传感器-第二章-.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第二章 电阻式传感器,电阻式传感器是将,非电量,的变化量，变换成与之有一定关系的,电阻值,的变化量，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。,电阻式传感器主要分为：,应变式,电阻传感器（金属、半导体）和,电位器（计）式,电阻传感器以及热敏式电阻传感器、光敏式电阻传感器、磁敏式电阻传感器、气敏式电阻传感器等。,前两种属于力敏传感器。,2.1,金属电阻应变式传感器,2.2,半导体应变片及压阻式传感器,2.3,电位器式传感器,2,2.1,金属电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。,它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现。主要用于测量,变化量相对较小,的情况，其,灵敏度较高,。,工作原理：,基于材料的应变效应,。,一、应变效应,二、电阻应变片的工作原理,三、电阻应变片的结构,四、测量电路,五、电阻应变式传感器的应用,3,一、应变效应,导体或半导体材料在受到外界力,(,拉力或压力,),作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因,形变,而使其,阻值发生变化,的现象称为,“,应变效应,”,。,导体或半导体的电阻,导体或半导体在受外力作用时会产生,机械变形，从而使电阻率,、,长度,l,和截面积,S,这三者都发生变化，所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力的大小。,当受到拉力,F,作用时，将伸长,l,，横截面积相应减小,S,，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,，故引起电阻值相对变化量为,4,式中，,l,/,l,=,为材料的,轴向应变,；,由于,S,=,d,2,/4,，则,S,/,S,=2,d,/,d,其中,d,/,d,为,径向应变,；,且由材料力学知，,d,/,d,=,，式中,为材料的,泊松比,。,其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。,应变灵敏系数,：,单位面积上所承受的附加内力称为,应力,。,当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变就称为,应变,。,5,对于金属材料，,/,较小，可以略去；且,=0.2,0.4,（弹性范围），,K,1+2,=1.4,1.8,，实际测得,K,2.0,，说明,/,/,项对,K,还是有一定影响。,应变灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料,几何尺寸,的变化，即（,1+2,）；另一个是受力后材料,电阻率,发生的变化，即,/,/,。,一般情况下，在应变极限内（弹性范围），金属材料电阻的相对变化与轴向应变成正比,6,在外力作用下，被测对象产生,微小,机械变形，粘贴在被测对象上的应变片随其发生相同的机械变形，同时，应变片电阻也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量,R,时，便可得到被测对象的应变值,，根据应力和应变的关系，得到应力值,式中,试件的应力；,试件的应变；,E,试件材料的弹性模量（,kg/mm,2,）。,由此可知，应力值,正比于应变,，而试件应变又正比于电阻值的变化,R,，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量应变的基本原理。,外力应力变形应变电阻值变化电压变化,二、电阻应变片的工作原理,7,三、金属电阻应变片的结构,基本结构,金属电阻应变片种类繁多，但其基本结构大体相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。,将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们变成一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。,1,基底,2,敏感栅,3,覆盖层,4,引线，用以和外接导线连接,l,敏感栅长度,b,敏感栅的宽度,8,敏感栅是应变片最重要的组成部分。,根据敏感栅形状和制造工艺的不同，金属应变片主要分为,丝式,、,箔式,和,膜式,三种类型。它们根据需要可以制作成各种形状。,（,1,）金属丝式应变片：,丝式应变片的敏感栅由金属细丝绕成栅状，有,回线式,和,短接式,两种。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。