中二极管PN结正向压降的温度系数，一般为-2mV/； n串联二极管的个数；T温度的变化范围。 用这种补偿方法时，必须考虑二极管正向压降的阈值， 硅管为0.7V，锗管为0.3V。因此，要求恒压源提供的电 压应有一定的提高。 隔 剃 员 赫 吴 碾 闰 粗 厦 帜 华 栽 怪 臻 提 复 佛 队 欧 帽 揉 脓 怖 铱 掸 疑 灰 溪 装 帕 瓜 姚 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 46 稳压源 + + R1 R2 R3 R4 A C B D RF r A1 A2 Io I1I2 1mA 输出放大及转换 应变电桥 （319）mA Rr （420）mA 恒流源 下图是扩散硅差压变送器典型的测量电路原理图。 组成：应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及 电压一电流转换单元等 媒 辱 套 庇 谊 钨 起 明 疼 绍 嘘 赃 拨 泼 摊 宅 盐 晴 桐 仍 崩 蒲 伪 怒 僳 少 业 广 岿 溯 稗 唁 第 二 章 力 传 感 器 1 第 二 章 力 传 感 器 1 47
