电阻式压力计

1、3.3.2 3.3.2 电阻式压力计电阻式压力计11电阻式压力计特点：电阻式压力计特点：1.1.灵敏度高、测量范围广、频率响应快。灵敏度高、测量范围广、频率响应快。2.2.既可用于动态测量，又可用于静态测量。既可用于动态测量，又可用于静态测量。3.3.结构简单，尺寸小，重量轻，易于实现结构简单，尺寸小，重量轻，易于实现小型化和集成化。小型化和集成化。4.4.能在低温、高温、高压、强烈振动、核能在低温、高温、高压、强烈振动、核辐射和化学腐蚀等各种恶劣环境下可靠辐射和化学腐蚀等各种恶劣环境下可靠工作。工作。3.3.2.1 3.3.2.1 测量基本原理测量基本原理金属导体或半导体材料制成的电阻体，其

2、阻值可表示为：金属导体或半导体材料制成的电阻体，其阻值可表示为： 式中式中 电阻的电阻率，电阻的电阻率，mm; ; L L电阻的轴向长度，电阻的轴向长度，m;m; A A电阻的横向截面积，电阻的横向截面积，m m2 2; ; ALRAALLRRLLrrAA22当电阻丝在拉力当电阻丝在拉力F F的作用下，长度、截面、电阻率的作用下，长度、截面、电阻率均会发生变化，这些都会引起电阻的变化，其相均会发生变化，这些都会引起电阻的变化，其相对变化量为对变化量为：式中，式中，电阻材料的泊松比电阻材料的泊松比 )21 (RRLL电阻轴向长度的相对变化量成为应变，一般用电阻轴向长度的相对变化量成为应变，一般用

3、表示，表示，即即 ，则电阻的相对变化量可写成：，则电阻的相对变化量可写成：由上式可知，电阻的变化取决于以下两个因素：由上式可知，电阻的变化取决于以下两个因素：（1 1） , ,它是由几何尺寸变化引起的。这种电阻丝在外力它是由几何尺寸变化引起的。这种电阻丝在外力作用下发生机械形变，其电阻值随机发生变化的现象，叫应变效应。作用下发生机械形变，其电阻值随机发生变化的现象，叫应变效应。（2 2） , ,它是由电阻率变化引起的。这种固体受到压力作用后，其它是由电阻率变化引起的。这种固体受到压力作用后，其晶格间距发生变化，电阻率随压力变化的现象成为压阻效应。晶格间距发生变化，电阻率随压力变化的现象成为压阻

4、效应。)21 ( 3.3.2.2 3.3.2.2 电阻应变片电阻应变片（1 1）金属电阻应变片（以应变效应为主）金属电阻应变片（以应变效应为主）（2 2）半导体应变片（以压阻效应为主）半导体应变片（以压阻效应为主）（3 3）薄膜应变片）薄膜应变片A.A.金属电阻应变片金属电阻应变片（丝式、箔式、薄膜式）（丝式、箔式、薄膜式）a.a.种类与结构种类与结构基底的作用：基底的作用：（1 1）支持敏感栅，使它保持一定的几何形状；）支持敏感栅，使它保持一定的几何形状；（2 2）将弹性体的表面应变准确的传送到敏感栅上；）将弹性体的表面应变准确的传送到敏感栅上；（3 3）使敏感栅与弹性体之间相互绝缘。）使敏

5、感栅与弹性体之间相互绝缘。覆盖层的作用：保护敏感栅避免受外界的机械损伤，覆盖层的作用：保护敏感栅避免受外界的机械损伤，并防止环境温度、湿度的侵扰。并防止环境温度、湿度的侵扰。引线用来链接敏感栅和测量仪器。引线用来链接敏感栅和测量仪器。b.b.材质材质材料选择一般应同时兼顾一下几个方面的要求：材料选择一般应同时兼顾一下几个方面的要求：1.1.应变片灵敏系数应变片灵敏系数K K要大，且在较大范围内保持要大，且在较大范围内保持K K为常数；为常数；2.2.电阻温度系数要小，有较好的热稳定性；电阻温度系数要小，有较好的热稳定性；3.3.电阻率和机械强度要高，工艺性能要好，易于加工成细丝及便电阻率和机械

6、强度要高，工艺性能要好，易于加工成细丝及便于焊接等。于焊接等。常用的金属电阻应变片材料有：适用于常用的金属电阻应变片材料有：适用于300300以下的静态测量的以下的静态测量的康铜、铜镍合金；适用于康铜、铜镍合金；适用于45804580以下静态测量或以下静态测量或800800以下动态以下动态测量的镍铬合金和镍铬铝合金。测量的镍铬合金和镍铬铝合金。B B 半导体应变片半导体应变片 用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、用于生产半导体应变片的材料有硅、锗、锑化铟、磷化镓砷化镓等，硅和锗由于压阻效应大，故多作为压磷化镓砷化镓等，硅和锗由于压阻效应大，故多作为压阻式压力计的半导体材料。阻式压力计的