,回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；,短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大,5,10,倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在冲击或振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。,a),回线式丝式应变片,b),短接式丝式应变片,1.,敏感栅,目前大都采用箔式应变片。,9,（,2,）金属箔式应变片：,a,单轴,b,测扭矩,c,多轴（,应变花,）,d,平行轴多栅,e,同轴多栅,箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为,0.003 0.01 mm,的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅。有时称为应变花。,10,优点：,制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形,状，其栅长可做到,0.2mm,；,敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，粘结牢靠，传递试件应变性能好；,散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；,横向效应小；,蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。,由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势，是目前的主流。,（,3,）金属薄膜应变片,金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在,0.1,m,以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅。,它的优点是应变灵敏系数大，允许工作电流密度大，工作温度范围宽，可达,197,317,。,11,2.,基底和盖片,基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。一般为厚度,0.02,0.05mm,的环氧树脂、酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和高温性好；无滞后和蠕变。,3.,引线,作用：连接敏感栅和外接导线。,一般采用,=0.05,0.1 mm,的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铬铅丝等，与敏感栅点焊相接。,4.,粘结剂,作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用金属电阻应变片时，也需用粘结剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置上，以便感受试件的应变。,粘结剂材料：有机和无机两大类。,12,四、测量电路,由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此需要设计专用的测量电路。,用于测量电阻变化最常用的测量电路是,电桥电路,。,电桥电路通常有,直流电桥,和,交流电桥,两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性误差和负载特性。,1.,直流电桥,2.,交流电桥,13,双臂电桥（半桥）,单臂电桥,全臂电桥（全桥）,直流电桥：,Z (,R,),交流电桥,:Z(,R,、,L,、,C,),不平衡桥式：偏差测量法（动态）,平衡桥式：零位测量法（静态）,半等臂电桥,全等臂电桥,工作方式,桥臂关系,电源,负载,工作臂,电压输出桥：,R,L,，,I,o,=0,功率输出桥：,U,、,I,电源端对称,Z,1,=,Z,3,，,Z,2,=,Z,4,输出端对称,Z,1,=,Z,2,，,Z,3,=,Z,4,Z,1,=,Z,2,=,Z,3,=,Z,4,电桥电路,14,1.,直流电桥,(1),平衡条件,直流电桥的基本形式如图所示。,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,称为电桥的桥臂，,R,L,为其负载（可以是测量仪表内阻、放大器输入阻抗或其它负载）。,当,R,L,时，电桥的输出电压,U,o,应为,当电桥平衡时，,U,o,=0,，,I,o,=0,，由上式可得到,或,称为电桥平衡条件（,对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等,），此时流过负载电阻的电流为,0,。