第2章電阻應變式傳感器

1、 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章主要內(nèi)容主要內(nèi)容 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章主要內(nèi)容主要內(nèi)容 應變式電阻傳感器應變式電阻傳感器是利用是利用電阻應變片電阻應變片將將應變應變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。感器。 傳感器由在傳感器由在彈性元件彈性元件上粘貼電阻應變敏感元件構(gòu)成。上粘貼電阻應變敏感元件構(gòu)成。 當當被測物理量被測物理量作用在作用在彈性元件彈性元件上時上時, 彈性元件的變形引起彈性元件的變形引起應變敏應變敏感元件感元件的阻值變化的阻值變化, 通過通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成將其轉(zhuǎn)變成電量輸出電量輸出

2、, 電量變化電量變化的大小反映了被測物理量的大小。的大小反映了被測物理量的大小。 應變式電阻傳感器主要分為兩大類：應變式電阻傳感器主要分為兩大類：金屬應變式金屬應變式和和半導體應變式半導體應變式傳感器。金屬應變式電阻傳感器又分為傳感器。金屬應變式電阻傳感器又分為絲式絲式和和箔式箔式兩種。兩種。 應變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、應變式電阻傳感器是目前測量力、力矩、 壓力、加速度、重量壓力、加速度、重量等參數(shù)等參數(shù)應用最廣泛的傳感器應用最廣泛的傳感器。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章相關概念 內(nèi)力內(nèi)力：是系統(tǒng)內(nèi)的相互作用力。如光滑水平

3、面上：是系統(tǒng)內(nèi)的相互作用力。如光滑水平面上兩物體中間放一壓縮彈簧，釋放后彈簧對兩物體兩物體中間放一壓縮彈簧，釋放后彈簧對兩物體的作用力，是這兩物體組成的系統(tǒng)的內(nèi)力；的作用力，是這兩物體組成的系統(tǒng)的內(nèi)力；太陽太陽系系內(nèi)各星體間的相互作用力是太陽系這個系統(tǒng)中內(nèi)各星體間的相互作用力是太陽系這個系統(tǒng)中內(nèi)力。內(nèi)力。 內(nèi)力就是物體在受到外界因素作用下，如外力，內(nèi)力就是物體在受到外界因素作用下，如外力，溫度改變，使物體內(nèi)部各部分或質(zhì)點的初始狀態(tài)溫度改變，使物體內(nèi)部各部分或質(zhì)點的初始狀態(tài)發(fā)生了變化，物體內(nèi)部各相鄰部分或質(zhì)點就產(chǎn)生發(fā)生了變化，物體內(nèi)部各相鄰部分或質(zhì)點就產(chǎn)生了相互作用力，了相互作用力，以抵抗這種外

4、因的作用，并力圖以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置回復到變形前的位置，使物體從變形后的位置回復到變形前的位置，這這個力就是內(nèi)力。個力就是內(nèi)力。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 應力應力：定義為：定義為“單位面積上所承受的附加單位面積上所承受的附加內(nèi)力內(nèi)力”。公式記為。公式記為=Fj/Ai 其中，其中，表示應力；表示應力；Fj 表示在表示在j 方向的施力；方向的施力；Ai 表示在表示在i 方向的受力面積。方向的受力面積。 因為面積與力都是因為面積與力都是矢量矢量，如果受力面積與，如果受力面積與施力方向平行則稱施力方向平行則稱正應力正應力，如圖所示的，如圖所示的x 與與

5、y；如果受力面積與施力方向互相正交；如果受力面積與施力方向互相正交則稱則稱剪應力剪應力(shear stress)，如圖所示的，如圖所示的xy 與與yx。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（12 ALR ）（22 2 dAALdALdLAdR 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（32 AdAdLdLRdR 42 222）（ rdrrrdrAdA ll+ dl2r2(r-dr)F圖圖2-1 金屬絲的應變效應金屬絲的應變效應 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章金金屬屬的的徑徑向向應應變變金金屬屬的的軸軸向向應應變變令令yxrdrLdL 傳感器原理與應用傳感器原理

6、與應用第二章第二章）（或或）（72 2162 21 xxxd)(RdRd)(RdR 將式（將式（2-42-4）、（）、（2-52-5）代入（）代入（2-32-3）式得：）式得：）（令令82 21 xxSd)(RdRK 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（，或92 RdRK KRdRxSxS 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章2.1.3 2.1.3 基片基片覆蓋層覆蓋層金屬絲金屬絲引線引線 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章常用應變片的形式常用應變片的形式 傳感器原理與應用