7、半导体材料。 半导体应变片按结构可分为：半导体应变片按结构可分为： 1.1.体型应变片；体型应变片； 2.2.扩散性应变片；扩散性应变片； 3.3.薄膜型应变片。薄膜型应变片。扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片这种应变片是将这种应变片是将 P P型杂质扩散到一个高电阻型杂质扩散到一个高电阻N N型硅基底上，形成一型硅基底上，形成一层极薄的层极薄的P P型导电层型导电层, ,然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成。然后用超声波或热压焊法焊接引线而制成。它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般它的优点是稳定性好，机械滞后和蠕变小，电阻温度系数也比一般体型半导体应变片小一个数量级。

8、缺点是由于存在体型半导体应变片小一个数量级。缺点是由于存在P-NP-N结，当温度结，当温度升高时升高时, ,绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件绝缘电阻大为下降。新型固态压阻式传感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。硅梁和硅杯等就是用扩散法制成的。22 薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上或蓝宝石上制成的。它通过改变真空沉积时衬底的温度层的试件上或蓝宝石上制成的。它通过改变真空沉积时衬底的温度来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。

9、来控制沉积层电阻率的高低，从而控制电阻温度系数和灵敏度系数。因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型因而能制造出适于不同试件材料的温度自补偿薄膜应变片。薄膜型半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了半导体应变片吸收了金属应变片和半导体应变片的优点，并避免了它的缺点，是一种较理想的应变片。它的缺点，是一种较理想的应变片。2 （无基底的半导体应变片）（无基底的半导体应变片）（半导体应变片）（半导体应变片）C C 薄膜应变片薄膜应变片 a a 结构和原理结构和原理1-1-引线；引线；2-2-电极；电极；3-3-敏感膜；敏感膜；4-4-绝缘层；绝缘层；5-5-基片基

10、片 薄膜应变片在外力作用下，一方面材料发生几何形变薄膜应变片在外力作用下，一方面材料发生几何形变引起材料的电阻发生变化；另一方面，因材料晶格变形等引起材料的电阻发生变化；另一方面，因材料晶格变形等因素引起材料的电子自由程发生变化，导致材料的电阻率因素引起材料的电子自由程发生变化，导致材料的电阻率变化，从而使材料的电阻发生变化。变化，从而使材料的电阻发生变化。 与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如下特点：与传统的应变片相比，薄膜应变片具有如下特点： （1）稳定性好。）稳定性好。 （2）使用寿命长。）使用寿命长。 （3）量程大、灵敏度高。）量程大、灵敏度高。 （4）温度系数小。）温度系数小。 （5

11、）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片的工作）工作温度范围宽。多层结构的溅射薄膜应变片的工作温度达到温度达到 -100180 （6）成本低。）成本低。3.3.2.3 3.3.2.3 常用测量电路常用测量电路A A 转换电路转换电路 a a 单臂桥路；单臂桥路； b b 半桥差动电路；半桥差动电路； c c 全桥差动电路；全桥差动电路；a a 单臂桥路单臂桥路04132RRRRURRRRRRRRU)(432141320URRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU)1)(1 ()()(432221224343221413220）（电桥的电压为：电桥的电压为：当无压力信号时，电桥处于初始当无压

12、力信号时，电桥处于初始平衡态，此时有：平衡态，此时有：当有压力信号时应变片发生应变，此时电桥输出电压为：当有压力信号时应变片发生应变，此时电桥输出电压为：UnnRRUKU2220)1 ( URRU2220)n1 (n设桥臂比设桥臂比 ，略去分母中的，略去分母中的 ，并考虑到电桥初，并考虑到电桥初始平衡条件始平衡条件 ，可得，可得21nRR4321RRRR22RR定义电桥电压灵敏度为定义电桥电压灵敏度为K KU U为：为：2204 RRUU222 RR4UKU可知可知n=1n=1时，即时，即R R1 1=R=R2,2,、R R3 3=R=R4 4时，电桥灵敏度最高，实际上多取时，电桥灵敏度最高，

13、实际上多取R R1 1=R=R2 2,=R,=R4 4=R=R4 4，则可得，则可得n=1n=1时单臂工作电桥输出电压为时单臂工作电桥输出电压为此时电桥电压灵敏度此时电桥电压灵敏度K KU U为：为：在上面的分析中，都是假定应变片参数变化很小，可忽略在上面的分析中，都是假定应变片参数变化很小，可忽略 的影响，由此而引进的相对非线性误差为的影响，由此而引进的相对非线性误差为22RRb b 半桥差动电路半桥差动电路若满足若满足R R1 1=R=R2 2、R R1 1= =R R2 2、R R3 3=R=R4 4, ,则可以导出，差动双臂工作电桥则可以导出，差动双臂工作电桥输出电压为输出电压为220