,15,(2),电压灵敏度,A,.,单臂电桥：,如果在实际测量中，使第一桥臂,R,1,由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为,R,1,，其它桥臂固定不变，则电桥输出电压,U,o,0,。,设桥臂比,电桥电压灵敏度定义为,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高。但是供桥电压的提高，受到应变片,允许功耗,的限制，所以一般供桥电压应适当选择（,36V,）。,E,（供桥电压）,16,电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值,n,的函数，因此必须恰当地选择桥臂比,n,的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,当,n,=1,，（,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,），电桥电压灵敏度最大,。,此时电桥电压灵敏度,当电源电压,E,和电阻相对变化率 一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。,此时非线性误差较大，减小或消除非线性误差的方法有如下几种：,采用差动电桥,提高桥臂比,采用高内阻的恒流源电桥,17,B.,半桥差动（双臂）：,根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉（拉应变），一个受压（压应变），则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上。称为半桥差动电路。,半桥差动电路,若,R,1,=,R,2,，（,R,=,R,1,R,2,=2,R,1,），,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,，,则得,半桥差动电路由上式可知，,U,o,与 成线性关系，此时电桥电压灵敏度,半桥差动电桥的灵敏度比使用一只应变片的单臂电桥提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用，线性误差大大减小。,18,C.,全桥差动（全臂）：,为进一步提高电压灵敏度或进行温度补偿，可采用全桥差动电路。将电桥四臂接入四片应变片。两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，构成全桥差动电路。若满足,全桥差动电桥,此时电桥电压灵敏度,全桥差动的灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍,。,还可抑制干扰信号，因为四臂或相邻两臂同时有某一增量，对全桥差动电桥输出无影响。,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,，,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,则输出电压为,19,（,3,）减小或消除非线性误差的其它方法,提高桥臂比：,提高桥臂比，非线性误差可以减小；但从电压灵敏度考虑，电桥电压灵敏度将降低，这是一种矛盾，因此，为了达到既减小非线性误差，又不降低其灵敏度，必须,适当,提高供桥电压,E,。,采用高内阻的恒流源电桥：,通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图所示。供桥电流为,I,，通过各臂的电流为,I,1,和,I,2,，若测量电路输入阻抗较高，则,输出电压为,若电桥初始处于平衡状态（,R,1,R,4,=,R,2,R,3,），而且,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，当第一桥臂电阻,R,1,变为,R,1,R,1,时，电桥输出电压为,比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了,50%,。,20,2.,交流电桥,(1),交流电桥平衡条件,应变电桥输出电压很小，一般要加放大器。,采用直流电桥的优点是高稳定性电源易于获得，电桥平衡的调节简单，连接导线分布参数影响小。但输出电压需采用直流放大器，易于产生零点漂移，因此目前也常用交流电桥。,交流电桥采用交流放大器、供桥电源为交流电源，交流电桥连接导线分布参数影响、平衡调节、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同。,连接导线分布电容（忽略引线电感）使得桥臂的四只应变片均呈现复阻抗特性，即相当于四只应变片各并联了一只电容。但分析电桥平衡和输出电压方法仍与直流电桥相同。故输出电压为,21,设各桥臂阻抗为,式中,r,1,r,4,和,x,1,x,4,分别为各桥臂的电阻和电抗；,z,1,z,4,和,1,4,为各复阻抗的模值和幅角，由此可得到交流电桥的平衡条件的另一形式为,式中,Z,1,，,Z,2,，,Z,3,，,Z,4,为电阻、电感、电容任意组合的复阻抗。