第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

第四節(jié)電測(cè)法測(cè)壓原理和霍爾式壓力傳感器

應(yīng)用電測(cè)法測(cè)量壓力的方法是通過(guò)轉(zhuǎn)換元件直接把被測(cè)壓力變換為電信號(hào)，它可以利用某些機(jī)械和電氣元件實(shí)現(xiàn)這一變換。

霍爾式壓力傳感器是以“”為基礎(chǔ)的電氣式壓力表。它主要由彈性元件和霍爾元件構(gòu)成。這類儀表有較高的靈敏度，并能遠(yuǎn)傳指示。但因霍爾元件受溫度影響較大，其本身的穩(wěn)定性又受工作電流的影響，所以精度不太高。一、霍爾效應(yīng)與霍爾元件

根據(jù)物理學(xué)原理，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電粒子必然要受到力的作用。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器設(shè)有一個(gè)N型(硅)半導(dǎo)體薄片，在Z軸方向施加一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，在其y軸方向通入電流I，此時(shí)N型(硅)半導(dǎo)體薄片內(nèi)有帶電粒子沿y軸方向運(yùn)動(dòng)，如圖所示。于是帶電粒子將受到洛侖茲力F的作用而偏離其運(yùn)動(dòng)軌跡，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡朝X軸負(fù)方向偏轉(zhuǎn),如圖虛線所示。造成霍爾片左端面產(chǎn)生電子過(guò)剩呈負(fù)電位，而右端面則相應(yīng)地顯示出正電位。因而在霍爾片的x軸方向形成了電場(chǎng)，該電場(chǎng)力與洛侖茲力方向相反,隨著電子積累越多，電場(chǎng)力也越大，電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)X方向的電位差就稱為“霍爾電勢(shì)”VH。這一物理現(xiàn)象稱為“霍爾效應(yīng)”。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的薄片就稱為霍爾元件或霍爾片?；魻栯妱?shì)VH的大小與霍爾片的材料、幾何尺寸、所通過(guò)的電流(稱控制電流)、磁感應(yīng)強(qiáng)度B等因素有關(guān)，可用下式表示

VH=RHIBf(l/b)/d=KHIB

式中RH—霍爾系數(shù);

d—霍爾片厚度;

b—霍爾片的電流通入端寬度;l—霍爾片的電勢(shì)導(dǎo)出端寬度;f(l/b)—霍爾片的形狀系數(shù);

KH—霍爾片的靈敏度系數(shù)，KH=RHf(l/b)/d，mV/(mA·T)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器由上式可知，霍爾電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、控制電流I成正比。根據(jù)霍爾電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B、控制電流I的乘積成正比的特性，霍爾傳感器得到廣泛的應(yīng)用。制作霍爾片的材料有鍺(Ge)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)等半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體。與半導(dǎo)體相比，金屬的霍爾效應(yīng)很微弱，一般較少采用。二、霍爾式壓力傳感器

1工作原理

在使用的霍爾式壓力傳感器中，均采用恒定電流I，而使B的大小隨被測(cè)壓力p變化達(dá)到轉(zhuǎn)換目的。

(1)壓力-霍爾片位移轉(zhuǎn)換

將霍爾片固定在彈簧管自由端。當(dāng)被測(cè)壓力作用于彈簧管時(shí)，把壓力轉(zhuǎn)換成霍爾片線性位移。

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(2)非均勻線性磁場(chǎng)的產(chǎn)生

為了達(dá)到不同的霍爾片位移，施加在霍爾片的磁感應(yīng)強(qiáng)度B不同，又保證霍爾片位移-磁感應(yīng)強(qiáng)度B線性轉(zhuǎn)換，就需要一個(gè)非均勻線性磁場(chǎng)。非均勻線性磁場(chǎng)是靠極靴的特殊幾何形狀形成的，如右圖所示。(3)霍爾片位移-霍爾電勢(shì)轉(zhuǎn)換

