第2章 电阻式传感器打印稿

1、1 电阻式传感器是将非电量非电量的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值电阻值的变化量，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 2.1 金属电阻应变式传感器金属电阻应变式传感器2.2 2.2 半导体应变片及压阻式传感器半导体应变片及压阻式传感器2.3 2.3 电位器式传感器电位器式传感器22.1 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

2、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，量程小，灵敏度较高。v 工作原理：工作原理：基于材料的应变效应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 O 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力等)作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变形变而使其阻值发生变化阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。 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

3、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。SlR 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 SSllRR4/21RRSSllRR/21/RRK 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 应变灵敏系数应变灵敏系数：dlldlldd 单位面积上所承受的附加内力称为应力应力。 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应变。 式中，l / l =称为材料的轴向应变轴向应变；由于S = d 2 / 4，则S / S = 2 d / d, 其中d / d称为径向应变径向

4、应变；且由材料力学知，d / d = ，式中为材料的泊松比泊松比。5 对于金属材料， / 较小，可以略去；且 = 0.20.4（弹性范围），K 1+2 = 1.41.8 ，实际测得K 2.0，说明 / / 项对 K 还是有一定影响。/21/RRKKRR 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4 . 02 . 0dllddldl,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

5、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 / mm2）。 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。 外力外力应力应力变形变形应变应变电阻值变化电阻值变化电压变化电压变化 E二、电阻应变片的工作原理 7三、金属电阻应变片的结构q 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

6、体，这就是电阻丝应变片的基本结构。 1基底基底 2敏感栅敏感栅 3覆盖层覆盖层 4引线，用以和外接导线连接引线，用以和外接导线连接 l敏感栅长度敏感栅长度 b敏感栅的宽度敏感栅的宽度 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丝式、箔箔式式和膜式膜式三种类型。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，有回线式回线式和短接式短接式两种。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 510倍的镀银

7、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) 回线式丝式应变片回线式丝式应变片 b) 短接式丝式应变片短接式丝式应变片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 a单轴单轴 b b测扭矩测扭矩 c c多轴（多轴（应变花应变花） d d平行轴多栅平行轴多栅 e e同轴多栅同轴多栅 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

8、； 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 0.1m 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197317。 112. 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0.020.05mm的环氧树脂、酚醛树脂

9、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 = 0.050.1 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

10、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3. 电桥调平 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： RL，Io = 0功率输出桥：U、I电源端对称 Z1 = Z3 ，Z2 = Z4 输出端对称 Z1 = Z2 ，Z3 = Z4 Z1 = Z2 = Z3 = Z4 电桥电路分类141.

11、直流电桥 (1)平衡条件 直流电桥适合纯电阻电桥，R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL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RL时（IL ），电桥的输出电压Uo应为 433211Bo RRRRRREUUUD当电桥平衡时，电桥平衡时，Uo = 0， Io = 0 ，由上式可得到 或3241RRRR4321RRRR 称为电桥平衡条件（对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等），此时流过负载电阻的电流为0。 4231RRRR15(2)电压灵敏度 A.单臂电桥： 如果在实际测量中，使某一桥臂 （R1）由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电

12、桥则输出不平衡电压的微小变化微小变化。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R1 ，其它桥臂固定不变，则电桥输出电压 Uo0。 设桥臂比 电桥电压灵敏度定义为 3412RRRRn211o1nnERRUSV 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 ，（

13、R1 = R2 ，R3 = R4），电桥电压灵敏度最大。此时电桥电压灵敏度 ESV411111o211141RRRREU 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：v 采用差动电桥 v 提高桥臂比 v 采用高内阻的恒流源电桥 11RR17B.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。 433221111oRRRRRRRRREU半桥差动电路半桥差动电路 若

14、R1=R2，（R=R1R2=2R1）， R1 = R2，R3 = R4，则得 11o21RREU半桥差动电路由上式可知，Uo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，线性误差大大减小，同时可以起到温度补偿的作用。11RRESV2118C. 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全桥差动电桥 11oRREU此时电桥电压灵敏度 全桥差动的灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍全桥差动的灵敏度是单臂