桥路平衡条件为,或,22,(2),交流电桥的调平方法,利用交流电桥测量应变时，由于引线产生的分布电容的容抗（引线电感忽略），供桥电源 的频率以及被测应变片的性能差异，将严重地影响着交流电桥的初始平衡条件和输出特性，因此必须对电桥预调平衡。,由于式 中的,Z,阻抗应包括电阻和电容等参数，此处交流电桥的平衡，应包含着,电阻,和,电容,两个平衡条件，因此，交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整的方法实现。,或,23,C,3,和,C,4,为差动电容，调节,C,3,和,C,4,时，由于两个电容的变化量大小相等，方向相反，可使桥路平衡。,（,）,阻容调平法：,图,(,d,),。,该电桥接入了“,T”,形,RC,阻容电路，可通过交替调节电容、电阻使电桥达到平衡状态。,电阻调平法,（,）,串联电阻法：,图,(,a,),。,（,）,并联电阻法：,图,(,b,),。,并联电阻调平法，通过调节电阻,R,5,改变,AD,和,CD,的阻值比，使电桥满足平衡条件。电阻,R,6,决定可调范围，,R,6,越小，可调范围越大，但测量误差也越大。,R,5,、,R,6,通常取相同阻值。,电容调平法,（,）,差动电容法：,图,(,c,),。,24,(3),交流电桥不平衡状态,单臂交流电桥,其输出电压为,差动交流电桥（半桥差动电路）,其输出电压为,双差动交流电桥,(,全桥差动电路,),其输出电压为,与直流电桥一样，,全桥差动电路的电压灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍,。,25,五、电阻应变式传感器的应用,直接用来测量结构的应力或应变,电阻应变片可直接粘贴在被测量的受力构件上，测量应力、应变。而测量其它被测量（如力、压力、加速度等），就需要先将这些被测量转换成应变，完成这种转换的元件称为弹性敏感元件。,由弹性敏感元件和应变片，以及一些附件便组成各种电阻应变式传感器。,a,齿轮轮齿弯矩,b,飞机机身应力,c,立柱应力,d,桥梁应力,26,将应变片贴于弹性敏感元件上，组成测量力、位移、压,力、加速度等物理参数的传感器,a),位移传感器,b),加速度传感器,c),柱式测力传感器,d),扭矩传感器,e),筒式压力传感器,27,电阻应变式力传感器,1,柱（筒）式力传感器,弹性敏感元件为实心或空心的柱体（截面积,S,，材料弹性模量,E,），当柱体轴向受力,F,作用时，在弹性范围内，应力,与应变,成正比关系,=,E,F,/,S,柱式力传感器又称为荷重传感器。,应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,28,汽车衡（地磅称）一般采用荷重传感器（柱式力传感器）。,29,2.,悬臂梁式力传感器,特点：,结构简单、加工比较容易，应变片粘贴方便，灵敏度较高。,用途：,小量限测力。,（,1,）等截面悬臂梁,当力,F,作用在悬臂梁自由端时，悬臂梁产生变形，在梁的上、下表面,对称位置,上应变大小相等，极性相反，若分别粘贴应变片,R,1,、,R,4,和,R,2,、,R,3,，并接成差动电桥，则电桥输出电压,U,o,与力,F,成正比。,（,2,）等强度悬臂梁,应力不随应变片粘贴位置变化，即截面上的应力与,x,无关，任何截面上的应力都相等。,30,（,3,）特殊悬臂梁,（,a,）双孔梁：多用于小量程电子称；,（,b,）单孔梁：,（,c,）（,d,）,S,型梁：适于较小载荷。,双圆孔悬臂梁式承压传感器,S,型梁承压传感器,31,应变传感器在衡器中的应用,用于衡器的传感器一般有电阻应变片、弹性金属结构传感器等。自从,1983,年将电阻应变片用于商用计价秤后，已逐渐取代传统的机械式案秤和光栅式码盘秤。这种电阻应变式计价秤的称重误差已可做到小于满量程的,0.02,。,下面介绍用电阻应变片的电子秤结构、工作原理和有关电路。,采用,S,形双弯曲悬梁应变测力传感器，和单片机相结合构成数字式电子秤的核心，可具有零点跟踪、非线性校正、精度选择、称重、去皮重、累计、显示、打印等多种功能。,32,传感器弹性体为双弯曲梁，四片应变片分别粘贴在梁的上、下两表面上，组成全桥电路。当载荷,W,作用时，,R,1,、,R,3,受拉伸。阻值增加，,R,2,、,R,4,受压缩，阻值减小，电桥失去平衡，产生电压输出，且与,W,成正比。,为解决称载物放置位置对称载结果的影响，在传感器上装配上、下承压板，变成了,S,形状。,33,S,形双弯曲梁应变式测力传感器有以下特点：,（,1,）输出灵敏度高。由于结构是双连孔形的，粘贴应变片处较薄，应变大；而其它部位较厚，强度好。,（,2,）变化加载点不影响输出。,（,3,）抗侧向力强。倘若增加一个侧向力，对于中间梁而言，只增加了一对轴向力，则四个应变片将同时增、减，故对输出无影响。,（,4,）由于该秤只用一个测力传感器，结构简单、精度高、量程宽、工作可靠。,34,(a),小数点显示电路,(b),手提电子称电路图,A,1,、,A,2,：对称的同向放大器。