7、傳感器原理與應用第二章第二章金屬應變片金屬應變片 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 ）（102 21 x)RR 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（112 xllE ）（122 21 xl)ERR 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（142 ERRKlxB 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具金屬應變絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系，用靈敏度系數(shù)有線性關系，用靈敏度系數(shù)K KS S表示。當金屬絲做成應表示。當金屬絲做成應變片后，其電阻變片后，其電阻應變特性與應變特性與金屬單絲金屬單絲情況不

8、同。因情況不同。因此，須用實驗方法對應變片的電阻此，須用實驗方法對應變片的電阻應變特性重新測應變特性重新測定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變定。實驗表明，金屬應變片的電阻相對變化與應變 在在很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。很寬的范圍內(nèi)均為線性關系。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章K為金屬應變片的靈敏系數(shù)。為金屬應變片的靈敏系數(shù)。 測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)測量結(jié)果表明，應變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的恒小于線材的靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)KS。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應。應。 KRR ）（或或142 RRK 傳感器原理與應用傳感器原理與應

9、用第二章第二章金屬絲式應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，金屬絲式應變片由于敏感柵的兩端為半圓弧形的橫柵，測量應變時，構(gòu)件的軸向應變測量應變時，構(gòu)件的軸向應變 使敏感柵電阻發(fā)生變化，使敏感柵電阻發(fā)生變化，而其橫向應變而其橫向應變 r r也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。也使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。 應變片的這種既受軸應變片的這種既受軸向應變影響，又受橫向應變影響，又受橫向應變影響而引起電向應變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為阻變化的現(xiàn)象稱為。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章當當r=0時，可得時，可得 RRKx ryRRK rnnlrnKKHxy 121 當當=0時，可得

10、時，可得：橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向效應系數(shù)系數(shù)H。即：。即：可見，可見，r愈小、愈小、l愈大，則愈大，則H愈小。即敏感柵越窄、基長越愈小。即敏感柵越窄、基長越長的應變片，其橫向效應引起的誤差越小。長的應變片，其橫向效應引起的誤差越小。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特應變片粘貼在被測試件上，當溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為性與卸載特性不重合，即為。機械應變機械應變 R R卸載卸載加載加載指指示示應應變變 i i 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 機

11、械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載機械滯后值還與應變片所承受的應變量有關，加載時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常時的機械應變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機在實驗之前應將試件預先加、卸載若干次，以減少因機械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。械滯后所產(chǎn)生的實驗誤差。 產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后的殘余變形，使產(chǎn)生原因：應變片在承受機械應變后的殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘貼應變片時，敏感柵受到的不適當?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化不充片時，敏感柵受到的不適當?shù)淖冃位蛘辰Y(jié)劑固化

12、不充分等。分等。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，對于粘貼好的應變片，當溫度恒定時，不承受應變時，其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的其電阻值隨時間增加而變化的特性，稱為應變片的。產(chǎn)生的原因產(chǎn)生的原因：敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)敏感柵通電后的溫度效應；應變片的內(nèi)應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。應力逐漸變化；粘結(jié)劑固化不充分等。 如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，如果在一定溫度下，使應變片承受恒定的機械應變，其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為。一般蠕變。一般蠕變的方向與原應

13、變量的方向相反。的方向與原應變量的方向相反。由于膠層之間發(fā)生由于膠層之間發(fā)生“滑動滑動”，使力傳到，使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少。敏感柵的應變量逐漸減少。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應在一定溫度下，應變片的指示應變對測試值的真實應變的相對誤變的相對誤差不超過規(guī)定范圍差不超過規(guī)定范圍（一般為（一般為10%）時的）時的最大真實應變值。最大真實應變值。真實應變是由于工真實應變是由于工作溫度變化或承受作溫度變化或承受機械載荷，在被測機械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應力時試件內(nèi)產(chǎn)生應力時所引起的表面應變。所引起的表面應變。j真實應變真實應變 g

14、g指示應變指示應變 i i100%l90% 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章0 0tlxtx設一頻率為設一頻率為 f 的正弦應變波在構(gòu)件中以速度的正弦應變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應變沿應變片柵長方向傳播，在某一瞬時片柵長方向傳播，在某一瞬時 t，應變量沿構(gòu)件分布，應變量沿構(gòu)件分布如圖所示。如圖所示。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 ）（172200 xsintsinxttx2sin0應變片中點的應變?yōu)閼兤悬c的應變?yōu)?傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章llxxdxltxxmltltsin2sin2sin1002