15、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。 ESVR1 = R2 = R3 = R4，R1 = R2 = R3 = R4 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，可适当提高供桥电压 E。但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制。 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。供桥电流为I ，通过各臂

16、的电流为 I1 和 I2，若测量电路输入阻抗较高，则输出电压为 IRRRRRRRRRIRIU432132413211o 若电桥初始处于平衡状态（R1R4 = R2R3），而且R1 = R2 = R3 = R4 = R，当第一桥臂电阻R1变为R1R1时，电桥输出电压为 RRRIIRRRRU411414o比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50%。 202. 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。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 (1)平衡条件 直流电桥只能用于纯电阻电桥，而交

17、流电桥即可用于纯电阻电桥，也可用于非纯电阻电桥，Z1、Z2、Z3、Z4称为电桥的桥臂，ZL为其负载。43213241433211oZZZZZZZZEZZZZZZEU式中Z1，Z2，Z3，Z4为电阻、电感、电容任意组合的复阻抗。21设各桥臂阻抗为 11111jexpjzxrZ22222jexpjzxrZ33333jexpjzxrZ44444jexpjzxrZ式中 r1 r4 和 x1 x4 分别为各桥臂的电阻和电抗；z1 z4 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 3241ZZZZ4321ZZZZ或32413241zzzz2332144132413241xr

18、xrxrxrxxxxrrrr或 交流电桥平衡条件（对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等）。 22(2)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。 11o41ZZEU11o21ZZEU11oZZEU23 为了测量的准确性，在测量的起始点电桥必须调至平衡，称为预调平衡。电桥预调平衡的常用方法有电阻调平法和电容调平法等。 直流电桥一般采用电阻调平法。 由于交流电桥的平衡必须同时满足幅、相平衡两个条件，因此即使在

19、最简单的桥路中也至少有两个桥臂参数是可调的，只有当这两个参数同时达到平衡值，交流电桥才能平衡。 交流电桥一般采用电阻调平法和电容调平法。 3. 电桥调平 24 C3 和 C4 为差动电容，调节 C3 和 C4 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 R5改变AD和CD的阻值比，使电桥满足平衡条件。电阻 R6 决定可调范围， R6 越小，可调范围越大，但测量误差也

20、越大。R5 、R6 通常取相同阻值。电容调平法 （）差动电容法：图(c) 。25五、电阻应变式传感器的应用q 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（如位移、力、压力、加速度等），就需要先将被测量转换成应变，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 齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩 b 飞机机身应力飞机机身应力 c 立柱应力立柱应力 d 桥梁应力桥梁应力 26q 将应变片贴于弹性敏感元件上，组成测量位移、力、压 力、加速度等物理参数的传感器 a) 位移传感器位移传感器 b)

21、 加速度传感器加速度传感器c) 柱式测力传感器柱式测力传感器 d) 扭矩传感器扭矩传感器 e) 筒式压力传感器筒式压力传感器 27 应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。1柱（筒）式力传感器 弹性敏感元件为实心或空心的柱体（筒式）（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 = EF/S 因为S 很大，所以F 也很大，可用来测很大的力。柱式力传感器又称为荷重传感器荷重传感器。 柱式柱式 筒式筒式 电阻应变式力传感器28 汽车衡（地磅称）一般采用荷重传感器（柱式力传感器）。292. 悬臂梁式力传感器特点：特点：结构简单、加工比较容易，应

22、变片粘贴方便，灵敏度较高。用途：用途：小量限测力。 （1）等截面悬臂梁）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、下表面对称位置对称位置上应变大小相等，极性相反，若分别粘贴应变片R1、R4 和R2、R3 ，并接成差动电桥，则电桥输出电压Uo与力F成正比。（2）等强度悬臂梁）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）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双圆孔悬臂梁式承压传感器 S型梁承压传感器型梁承压传感器 31应变传感器