,ICL7106,：是,Maxim,公司产,3,1,/,2,位,A/D,转换器。可直接驱动七段数字显示表，输入模拟量，然后显示（,LCD/LED,）。,35,3,薄壁圆环式力传感器,4,轮辐式力传感器,特点：,在外力作用下，各点的应力差别较大。,特点：,刚性比,较大，同时利用它的对称性，能够比较好地防止横向力的影响,。,36,5,轴剪切力传感器,（应变片式扭矩传感器）,主要用于扭矩测量，扭转轴发生如图所示扭转时，在相对于轴中心线,45,方向上会产生压缩及拉伸力，从而将力加在旋转轴上。如果在扭转轴的表面贴上四个电阻应变片组成桥式电路，,R,1,、,R,3,受拉应力，,R,2,、,R,4,受压应力，便可检测出压缩及拉伸力，即可测出扭矩的大小。,为了给旋转的应变片输入电压和从电桥中取出检测信号，在扭转轴上安装有集流环和电刷。,应变式数显扭矩扳手,37,电阻应变式压力传感器,1,筒式压力传感器,弹性元件为一具有盲孔的圆筒，当被测流体压力,P,作用于筒体内壁时，圆筒部分发生变形，沿圆筒周向粘贴的应变片产生正应变。,用于管道及枪（炮）管内压力测量。,2,膜片式压力传感器,一个周边固定的圆形金属膜片，在压力,P,的作用下将产生弯曲变形，在膜片正应变区中心处沿切向贴两片应变片,R,2,、,R,3,，在负应变区边缘处沿径向贴两片应变片,R,1,、,R,4,，接成全桥差动线路。,特点：,结构简单、使用可靠。,38,右图为恒压源供电全桥差动直流电桥典型电路,基本应用,平面膜片式压力计,A,1,、,A,2,、,A,3,、,A,4,为运放,OP07,，,A,1,、,A,2,（同向放大器）,、,A,3,（差值放大器）组成同相输入并串联差动放大器（三运放仪器用放大器）。,A,4,构成电压跟随器（对电位器的输出电压进行阻抗变换），通过调整正输入端电位器，从而调整,A,4,输出端电压，与,A,2,的输出相加，加到,A,3,同相输入端，使压力传感器压力为零时，电路输出端电压也为零，即对电路进行调零。,放大倍数,39,3,组合式压力传感器,利用几种弹性元件组合而成。,图,(a),：感压元件为膜片，由压力产生的位移被传递给贴有应变片的悬臂梁；,图,(b),：感压元件为波纹管，位移传给双端梁；,图,(c),：感压元件为双重曲线膜片，其位移使薄壁圆筒变形，筒外壁上绕有应变丝（或贴应变片）。,40,电阻应变式加速度传感器,1-,质量块；,2-,应变粱；,3-,硅油阻尼液；,4-,应变片；,5-,温度补偿电阻；,6-,绝缘套管；,7-,接线柱；,8-,电缆；,9-,压线板；,10-,壳体；,11-,保护块,电阻应变式加速度传感器是一种利用金属应变片或半导体应变片作为敏感元件进行加速度测量的传感器。分别可组成应变加速度计和压阻加速度计，它们体积小、重量轻、输出阻抗低，可用于飞机、轮船、机车、桥梁等振动加速度的测量。,在应变梁,2,的一端固定质量块,1,，另一端固定在壳体,10,上，在梁的上下,两面粘贴应变片,4,，梁和质量块的周围充满硅油阻尼液，用以产生必要的阻尼。测量振动时，将壳体和被测对象刚性固定在一起，因此作用在质量块上的惯性力,F=ma,使悬臂梁产生变形（应变）。应变片所构成的电桥失去平衡而输出电压。此输出电压的大小正比于外界振动加速度,a,。,41,2.2,半导体应变片及压阻式传感器,2.2.1,半导体应变片,半导体应变片是用半导体材料，采用与丝式金属应变片相同方法制成的。,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的,压阻效应,。,压阻效应：,材料的,电阻率,随作用应力而变化的现象称为该材料的压阻效应。,所有材料在某种程度上都呈现压阻现象，但半导体材料的这种效应特别显著，能直接反映出微小的应变。,半导体压阻效应可解释为：由应变引起能带变形，从而使能带中的载流子迁移率及浓度也相应地发生相对变化，因此导致电阻率变化。,42,1,应变片,2,半导体敏感条,3,外引线,4,引线连接片,5,内引线,体形半导体应变片的结构形状,半导体应变片的制作方法,将半导体材料按所需晶向切割成片或条，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅使用，称作“体型半导体应变片”。,将,P,型杂质扩散到,N,型硅片上，形成极薄的导电,P,型层，焊上引线即成应变片称作“扩散硅应变片”。,43,优点：,尺寸、横向效应和机械滞后都很小，灵敏度高，频率响应范围很宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单，分辨率高。,缺点：,温度系数大，测量较大应变时非线性比较严重。,半导体电阻应变片的测量电路,一般采用直流电桥电路，但须采用温度补偿措施，如图所示。,44,2.2.2,压阻式传感器,半导体硅有,良好的弹性形变,性能和,显著的压阻效应,。利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的力传感器，具有灵敏度高、动态响应快、工作温度范围宽、稳定性好、易集成化等一系列优点，因此应用日益广泛。