由圖可知，當(dāng)霍爾片處于兩對(duì)極靴間的中央平衡位置時(shí)，由于霍爾片左右兩半所通過(guò)的磁通方向相反、大小相等，互相對(duì)稱，故在霍爾片左右兩半部分上產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)也大小相等、極性相反，因此，從整塊霍爾片兩端導(dǎo)出的總電勢(shì)為零。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器當(dāng)有壓力作用，則霍爾片偏離極靴間的中央平衡位置，霍爾片兩半部分所產(chǎn)生的兩個(gè)極性相反的電勢(shì)大小不相等，從整塊霍爾片導(dǎo)出的總電勢(shì)不為零。壓力越大，輸出電勢(shì)越大。沿霍爾片偏離方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布呈線性狀態(tài)，故霍爾片兩端引出的電勢(shì)與霍爾片的位移成線性關(guān)系。即實(shí)現(xiàn)了霍爾片位移和霍爾電勢(shì)的線性轉(zhuǎn)換。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

2霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的霍爾式壓力傳感器有YSH-l型和YSH-3型兩種。右圖所示為YSH-3型壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。被測(cè)壓力由彈簧管1的固定端引入，彈簧管自由端與霍爾片3相連接，在霍爾片的上下垂直安放著兩對(duì)磁極，使霍爾片處于兩對(duì)磁極所形成的非均勻線性磁場(chǎng)中，霍爾片的四個(gè)端面引出四根導(dǎo)線，其中與磁鋼2相平行的兩根導(dǎo)線與直流穩(wěn)壓電源相連接，另兩根用來(lái)輸出信號(hào)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力引入后，彈簧管自由端產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)霍爾片移動(dòng)，改變了施加在霍爾片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度，依據(jù)霍爾效應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)換成霍爾電勢(shì)的變化，達(dá)到了壓力—位移—霍爾電勢(shì)的轉(zhuǎn)換。為了使VH與B成單值函數(shù)關(guān)系，電流不必須保持恒定。為此，霍爾式壓力傳感器一般采用兩級(jí)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源供電，以保證控制電流I的恒定。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器3霍爾式壓力傳感器的使用傳感器應(yīng)垂直安裝在機(jī)械振動(dòng)盡可能小的場(chǎng)所，且傾斜度要小。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)易結(jié)晶或粘度較大時(shí)，應(yīng)加裝隔離器。通常情況下，以使用在測(cè)量上限值1/2左右為宜，且瞬間超負(fù)荷應(yīng)不大于測(cè)量上限的二倍。由于霍爾片對(duì)溫度變化比較敏感，當(dāng)使用環(huán)境溫度偏離儀表規(guī)定的使用溫度時(shí)要考慮溫度附加誤差，要采取恒溫措施(或溫度補(bǔ)償措施)。此外還應(yīng)保證直流穩(wěn)壓電源具有恒流特性，以保證電流的恒定。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器第三次作業(yè)題1為什么具有均勻壁厚的圓形彈簧管不能作為測(cè)壓元件？2試推導(dǎo)出單管彈簧管壓力表靜態(tài)特性關(guān)系式，并說(shuō)明各物理量的含義。3自學(xué)教材P65~P69的“2.6壓電式檢測(cè)元件”4什么是“霍爾效應(yīng)”？試述霍爾式壓力傳感器的轉(zhuǎn)換原理。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

第五節(jié)應(yīng)變式壓力傳感器一、金屬應(yīng)變片壓力傳感器1.金屬應(yīng)變片原理2.金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)3.金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償方法4.金屬電阻應(yīng)變片電橋電路5.應(yīng)變式壓力傳感器二、壓阻式壓力傳感器1.傳感器原理2.硅壓阻式傳感器第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器一、金屬應(yīng)變片壓力傳感器

金屬應(yīng)變片又稱為金屬電阻應(yīng)變片，它是能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓膫鞲性?，它與相應(yīng)的測(cè)量電路可組成測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度等測(cè)量系統(tǒng)，目前它是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用數(shù)量較多的一種傳感元件。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。

下圖所示的金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，假設(shè)其初始電阻值為：ρ為電阻絲的電阻率；

l

為電阻絲的長(zhǎng)度；

A為電阻絲的截面積。

1、金屬應(yīng)變片的工作原理第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器當(dāng)電阻絲受到軸向的拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起的電阻值相對(duì)變化量為:以微分表示為:式中dl/l、dA/A、dρ/ρ