23、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，R1、R3 受拉伸。阻值增加，R2、R4 受压缩，阻值减小，电

24、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 x 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。343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

25、对称性，能够比较好地防止横向力的影响。355轴剪切力传感器（应变片式扭矩传感器） 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应变式数显扭矩扳手 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， R1 、R3 受拉应力，R2、R4 受压应力，便可检测出压缩及拉伸力，即可测出扭矩的大小。 36 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

26、应变片产生正应变。 用于管道及枪（炮）管内压力测量。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R2、R3，在负应变区边缘处沿径向贴两片应变片R1、R4 ，接成全桥差动线路。特点：特点：结构简单、使用可靠。37右图为恒压源供电全桥右图为恒压源供电全桥差动直流电桥典型电路差动直流电桥典型电路基本应用平面膜片式压力计 A1、A2、A3、A4为运放OP07， A1、A2 （同向放大器） 、A3 （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）。521u1RRRRRAfhff A

27、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A4 输出端电压，与A2 的输出相加，加到A3 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38 电阻应变式加速度传感器1-质量块；质量块；2-应变粱；应变粱；3-硅油阻尼液；硅油阻尼液；4-应变片；应变片；5-温度补偿电阻；温度补偿电阻；6-绝缘套管；绝缘套管；7-接线柱；接线柱；8-电缆；电缆；9-压线板；压线板；10-壳体；壳体；11-保护块保护块 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

28、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、桥梁等振动振动加速度加速度的测量。 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。 392.2 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

29、效应压阻效应。 压阻效应：材料的电阻率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。401 应变片应变片 2 半导体敏感条半导体敏感条3 外引线外引线 4 引线连接片引线连接片5 内引线内引线v 体形半导体应变片的结构形状v半导体应变片的制作方法1.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”。2.将P型杂质扩散到N型硅片

30、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”。41优点：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：缺点：温度系数大，测量较大应变时非线性比较严重。v 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。422.2.2 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

31、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）半导体材料的压阻系数）半导体材料的压阻系数 （2）压阻式传感器的组成和工作原理）压阻式传感器的组成和工作原理（3）硅杯的结构与材料）硅杯的结构与材料 （4）扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置）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

32、）压阻式传感器的温度漂移 （6）压阻式传感器的应用）压阻式传感器的应用43（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21RR21RRELLL 沿晶向L的压阻系数（m2N）；沿晶向L的应力（Nm2）； E 半导体材料的弹性模量（Nm2）；轴向应变。半导体材料的应变灵敏系数 ERRKLB如半导体硅，L =(4080)1011 m2N，E = 1.671011Nm2 ，则KB = 50100。远比金属应变片灵敏系数 K = 2 大得多。 44 由于半导体材料的

33、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，即半导体的半导体的压阻效应与晶向有关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。45（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

34、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，接成惠斯通电桥，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扩散型硅压阻式传感器的结构 (b)硅膜片尺寸硅膜片尺寸 (c)应变电阻条排列方式。应变电阻条排列方式。46（3） 硅杯的结构与材料 通常选用

35、通常选用N型硅做膜片，在其上扩散型硅做膜片，在其上扩散P型杂质，形成应变电阻条。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。 011 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。47

36、（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UL，要考虑与负载电阻 RL 的匹配。负载电阻两端电压为 L0oL0LoL11RRURRRUU只有R0 / RL 1时，有 oLUU 所以电桥的等效电阻 R0 应小些，一般取每个扩散电阻值为5003000。 (a)(a)四个扩散电阻条所构成的电桥四个扩散电阻条所构成的电桥 (b)(b)传感器与负载的等效电路传感器与负载的等效电路48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