15、2平均應變平均應變m與中點應變與中點應變t相對誤差相對誤差 為：為：）（18211 llsintmtmt 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章可見，相對誤差可見，相對誤差的大小只決定于的大小只決定于l/的比值，下表給出的比值，下表給出了了l/為為1/10和和1/20時時的數(shù)值：的數(shù)值：可見，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，可見，應變片柵長與正弦應變波的波長之比愈小，相對誤差相對誤差愈小。愈小。若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度若已知應變波在某材料內(nèi)傳播速度v，在選定在選定l l/ / 后后，由式由式f=v/，可計算出柵長為可計算出柵長為l的應變片粘貼在某種材的應變片粘貼在某種材料上的

16、可測動態(tài)應變最高頻率。料上的可測動態(tài)應變最高頻率。誤差誤差的計算結(jié)果的計算結(jié)果 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變用作測量應變的金屬應變片，希望其阻值僅隨應變變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值變化，而不受其它因素的影響。實際上應變片的阻值受環(huán)境溫度受環(huán)境溫度( (包括被測試件的溫度包括被測試件的溫度) )影響很大。由于環(huán)境影響很大。由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變溫度變化引起的電阻變化與試件應變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，化幾乎有相同的數(shù)量級，從而產(chǎn)生很大的測量誤差，稱為應

17、變片的稱為應變片的，又稱，又稱。2.32.3溫度特性溫度特性 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素：應變片的電阻絲應變片的電阻絲( (敏感柵敏感柵) )具有一定溫度系數(shù)；具有一定溫度系數(shù)；電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 ）（192 1 tRRt 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不由于敏感柵材料和被測構(gòu)件材料兩者線膨脹系數(shù)不同，當同，當t 存在時，引起應變片的附加應變，相應的電存在時，引起應變片的附加應

18、變，相應的電阻相對變化為阻相對變化為: :K應變片靈敏系數(shù)應變片靈敏系數(shù); ; e試件試件材料線膨脹系數(shù)；材料線膨脹系數(shù)；g敏感柵敏感柵材料線膨脹系數(shù)。材料線膨脹系數(shù)。 ）（202 2 tKRRge 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章溫度變化溫度變化 t t形成的總電阻相對變化：形成的總電阻相對變化：）（212 21tKtRRRRRRgett ttKKRRgettt 相應的虛假應變?yōu)橄鄳奶摷賾優(yōu)? :可見，應變片熱輸出的大小不僅與應變計敏感柵材料可見，應變片熱輸出的大小不僅與應變計敏感柵材料的性能的性能( (t,g) )有關，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)有關，而且與被測試件材料

19、的線膨脹系數(shù)( (e) )有關。有關。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章由由( (2-21) )式知，若使應變片在溫度變化式知，若使應變片在溫度變化t時的熱輸出值時的熱輸出值為零，必須使為零，必須使0getK）（222 K egt 單絲自補償應變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用單絲自補償應變片的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的都比較方便，但它必須在具有一定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康?。試件上使用，否則不能達到溫度自補償?shù)哪康摹?傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章(Ra) t= (Rb) t焊點焊點RaRb

20、傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件測量應變時，使用兩個應變片，一片貼在被測試件的表面的表面, ,稱為工作應變片稱為工作應變片R1 。另一片貼在與被測試件材。另一片貼在與被測試件材料相同的補償塊上，稱為補償應變片料相同的補償塊上，稱為補償應變片R2。在工作過程中。在工作過程中補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償塊不承受應變，僅隨溫度發(fā)生變形。補償應變片粘貼示意圖補償應變片粘貼示意圖R1R2補償塊補償塊試件試件 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章把把R1與與R2接入電橋相鄰臂上，接入電橋相鄰臂上，當被測試件不承受應變時，當被測試

21、件不承受應變時，R1和和R2處于同一溫度場，調(diào)整電處于同一溫度場，調(diào)整電橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為橋參數(shù)，可使電橋輸出電壓為零，即：零，即： 032410 RRRRAU 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 選擇選擇R1=R2=R及及R3=R4=r。 當溫度升高或降低當溫度升高或降低t 時，若時，若R1t=R2t，即兩個應變，即兩個應變片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為：片的熱輸出相等，則電橋的輸出電壓為： 02121213224110 ttttttttRRArRrRrRrRrArRRrRRARRRRRRAU 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 若被測試件受應變作用時，工作片