分別為長(zhǎng)度、截面積和電阻率的相對(duì)變化量，dR/R為電阻的相對(duì)變化量。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器式中，稱為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，簡(jiǎn)稱應(yīng)變。對(duì)于圓形截面金屬電阻絲，截面積A＝r2，dA=2rdr，則為圓形截面電阻絲的截面積相對(duì)變化量。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器稱為金屬電阻絲的徑向應(yīng)變。根據(jù)材料的力學(xué)性質(zhì)，在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)金屬絲受到軸向的拉力時(shí)，將沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短。軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可以表示為：式中：μ為電阻絲材料的泊松比（泊松系數(shù)），負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器把單位應(yīng)變引起的電阻值變化量定義為電阻絲的靈敏系數(shù)K，則靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響：應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化（反映幾何變形效應(yīng)），即1+2μ；應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化(反映壓阻效應(yīng))，即(dρ/ρ)/ε。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

將應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，當(dāng)壓力作用到彈性元件上時(shí)，彈性元件被壓縮（或拉伸），粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片即發(fā)生相應(yīng)的壓縮應(yīng)變或拉伸應(yīng)變，由應(yīng)變效應(yīng)可知，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，測(cè)量電阻可實(shí)現(xiàn)壓力的測(cè)量。對(duì)金屬材料來(lái)說(shuō)，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式（1+2μ）中的值通常要比(dρ/ρ)/ε大得多，而半導(dǎo)體材料的(dρ/ρ)/ε項(xiàng)的值比（1+2μ）大得多。實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器2、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)金屬應(yīng)變片一般分為絲式和箔式兩種：（1）絲式應(yīng)變片其組成見(jiàn)下圖。用來(lái)產(chǎn)生電阻應(yīng)變效應(yīng)的細(xì)導(dǎo)體稱為應(yīng)變絲，把應(yīng)變絲粘貼在襯底上組成的元件稱為“應(yīng)變片”。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器（2）箔式應(yīng)變片是用極薄的康銅或鎳鉻金屬片腐蝕而成的。制造時(shí)，金屬片的一面涂上聚合劑，使之固化為基底，另一面涂感光膠，用光刻技術(shù)印刷上所需的絲柵形狀，然后放在腐蝕劑中將多余部分腐蝕掉，焊上引出線就成了箔式應(yīng)變片。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器金屬應(yīng)變片的主要參數(shù)如下：

(1)敏感柵尺寸

應(yīng)變片的敏感柵尺寸由敏感柵的基長(zhǎng)和基寬組成。敏感柵的基長(zhǎng)是指敏感柵在縱軸方向上的長(zhǎng)度。對(duì)于有圓弧的敏感柵，指圓弧內(nèi)側(cè)之間的距離;對(duì)于有橫柵的箔式應(yīng)變片和直角絲柵式應(yīng)變片，指兩橫柵內(nèi)側(cè)之間的距離。敏感柵基寬是指與應(yīng)變片軸線相垂直的方向上，應(yīng)變片敏感柵外側(cè)之間的距離。內(nèi)基長(zhǎng)，外基寬。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(2)初始電阻R0

應(yīng)變片的初始電阻R0是指應(yīng)變片未粘貼前在室溫下測(cè)得的靜態(tài)電阻值，常見(jiàn)的有60Ω、120Ω、200Ω、250Ω、600Ω和1000Ω等類型。(3)允許工作電流

電阻應(yīng)變片的允許工作電流又稱為最大工作電流，是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值。一般靜態(tài)測(cè)量時(shí)的允許工作電流為25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可以高一點(diǎn)。箔式電阻應(yīng)變片的允許工作電流比金屬絲電阻應(yīng)變片的允許工作電流要大許多。選取工作電流還應(yīng)注意彈性元件的導(dǎo)熱情況。對(duì)于導(dǎo)熱好的彈性元件，可以選得大一些;對(duì)于不易導(dǎo)熱的材料，要取得小一些。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器3、金屬電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度誤差是指由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變，而給測(cè)量帶來(lái)的附加誤差。造成這種誤差的原因有兩個(gè)，一是敏感柵的本身存在溫度系數(shù)，當(dāng)溫度改變時(shí)，應(yīng)變片自身的標(biāo)稱阻值發(fā)生變化;其二是，當(dāng)彈性元件與敏感柵材料的熱膨脹系數(shù)不同時(shí)，由于環(huán)境溫度的變化，敏感柵會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻。通常采用線路補(bǔ)償和應(yīng)變片的自補(bǔ)償法，對(duì)應(yīng)變片的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(1)線路補(bǔ)償法