,早期的硅压力传感器是半导体应变片式的，是金属应变片的延伸；是利用半导体比金属高的灵敏系数，代替合金材料，把硅片或其制成的芯片粘贴在弹性体上，但没脱离应变片的模式。,70,年代，采用集成电路技术研制的,扩散型压阻式传感器,（或称,固态压阻式传感器,），克服了粘贴带来较大的滞后和蠕变以及固有频率较低和集成化困难的缺点，而且把应变电阻条和误差补偿、信号调整等电路集成在一块硅片上。,（,1,）半导体的压阻系数,（,2,）压阻式传感器的组成和工作原理,（,3,）硅杯的结构与材料,（,4,）扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置,（,5,）压阻式传感器的温度漂移,（,6,）压阻式传感器的应用,45,（,1,）半导体材料的压阻系数,材料电阻的变化为,对半导体材料，几何尺寸变化引起的电阻变化可忽略，电阻阻值的变化主要是因电阻率变化引起的，即,由半导体理论可知，硅和锗的纵向电阻率的相对变化,L,沿晶向,L,的压阻系数（,m,2,N,）；,沿晶向,L,的应力（,N,m,2,）；,E,半导体材料的弹性模量（,N,m,2,）；,轴向应变。,半导体材料的应变灵敏系数,如半导体硅，,L,=(4080)10,11,m,2,N，,E,=1.6710,11,Nm,2,，则,K,B,=50100。远比金属应变片灵敏系数,K,=2 大得多。,46,由于半导体材料的晶体各向异性，在应力作用下，晶格变形，使能带结构变化，载流子浓度和迁移率变化，即,硅半导体的压阻效应与晶向有关,。,影响压阻系数大小的主要因素是扩散杂质的表面浓度和环境温度。压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，,P,型硅的压阻系数比,N,型硅的（绝对）值高，因此选,P,型硅有利于提高敏感器件的灵敏度,。,用于制作半导体传感器的半导体材料主要有：硅、锗、锑化铟、磷化铟、砷化镓等，其中最常用的是,硅,和,锗,。,扩散型压阻式传感器一般简称为：,压阻传感器、扩散硅。,47,（,2,）扩散型压阻式传感器的组成和工作原理,组成：,扩散型压阻式传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。核心器件是一个周边固定支承的,硅敏感膜片,，即,硅压阻芯片,，因形状象杯故名,硅杯,。上面用扩散掺杂法做成,四个相等的硅应变电阻条,，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。,工作原理：,当膜片两边存在,压力差,时，膜片发生变形，产生应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值,。,(a),扩散型硅压阻式传感器的结构,(b),硅膜片尺寸,(c),应变电阻条排列方式。,48,（,3,）硅杯的结构与材料,通常选用,N,型硅做膜片,，在其上扩散,P,型杂质，形成应变电阻条。,P,型电阻条,的压阻系数比,N,型大、灵敏度也高，而温度系数又小，也易制造。,N,型硅膜片晶向选取，既要考虑灵敏度，又要考虑,各向异性腐蚀,形成硅杯的工艺。一般选取,，或,晶向硅膜片。,N,型硅膜片的电阻率，通常选取,815cm,。经扩散成,P,型硅电阻条所形成的,PN,结隔离作用有足够的耐压性。,硅压阻芯片常采用两种结构，周边固定支承的,圆形,硅杯和,矩形（正方形）,硅杯。采用周边固定支承硅杯结构，使硅膜片与固定支承环构成一体，既可提高灵敏度，减少非线性误差和滞后，又便于集成化和批量生产。圆形硅杯最常采用，工艺成熟。,49,（,4,）扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置,硅芯片是在,N,型膜片上扩散的四个,P,型电阻条，并接成惠斯登电桥（全桥差动电桥）。电阻条的阻值、尺寸、取向与位置都对传感器的灵敏度有很大影响。,扩散电阻条的阻值与几何尺寸,为了输出较大电压,U,L,，要考虑与负载电阻,R,L,的匹配。负载电阻两端电压为,只有,R,0,/R,L,1,时，有,所以电桥的等效电阻,R,0,应小些，一般取每个扩散电阻值为,5003000,。,(a),四个,扩散电阻条所构成的电桥,(b),传感器 与负载的等效电路,50,常用扩散电阻条如图所示，其阻值可按下式计算,式中，,l,为扩散电阻长；,b,为扩散电阻宽；,R,S,为方块电阻。,方块电阻,R,S,是长与宽都等于,b,的电阻，其阻值用符号,表示，,R,S,由扩散杂质表面浓度,N,S,和,PN,结深度决定。,R,S,约为,10800,时，式,l,/,b,值一般取,50 100,。常采用,b,=5 30,m,。电阻长度,l,则由宽度,b,和方块数决定。实际的扩散电阻两端有引线孔，为避免电阻过长，制成如图,(c),所示的结构，它制作简单、散热好,。