37、电阻长；b 为扩散电阻宽；RS 为方块电阻。 blRRS 方块电阻 RS 是长与宽都等于 b 的电阻，其阻值用符号表示，RS由扩散杂质表面浓度 NS 和 PN 结深度决定。RS 约为 10800 时，式 l / b 值一般取 50 100。常采用 b = 5 30m。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)(a)胖型电阻条胖型电阻条 (b)(b)瘦型电阻条瘦型电阻条 (c)(c)折曲型电阻条折曲型电阻条49 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

38、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RR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。 50（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零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的温度变化引起的。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

39、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。51（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。 恒流工作测压电路恒流工作测压电路 Dz1（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， R2上电压也为2.5V（集成运放的输出电压

40、为有限值时，输入差模电压趋于0，v v）。mA5 . 1k67. 1V5 . 22I 传感器为需恒流1.5mA驱动的扩散硅绝对压力传感器。52 恒压工作测压电路恒压工作测压电路 TL499A将电池的9V电压提升为15V，经运放A4变为 7.5V， 7.5V作为电桥恒压源， 7.5V并为Rp2供电。53 压力控制电路压力控制电路 须将油压控制在4.05.0MPa范围内，对应A1的输出Uo为3.334.17V。 A2 、A3为电平比较器， 调整RP1 ，使A2的v= 3.33V；调整RP2 ，使A3的v= 4.17V 。Uo 3.33V时， A2输出高电平； Uo 3.33V时， A2输出低电平。

41、Uo 4.17V时， A3输出低电平。A2、A3都为高电平时，油压才正常；油压过低时，A2输出低电平，J1改变状态，报警并可启动油泵加压； A3输出低电平，J2改变状态，报警并可停止油泵加压。54 水深测量仪（投入式液位计）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

42、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。 55 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。 压阻式加速度计压阻式加速度计562.3 电位器式传感器 分类：v 按其特征函数（输入输出关系）：线性线性（函数）电位器式和非线性非线性（函数）电位器式；v 按结构形式：线绕式线绕式和非线绕式非线绕式。用途：主要用于非电量变化较大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

43、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一、线绕式电位器传感器二、非线绕式电位器二、非线绕式电位器三、电位器式传感器的应用三、电位器式传感器的应用57一、线绕式电位器传感器 1. 1. 线绕电位器结构和工作原理线绕电位器结构和工作原理 2. 2. 线绕电位器式传感器的阶梯特性和电压分辨率线绕电位器式传感器的阶梯特性和电压分辨率 3. 3. 非线性线绕电位器结构非线性线绕电位器结构 581. 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：

44、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。59 空载时，负载特性为线性。空载时，负载特性为线性。q 当负载电阻 RL时， IL0，负载特性为非线性。2LLiLLLLiLLo)(xxxxxxxxxxRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU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。SR 、SV 均为常数。改变测量电阻值Rx 所引起输出电压Uo 的变化为线

45、性变化。（Uo 随x线性变化）LRSRLUSiV（1）直线位移型 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Rx 。 q 电位器为空载( RL = )时，IL = 0，对应的电阻变化为 得 RRUUxioxSLxRRRxxSLxUUVioUiLxRLUo60（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：kRSddkR 61 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阶梯特性阶梯特性 当电刷在线圈上移动时，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Uo也不连续变化，而是

46、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，使输出电压产生n次跳动（阶跃）。 nRRx1nmRRxmRRUUxio ii1o1UnRnRUU62小阶跃： 当电刷从 m1 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 n1 匝)，在每一个电压阶跃中产生一次小阶跃Un nUUnmUnmUUUmmiii1oo1 iioUnmRnmRUUmii1o11UnmRnRmUUm其阶跃值为短接时输出电压这个小阶跃电压Un 为i1o11UnmUm mmmUUUo1o1o0111ii1o1oUnmUnmUUUmmn63 线绕的线性电位

47、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。mnUUUUn 随m变化。m越大， Un 越大。643. 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。sin2ioUU sin2DL 有时为了需要，输入量位移 x 和输出电压Uo 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）65（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2kxR 66二、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. 膜式电位器膜式电位器 2. 导电塑料电位器导电塑料电位器 3. 光电电位器光电电位器