見(jiàn)右圖，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，檢測(cè)應(yīng)變片R1貼在彈性元件的表面上，補(bǔ)償應(yīng)變片RB貼在與彈性元件材料完全相同的補(bǔ)償塊上，但補(bǔ)償塊不承受外作用力，僅檢測(cè)片承受應(yīng)變。R1和RB是相同的應(yīng)變片，當(dāng)彈性元件不承受應(yīng)變時(shí)，R1和RB處于同一環(huán)境溫度下。R3=R4

(在黑板上進(jìn)行公式推導(dǎo)和給出結(jié)論)第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(2)應(yīng)變片的自補(bǔ)償法

設(shè)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為，敏感柵材料的線膨脹系數(shù)為z，彈性元件的線膨脹系數(shù)為g，敏感柵的靈敏系數(shù)為K0，溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為：

=K0(z-g)第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器4、金屬電阻應(yīng)變片電橋電路

電阻應(yīng)變片應(yīng)用于力學(xué)量測(cè)量時(shí)，需要和電橋電路一起使用。因?yàn)閼?yīng)變片電橋電路的輸出信號(hào)微弱，采用直流放大器又容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，故多采用交流放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，所以應(yīng)變片電橋電路一般都采用交流電源供電，組成交流電橋。電橋又可分為平衡電橋和不平衡電橋兩種。平衡電橋僅適用于測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋則適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù)。由于直流電橋和交流電橋在工作原理上相似。為了方便起見(jiàn)，下面就用直流不平衡電橋進(jìn)行介紹。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(1)單臂測(cè)量電路

下圖是輸出端接放大器的直流不平衡電橋電路圖。第一橋臂接電阻應(yīng)變片R1，其它三個(gè)橋臂接固定電阻。當(dāng)應(yīng)變片R1未受應(yīng)變時(shí)，由于沒(méi)有阻值變化，電橋維持初始平衡條件：R1R4=R2R3，因而輸出電壓為零。

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器特點(diǎn)：電橋輸出電壓Uout與ΔR1/R1是非線性關(guān)系，當(dāng)ΔR1/R1很小時(shí)，兩者近似為線性關(guān)系；電橋電壓靈敏度Su正比于電橋供電電壓。當(dāng)n=1時(shí)，即R1=R2、R3=R4時(shí)，Su最大。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器（2）半橋差動(dòng)測(cè)量電路特點(diǎn)：電橋輸出電壓Uout與ΔR1/R1是線性關(guān)系；電橋電壓靈敏度Su正比于電橋供電電壓。當(dāng)n=1時(shí)，即R1=R2、R3=R4時(shí)，Su最大，是單臂測(cè)量電路的2倍。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器（3）全橋差動(dòng)測(cè)量電路電橋輸出電壓Uout與ΔR1/R1是線性關(guān)系；電橋電壓靈敏度Su正比于電橋供電電壓。當(dāng)R1=R2=R3=R4，Su最大，是半橋差動(dòng)測(cè)量電路的2倍。特點(diǎn)：第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器（4）高內(nèi)阻的恒流源電橋采用恒壓源供電時(shí)，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，單臂測(cè)量電路的輸出電壓為：結(jié)論:當(dāng)有恒流源供電與恒壓源供電情況相比，電橋輸出電壓的非線性的誤差減小一倍。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器5、應(yīng)變式傳感器由彈性元件（機(jī)械構(gòu)件）、電阻應(yīng)變片及外殼等組裝而成的裝置，稱為應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器與其它類型的力學(xué)傳感器相比，具有測(cè)試范圍寬、輸出特性線性好、精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠并能在惡劣環(huán)境條件下工作的特點(diǎn)。應(yīng)變式傳感器可用于力、壓力、加速度等力學(xué)量的測(cè)量。因此，它被廣泛應(yīng)用于煤碳、化工、冶金、機(jī)械、交通及國(guó)防等許多部門(mén)。