,(a),胖型,电阻条,(b),瘦型电阻条,(c),折曲型电阻条,51,扩散电阻条的取向与位置,要获得大的电阻相对变化，提高传感器的灵敏度，扩散电阻条应选择在,压阻效应较大的晶向,上，以及,应力较大的部位,上。扩散电阻条连接成全桥差动电桥时，应满足膜片受力后一对电阻条的,R,R,为正值，另一对为负值。,总之，取向上可只利用纵向压阻效应或纵向与横向压阻效应均利用。定位上，可使电阻在同一应力区内，也可分别位于正负两个应力区内。,52,（,5,）压阻式传感器的温度漂移,由于半导体材料对温度的敏感性，压阻式传感器受到温度变化影响后，将产生,零点漂移,和,灵敏度漂移,。,零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的,。扩散电阻的温度系数因扩散表面杂质浓度不同导致薄层电阻大小各异而不一样。但工艺上难于做到四个,P,型桥臂,电阻的温度系数完全相同，则不可避免产生温度变化时，无外力作用仍有电阻值的变化。,灵敏度温度漂移是因为压阻系数随温度变化引起的,。,温度升高时，压阻系数变小，则灵敏度下降,。,所以，,压阻传感器使用时必须进行温度补偿。,53,（,6,）压阻式传感器的应用,压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，应用最多的是压阻式压力传感器，广泛应用于流体压力、差压、液位测量，特别是它可以微型化，已有直径为,0.8mm,的压力传感器。,恒流工作测压电路,D,z1,（,LM385,：,2.5V,电压基准源）稳定电压,2.5V,，作为传感器提供,1.5mA,恒流的基准电压，,R,2,上电压也为,2.5V,（集成运放的输出电压为有限值时，输入差模电压趋于,0,，,v,v,）。,传感器为需恒流,1.5mA,驱动的扩散硅绝对压力传感器。,54,恒压工作测压电路,TL499A,将电池的,9V,电压提升为,15V,，经运放,A,4,变为,7.5V,，,7.5V,作为电桥恒压源，,7.5V,并为,R,p2,供电。,55,压力控制电路,须将油压控制在,4.05.0MPa,范围内，对应,A,1,的输出为,3.334.17V,。,A,2,、,A,3,为电平比较器，,U,o,3.33V,时，,A,2,输出高电平；,U,o,3.33V,时，,A,2,输出低电平；,U,o,4.17V,时，,A,3,输出低电平。,A,2,、,A,3,都为高电平时，油压才正常；油压过低时，,A,2,输出低电平，,J,1,改,变状态，报警并可启动油泵加压；,A,3,输出低电平，,J,2,改变状态，报警并可停止油泵加压。,56,水深测量仪（投入式液位计）,水的深度不同，其压力也不同，水的压力随水的深度呈线性变化。这样只要能测得水的压力，便可知水的深度，水深测量仪就是根据这一原理制成的。,水深测量仪的工作原理如图所示。压阻式压力传感器设置在测量探头的中央，其感压膜正对进水压力通道。使用时将探头投入水中，传感器便可测得水的压力而输出电压，该电压经测试仪表的转换，便可直接从显示器上读出水的深度。,投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其它液体的液位测量。,57,压阻式加速度计其结构和金属丝,(,箔,),应变式加速度计相类似。这里是用硅梁代替金属梁，直接在硅梁上扩散四个应变电阻。,这种结构的优点是体积小、灵敏度高、滞后小、蠕变小，具有良好的线性和稳定性，频率范围从,DC,到几十千赫。,压阻式加速度计,58,2.3,电位器式传感器,分类：,按其特征函数（输入输出关系）：,线性,（函数）,电位器式和,非线性,（函数）,电位器式；,按结构形式：,线绕式,和,非线绕式,。,用途：,主要用于,非电量变化较大,的测量场合，测量线位移和角位移、压力、加速度等。,优点：,结构简单，价格低廉，性能稳定，输出信号大，对环境条件要求不高；,缺点：,精度不够高，动态响应较差，适合于变化缓慢的物理量的测量。,一、线绕式电位器传感器,二、非线绕式电位器,三、电位器式传感器的应用,59,一、线绕式电位器传感器,1.,线绕电位器结构和工作原理,2.,线绕电位器式传感器的阶梯特性和电压分辨率,3.,非线性线绕电位器结构,60,1.,线绕电位器结构和工作原理,线绕电位器的结构主要由,电阻丝,、,电刷,和,骨架,三部分组成。,电阻丝：,康铜、镍铬、卡玛（,Karma,）,丝以及铂铱、金银。,电刷：,一般选用贵金属。,骨架：,塑料、胶木、金属（经绝缘,处理）。,若线绕电位器的绕线截面积均匀，则电阻值随线长的变化也是均匀的,(,线性,),。,线绕电位器有,直线位移,型和,角位移,型。,61,空载时，负载特性为线性。,当负载电阻,R,L,时，,I,L,0,，负载特性为,非线性,。,式中 ，为线绕电位器的电阻和电压灵敏度，分别表明了电刷,单位位移,所能引起的输出电阻和输出电压的变化量。,S,R,、,S,V,均为常数。改变测量电阻值,R,x,所引起输出电压,U,o,的变化为,线性变化,。