14、2 RRUUc c 全桥差动电路全桥差动电路若满足若满足R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4, , R R1 1= = R R2 2= = R R3 3= = R R4 4, ,则可以导出，差则可以导出，差动双臂工作电桥输出电动双臂工作电桥输出电压为压为220RRUU可见，全桥差动电路的电压灵敏度高，是单臂工作电桥的可见，全桥差动电路的电压灵敏度高，是单臂工作电桥的4 4倍，倍，为半桥差动电路的为半桥差动电路的2 2倍，当负载无穷大时，全桥电路没有非线性倍，当负载无穷大时，全桥电路没有非线性误差。误差。B B 温度补偿温度补偿应变片电阻受环境温度的影响很大，其原因主要有：应变

15、片电阻受环境温度的影响很大，其原因主要有：（1 1）应变片具有一定的温度系数；）应变片具有一定的温度系数；（2 2）应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同。）应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同。为消除误差，可采取多种补偿措为消除误差，可采取多种补偿措施。最常用的方法是电桥补偿法施。最常用的方法是电桥补偿法和热敏电阻补偿法。和热敏电阻补偿法。3.3.2.4 3.3.2.4 性能指标性能指标（1 1）应变片的电阻值）应变片的电阻值(R(R0 0) )。（2 2）灵敏系数（）灵敏系数（K K）。）。 通常把单位应变所引起的电阻相对变化成为应变片通常把单位应变所引起的电阻相对变化成为应变片灵敏系数。目

16、前，各种材料的灵敏系数都是由实验获得灵敏系数。目前，各种材料的灵敏系数都是由实验获得的，其计算公式为：的，其计算公式为：(3)(3)机械滞后。在一定温度下，应变从零到一定值之间变化，机械滞后。在一定温度下，应变从零到一定值之间变化，测出应变片电阻相对变化率，会出加载和卸载的特性曲测出应变片电阻相对变化率，会出加载和卸载的特性曲线，则两条曲线最大的差值称为机械滞后。线，则两条曲线最大的差值称为机械滞后。21RRK（4 4）蠕变和零漂。在一定温度下，粘好的应变片）蠕变和零漂。在一定温度下，粘好的应变片在一定的机械应变长时间作用下，指示应变随时间在一定的机械应变长时间作用下，指示应变随时间的变化称为

17、蠕变。零点漂移是指粘好的应变片在一的变化称为蠕变。零点漂移是指粘好的应变片在一定温度和无机械应变时，指示应变随时间的变化。定温度和无机械应变时，指示应变随时间的变化。注意：二者都是用来衡量应变片的时间稳定性的，但各自工注意：二者都是用来衡量应变片的时间稳定性的，但各自工作条件不同作条件不同（5 5）绝缘电阻。）绝缘电阻。（6 6）最大工作电流。允许通过应变片而不影响其）最大工作电流。允许通过应变片而不影响其 正常工作特性的电流值，称为最大工作电流。正常工作特性的电流值，称为最大工作电流。 3.3.2.5 3.3.2.5 典型电阻式压力计典型电阻式压力计A A 应变片式压力计应变片式压力计应变片

18、压力计优点：结构简单、使用方便、工艺成熟、价格便应变片压力计优点：结构简单、使用方便、工艺成熟、价格便宜、性能稳定可靠、测量速度快、适合静态和动态测量等。宜、性能稳定可靠、测量速度快、适合静态和动态测量等。B B 压阻式压力计压阻式压力计a a 压阻效应压阻效应如果我们沿所需的晶轴方向（压阻效应最大的方向）将半导体切成小条如果我们沿所需的晶轴方向（压阻效应最大的方向）将半导体切成小条制成半导体应变片，让其只沿纵向手里，则作用应力与半导体电阻率的制成半导体应变片，让其只沿纵向手里，则作用应力与半导体电阻率的相对变化关系为相对变化关系为式中式中 半导体应变片的压阻系数，半导体应变片的压阻系数，Pa

19、Pa-1-1; ; 纵向方向所受应力，纵向方向所受应力，PaPa则应变片灵敏系数为：则应变片灵敏系数为：由胡克定律可知：由胡克定律可知：EE则则 ，说明电阻变化率正比于其所受纵向应变。，说明电阻变化率正比于其所受纵向应变。EK21对于半导体应变片，压阻系数对于半导体应变片，压阻系数很大，约为很大，约为5010050100，故半导，故半导体应变片以压阻效应为主，其电阻的相对变化率电阻率的相体应变片以压阻效应为主，其电阻的相对变化率电阻率的相对变化。对变化。b b 结构结构c c 工作原理工作原理硅膜片是各向异性材料，它的压阻效应大小与作用力方向有关，硅膜片是各向异性材料，它的压阻效应大小与作用力方向有关，所以在硅膜片承受外力时，必须同时考虑其纵向（扩散电阻长度所以在硅膜片承受外力时，必须同时考虑其纵向（扩散电阻长度方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）的压阻效应。方向）压阻效应和横向（扩散电阻宽度方向）的压阻效应。设均匀分布在硅膜片上的压力位设均匀分布在硅膜片上的压力位p,则膜片上各点的应力与其半径则膜片上各点的应力与其半径r的关系如下：的关系如下：)31 ()1 (83)3()1 (8322022202rrrhprrhp式中式中 r r,半导