在應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)中，一般是將四個(gè)應(yīng)變片成對(duì)地橫向或縱向粘貼在彈性元件的表面，以便應(yīng)變片分別感受到壓縮和拉伸變形。通常四個(gè)應(yīng)變片接成電橋電路，可以從電橋的輸出中直接得到應(yīng)變量的大小，從而得知作用于彈性元件上的力的大小。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片在筒式彈性元件上的位置見(jiàn)右圖。

在應(yīng)變電阻R1、R4處：

在應(yīng)變電阻R2、R3處：

（1）幾種常見(jiàn)的彈性元件彈性元件的應(yīng)變值的大小，不僅與作用在彈性元件上的力有關(guān)，而且與彈性元件的形狀有關(guān)，下面介紹兩種常見(jiàn)的彈性元件的應(yīng)變值與外作用力F之間的關(guān)系。（A）筒式（圓柱、圓桶）彈性元件第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器式中：

r—應(yīng)變值;

—彈性元件的泊松系數(shù)，鋼為0.28，鑄鐵為0.24;

S—彈性元件的截面積(mm2);

E—彈性元件的彈性模量(N/mm2)（B）懸臂梁式彈性元件

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器懸臂梁式彈性元件的應(yīng)變公式為x—懸臂梁彈性元件受外力F作用時(shí)電橋輸出應(yīng)變值；

l—懸臂外端距應(yīng)變片中心的長(zhǎng)度(mm)；

b—懸臂寬(mm)；h—懸臂厚(mm)；

E—彈性元件的彈性模量(N/mm2)懸臂梁自由端的位移：X=KFK為與懸臂梁的尺寸和彈性模量有關(guān)的常數(shù)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器(C)平膜片彈性元件（教材P174~P176）膜片上任一點(diǎn)的徑向應(yīng)變：膜片上任一點(diǎn)的切向應(yīng)變：膜片上貼有四個(gè)應(yīng)變片R1、R2、R3、R4，在膜片受壓力作用時(shí)，R2和R3受到正切向應(yīng)變的拉伸，電阻值增大；R1和R4受到負(fù)徑向應(yīng)變的作用，電阻值減小。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器（2）應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器包括兩個(gè)主要部分:一個(gè)是壓力敏感元件(一般為彈性元件)，利用它把被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換為彈性體應(yīng)變量的變化;另一個(gè)是貼在壓力敏感元件上的應(yīng)變片，其作用是把應(yīng)變量的變化轉(zhuǎn)換為電阻量的變化，從而完成壓力-電阻的轉(zhuǎn)換。

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器BPR-2型壓力傳感器如上圖所示。應(yīng)變筒1的上端與外殼2固定在一起，它的下端與不銹鋼密封膜片3緊密接觸，兩片PJ-320型康銅絲應(yīng)變片r1和r2用特殊膠合劑貼緊在應(yīng)變筒1的外壁上。

r1沿應(yīng)變筒的軸向貼放，作為測(cè)量片;r2沿徑向貼放，作為溫度補(bǔ)償片。應(yīng)變片與筒體之間不發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，且應(yīng)保持電氣絕緣。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器當(dāng)被測(cè)壓力p作用于不銹鋼膜片而使應(yīng)變筒軸向受壓產(chǎn)生變形，沿軸向貼放的應(yīng)變片r1將產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)變x1，于是r1的阻值變小。與此同時(shí)，沿徑向貼放的應(yīng)變片r2也將產(chǎn)生徑向應(yīng)變y2，根據(jù)公式-y2=+x1,于是r2的阻值變大。由于小于１，故實(shí)際上r1的減小量比r2的的增大量大。r1和r2由直徑為0.025mm的康銅絲制成，電阻值均為320第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