（,U,o,随,x,线性变化）,（,1,）直线位移型,U,i,为工作电压，,U,o,为负载电阻,R,L,两端的输出电压，,x,为线绕电位器电刷移动的长度，,L,为其总长度，对应于电刷移动量,x,的电阻值为,R,x,。,电位器为空载,(,R,L,=),时，,I,L,=0,，,对应的电阻变化为 得,U,i,L,x,R,L,U,o,62,（,2,）角位移型,：角位移；,k,：单位弧度对应,的电阻值。,传感器电阻灵敏度：,63,设共有,n,匝，第,1,匝,第,m,匝,由 得,2.,线绕电位器式传感器的阶梯特性和电压分辨率,(1),阶梯特性,当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的，故输出电压,U,o,也不连续变化，而是阶跃式地变化。电刷每移动一匝线圈使输出电压产生一次跳动，移动,n,匝，则使输出电压产生,n,次电压跳动（阶跃）。,64,小阶跃：,当电刷从,m,1,匝移至,m,匝时，实际电刷不是一点，而有,一定宽度,。电刷瞬间使两相邻匝线,短接,(,使电位器总匝数减少了一匝，为,n,1,匝,),，在每一个电压阶跃中产生一次小阶跃,U,n,其阶跃值为,短接时输出电压,这个小阶跃电压,U,n,为,65,线绕的线性电位器实际输出特性如右图所示。,通常总是将没有小阶跃的理想阶梯状特性曲线用于工程，这样给使用带来方便。,U,n,随,m,变化。,m,越大,，,U,n,越大。,66,(2),电压分辨率,线绕电位器的电压分辨率是指在电刷行程内电位计输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。,对于具有理想阶梯特性线绕电位计，其理想的电压分辨率为,从电位器的电刷行程来说，又有行程分辨率，其表达式为,67,3.,非线性线绕电位器结构,（,1,）用曲线骨架绕制的非线性,变阻器,骨架的形状决定特殊函数关系。,（,2,）三角函数变阻器,它的输出与输入之间具有正弦函数关系。,有时为了需要，输入量位移,x,和输出电压,U,o,之间要求呈现某种,特殊函数规律变化,，因此在工业控制中，通常特制几种非线性结构的变阻器以供使用。常用的有：,（近似）,68,（,3,）用分段法制成非线性变阻器,其结构也能制成所需要的非线性关系的变阻器。,（,4,）抛物线,69,二、非线绕式电位器,线绕电位器,优点,：精度高、性能稳定、易于实现线性化等。,缺点,：分辨率低、耐磨性差、寿命较短等。,因此人们研制了一些性能优良的,非线绕式,电位器。,1.,膜式电位器,2.,导电塑料电位器,3.,光电电位器,70,1.,膜式电位器,膜式电位器通常有两种：一种是碳膜电位器，另一种为金属膜电位器。,碳膜电位器,是在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻膜。电阻液由石墨、碳黑、树脂材料配制而成。,优点：,分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好。,缺点：,接触电阻大、噪声大。,金属膜电位器,是在玻璃或胶木等绝缘基体上，用真空蒸发或电镀的方法，涂覆一层金属膜或复合金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为铂铜、铂锗、铑锗、铂铑金、铂铑锰等。,优点：,温度系数小（,可达,0.5%1.5%,10,4,/,），耐高温（可达,150,）。,缺点：,耐磨性差、功率小、阻值较低,(,12k,),。,71,2.,导电塑料电位器,这种电位器的电阻体由塑料粉与导电材料（合金、石墨、碳黑等）粉压制而成，又被称为实心电位器。,优点,:,耐磨性较好（可达千万次以上）、寿命较长、电刷允许的接触压力较大（几十至几百克），适用于振动、冲击等恶劣条件下工作，线性好，阻值范围大，能承受较大的功率。,缺点：,受温度、湿度影响较大，接触电阻大，精度不高。,72,3.,光电电位器,接触式电位器，共同的缺点是,耐磨性较差、寿命较短,。光电电位器是一种,非接触式,电位器，以光束代替电刷，克服了上述几种电位器的缺点。,结构：,在氧化铝基体,2,上蒸发一层金属膜电阻带,3,和一条高导电率（铬金或银）的集电极,5,，在电阻带与导电带之间的窄间隙上沉积一层光电导层（硫化镉,（,CdS,）或硒化镉（,CdSe,）等）,1,。充,当电刷的,窄光束,4,在光电导层上扫描时，就使电阻带与集电极在该处形成一导电通路，如同电刷移动一样。,在外电源,E,的作用下，负载电阻,R,L,上便有电压输出，输出电压随着光束位置的移动而变化；而在无光束照射时，因其暗电阻极大，可视为电阻带与导电电极之间断路。,优点：,无摩擦和磨损，寿命长，,精度、分辨率高，可靠性好，阻值范围宽,（,500 15 M,）。,缺点：,结构复杂，,存在滞后,(0.11s),，,工作温度范围窄,(,150,),，输出电流小，输出阻抗较高,需阻抗匹配，线性度不高。,1,光电导层,2,基体,3,薄膜电阻带,4,电刷的窄光束,5,导电电极,73,电位器式压力传感器,如图所示，它由弹簧管和电位器组成。电位器被固定在壳体上，电刷与弹簧管的传动机