22、若被測試件受應變作用時，工作片R1感受應變，阻感受應變，阻值變化值變化R1 ；補償片；補償片R2不承受應變，阻值不變。此時電不承受應變，阻值不變。此時電橋輸出電壓為橋輸出電壓為 ArRKRArRRRRRRRAUtt 132241110 由上式可知，電橋輸出電壓由上式可知，電橋輸出電壓U0只與應變只與應變有關，與溫有關，與溫度無關。度無關。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章電橋補償法要達到全補償，需滿足下列三個條件：電橋補償法要達到全補償，需滿足下列三個條件： R1和和R2須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度須屬于同一批號的，即它們的電阻溫度系數(shù)系數(shù)、線膨脹系數(shù)、線膨脹系數(shù) 、應變靈敏

23、系數(shù)、應變靈敏系數(shù)K都相同，兩片都相同，兩片的初始電阻值也要求相同；的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等；者材料必須相同，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。兩應變片處于同一溫度環(huán)境中。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進行補償。此方法簡單易行，能在較大溫度范圍內(nèi)進行補償。缺點是條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條缺點是條件不易滿足，尤其是條件。在某些測試條件下，溫度場梯度較大，件下，溫度場梯度較大，R1和和R2很難

24、處于相同溫度點。很難處于相同溫度點。 根據(jù)被測試件承受應變的情況，可以不另加專門的根據(jù)被測試件承受應變的情況，可以不另加專門的補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到補償塊，而是將補償片貼在被測試件上，這樣既能起到溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。溫度補償作用，又能提高輸出的靈敏度。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章熱敏電阻熱敏電阻Rt與應變片處在相同的溫度下，當應與應變片處在相同的溫度下，當應變片的靈敏度隨溫度升變片的靈敏度隨溫度升高而下降時，熱敏電阻高而下降時，熱敏電阻Rt的阻值下降，使電橋的阻值下降，使電橋的輸入電壓增加，從而的輸入電壓增加，從而提高了電橋的輸出電壓

25、。提高了電橋的輸出電壓。選擇分流電阻選擇分流電阻R的值，的值，可以使應變片靈敏度下可以使應變片靈敏度下降對電橋輸出的影響得到很好的補償。降對電橋輸出的影響得到很好的補償。4.4.熱敏電阻補償法熱敏電阻補償法 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（2424332110 RRRRRREU 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章ERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRREU)1)(1 ()()()(3412113411 432114143211413241433211110 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 272 U101120）（

26、RRnnEU）（282 12110nnERRUSV 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章0)1(1042 nnnSV 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（29221114111110 RRRREU）（30241110 RREU）（31241 ESV 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章（1 1）非線性誤差）非線性誤差 實際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的實際的非線性特性曲線與理想的線性特性曲線的偏差稱為偏差稱為；絕 對 非 線 性 誤 差 與 理 想 的 線 性 特 性 曲 線絕 對 非 線 性 誤 差 與 理 想 的 線 性 特 性 曲 線的比稱為的比稱為，

27、用，用r 表示。表示。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章121111121112121211341211343412111134000001111111111)1)(1 ()()1 ()()(1)(1RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRERRRRUUUUUr 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（3324332211110 RRRRRRRRREU）（34221110 RREU432121RRRRRR， 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章110

28、RREU 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（36243213241433211 ZZZZZZZZZZZZZZUUSRSC）（或，372213241 ZZZZ ZZZZ43 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（4124111 ZZUUSRSC）（4222111 ZZUUSRSC）（43211 ZZUUSRSC 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章（a） （b） （c）WR2R3R4R1W2R2R3R4R1W1WR2R1R3R4 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章

29、 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章I = I + I 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章IRRRRRRRRRIRIU4321324132110IRRRRRRIIRRRRRRI43212124321431解該方程組得解該方程組得: :輸出電壓為輸出電壓為: : 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（4424114140 RRRIIRRRRU）（4524100 URIU 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章）（46244144100 RRRRRRRRRUUrI使用恒流源的非線性誤差為：使用恒流源的非線性誤差為： RRRRRRRRrE22112112111若采

30、用恒壓源，非線性誤差為：若采用恒壓源，非線性誤差為： 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章2.5 2.5 固態(tài)壓阻式傳感器固態(tài)壓阻式傳感器 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章xllE由（由（2-112-11）式）式）（472 E/xl壓阻系數(shù)為壓阻系數(shù)為: : 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章影響壓阻系數(shù)因素：擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。影響壓阻系數(shù)因素：擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。擴散雜質(zhì)擴散雜質(zhì)濃度濃度N NS S增加時，增加時，壓阻系數(shù)就會減壓阻系數(shù)就會減小。壓阻系數(shù)與小。壓阻系數(shù)與擴散電阻表面雜擴散電阻表面雜質(zhì)濃度質(zhì)濃度NS的關系的關系如圖。如圖。2.