將應(yīng)變片rl和r2按上圖(b)的方式接入測(cè)量電橋中。當(dāng)有p作用時(shí)，“r1”阻值變?yōu)閞1-r1，”r２”阻值變?yōu)閞２+r２，使r1和r2與另外兩個(gè)固定電阻r3和r4組成的電橋失去平衡，獲得不平衡電壓U作為壓力傳感器的輸出信號(hào)。

當(dāng)橋路供電電壓為10V時(shí)，橋路可以得到最大5mV的直流輸出信號(hào)。BPR-2型壓力傳感器在使用時(shí)，測(cè)量上限一般不超過(guò)儀表量程的80%為宜，各種技術(shù)條件不得超過(guò)規(guī)定的指標(biāo)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器`

二、壓阻式壓力傳感器

1、傳感器原理

當(dāng)在半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)上施加壓力時(shí)，會(huì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，表現(xiàn)為它的電阻率的變化，這一物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。

d/=

=E為應(yīng)力（N/m2），為壓電電阻系數(shù)（m2/N），E為彈性模量（N/m2），為軸向應(yīng)變。

dR/R=(1+2)+d/=(1+2)+E=K0

K0=(1+2)+E，K0

為半導(dǎo)體靈敏系數(shù)，對(duì)于半導(dǎo)體材料，

E比(1+2)大得多，故(1+2)

可忽略，K0=E

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

半導(dǎo)體受力變形后的電阻的變化率dR/R主要由d/引起，這就是壓阻式傳感器元件所依據(jù)的原理。需要說(shuō)明的是：經(jīng)過(guò)摻雜的半導(dǎo)體材料（如單晶硅或鍺）有晶體的屬性，即各向異性，壓阻系數(shù)和彈性模量E隨應(yīng)力方向和晶軸方向的夾角而定，不象金屬那樣只有一個(gè)值。

一般金屬的靈敏系數(shù)k0較小，半導(dǎo)體壓阻元件的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大50~100倍。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器2、硅壓阻式壓力傳感器

硅單晶有良好的彈性變形性能和顯著的壓阻效應(yīng)，利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、易于小型化和批量生產(chǎn)及使用方便等特點(diǎn)，是一種應(yīng)用日益廣泛、發(fā)展非常迅速的傳感器。

第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器早期的硅壓力傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器，它的使用與金屬應(yīng)變片類似，只不過(guò)應(yīng)變片是半導(dǎo)體硅制成的，即單晶硅在生產(chǎn)過(guò)程中摻入雜質(zhì)硼，形成具有一定電阻率的晶體，并將單晶硅切割成薄片矩形條，粘貼在彈性元件上，并構(gòu)成半橋或全橋測(cè)量電路。

隨后這種半導(dǎo)體應(yīng)變片的制作方法發(fā)生變化，發(fā)展成為在N型硅單晶片上選擇適當(dāng)位置，通過(guò)擴(kuò)散制成厚度極薄的P型應(yīng)變電阻條，P型應(yīng)變電阻條與N型硅單晶基片（膜片）之間構(gòu)成PN結(jié)，反向偏置后可使P型應(yīng)變電阻條與N型硅單晶基片形成絕緣。P型應(yīng)變電阻條連接成惠斯頓電橋，這就是壓阻式傳感器芯片。把芯片粘貼在彈性元件上，芯片上的電橋在壓力的作用下輸出一正比于壓力的電壓信號(hào)。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器以上講的傳感器由于采用了粘片結(jié)構(gòu)，所以存在著較大的滯后和蠕動(dòng)現(xiàn)象，精度不夠高，固有頻率低，小型集成化有困難等缺點(diǎn)。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了硅杯式擴(kuò)散型壓阻傳感器，硅單晶片既是制成應(yīng)變電阻的基片，又是承受壓力的彈性元件。此外，還能把應(yīng)變電阻條、補(bǔ)償電路、信號(hào)調(diào)整電路，甚至運(yùn)算處理電路集成在一塊硅片上，制成“智能傳感器”。第二章第四五節(jié)霍爾式壓力傳感器與應(yīng)變式壓力傳感器

（1）擴(kuò)散硅式傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

R/R=

因半導(dǎo)體材料的各向異性，對(duì)不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)不同，則