31、 2. 影響壓阻系數(shù)的因素影響壓阻系數(shù)的因素 120140100806040201018101910201021表面雜質(zhì)濃度表面雜質(zhì)濃度N NS S (cm (cm-3-3) )P型Si(l)N型Si(-l) l(10-11m2/N)T=24壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度壓阻系數(shù)與表面雜質(zhì)濃度N NS S的關系的關系 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章1N-Si1N-Si膜片膜片 2P-Si2P-Si導電層導電層 33粘貼劑粘貼劑 44硅底座硅底座 55引壓管引壓管 6Si 6Si 保護膜保護膜 77引線引線 2.5.3 2.5.3 固態(tài)壓阻器件固態(tài)壓阻器件 利用固體擴散技術，將利用固體擴散

32、技術，將P型雜質(zhì)擴散到一片型雜質(zhì)擴散到一片N N型硅型硅底層上，形成一層極薄的導電底層上，形成一層極薄的導電P型層，再裝上引線接點。型層，再裝上引線接點。若在圓形硅膜片上擴散出四個若在圓形硅膜片上擴散出四個P型電阻，構(gòu)成惠斯登電型電阻，構(gòu)成惠斯登電橋的四個臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。橋的四個臂，這樣的敏感器件通常稱為固態(tài)壓阻器件。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章(a)(a)實心圓柱實心圓柱(b)(b)空心圓柱空心圓柱 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章ESFll楊氏模量楊氏模量面積面積）（482 ESF）（492 ESFkkRRESkkZ）（502 FkRR

33、z 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章R6R7R8R2R3R4R5R1UIR1R3R5R7R6R8R2R4 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章例例2-2 2-2 梁式力傳感器梁式力傳感器 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章(1) (1) 等強度梁等強度梁一端固定，一端自由，厚度一端固定，一端自由，厚度為為h, ,長度長度l，固定端寬度，固定端寬度為為b0,力力F 作用在三角形頂點。其作用在三角形頂點。其表面應變?yōu)楸砻鎽優(yōu)?：）（512620 EhbFlE4 4只應變片只應變片此位置上下兩側(cè)分別粘有此位置上下兩側(cè)分別粘有4 4只應只應變片，變片，R1、R4同側(cè)；同

34、側(cè)；R3 、R2同同側(cè)，這兩側(cè)的應變方向剛好相側(cè)，這兩側(cè)的應變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差反，且大小相等，可構(gòu)成全差動電橋。動電橋。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章RRlKEhbFEhbFlKKRRSSS662020EURR0由于是全差動電橋，應有：由于是全差動電橋，應有：EUlKhEbFS0206所以：所以：供橋電壓供橋電壓輸出電壓輸出電壓 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章(2) (2) 等截面梁等截面梁4 4只應變片只應變片）（522242 EbhFl一端固定，一端自由，厚度一端固定，一端自由，厚度為為h, ,寬度寬度為為b, ,懸臂外端到應懸臂外端到應變

35、片中心的距離變片中心的距離l。其應。其應變?yōu)樽優(yōu)?： 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章4 4只應變片只應變片(3) (3) 固定梁固定梁）（53232 EbhFl 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例特點是靈敏度比較高。所以多用于較小力的測量。例如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當力如，民用電子稱中就多采用懸臂梁。當力F（例如蘋（例如蘋果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質(zhì)懸臂梁果的重力）以垂直方向作用于電子秤中的鋁質(zhì)懸臂梁的末端時，梁的

36、上表面產(chǎn)生拉應變，下表面產(chǎn)生壓應的末端時，梁的上表面產(chǎn)生拉應變，下表面產(chǎn)生壓應變，上下表面的應變大小相等符號相反。粘貼在上下變，上下表面的應變大小相等符號相反。粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電表面的應變片也隨之拉伸和縮短。得到正負相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章R4R3R2R1F 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章 EbhadFKUU KRRUU）（552232）（542232 EbhadF 傳感器原理與應用傳感器原理與應用第二章第二章薄壁筒上貼有兩片工作應變片，實薄壁筒上貼有兩片工作應變片，實心部分貼有兩片溫度