北航传感器原理5

1、传感器技术及应用传感器技术及应用几种几种典型的模拟式典型的模拟式传感器传感器( (四四) )李成李成2013.05.142013.05.14 思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )1.1.应变式传感器的工作原理应变式传感器的工作原理? ?特点？特点？课程回顾：课程回顾：回答回答要点要点：从从效应的形成机制、温度特性、横向效应考虑效应的形成机制、温度特性、横向效应考虑。优点？优点？不足？不足？School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典

2、型的模拟式传感器) )2 2. .应变式传感器的主要误差来源？如何抑制？应变式传感器的主要误差来源？如何抑制？课程回顾：课程回顾：回答回答要点要点：横向效应横向效应、温度特性温度特性思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )3.3.简述图示传感器的工作原理（简述图示传感器的工作原理（6 6分），并画出传感分），并画出传感器的检测电路（器的检测电路（9 9分）？分）？可能的测量误差？（可能的测量误差？（6 6分）分）课程回顾：课程回顾：回答回答要点要点：集中力的位置、应变片的位置：集中力的位置、应变片的位置思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟

3、式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )4 4. .图示图示为某工程师给出的一传感器原理示意图。为某工程师给出的一传感器原理示意图。(1) (1) 该该图有问题吗？若有请改正图有问题吗？若有请改正(5(5分分) )。(2) (2) 用框图表述其工作用框图表述其工作原理原理(10(10分分) )。课程回顾：课程回顾：思考题思考题( (第第4 4讲：几种典型的模拟式传感器讲：几种典型的模拟式传感器) )5.5.电桥调理输出需要考虑的几种误差电桥调理输出需要考虑的几种误差？课程回顾：课程回顾：回答回答要点要点：零点、非线性、温度：零点、非线性、温度School of Instru. Sci. &am

4、p; Opto-electro. Eng.4.3 4.3 应变式传感器应变式传感器4.3.1 4.3.1 应变式变换原理应变式变换原理4.3.2 4.3.2 金属应变片金属应变片4.3.3 4.3.3 应变片的动态响应特性应变片的动态响应特性4.3.4 4.3.4 应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿4.3.5 4.3.5 电桥原理电桥原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 应变式力传感器应变式力传感器n 应变式加速度传感器应变式加速度传感器n 应变式压力传感器应变式压力传感器n 应变式位移传感器应变式位移传感器n 应变

5、式转矩传感器应变式转矩传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 应变式力传感器应变式力传感器u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器u 梁式测力传感器梁式测力传感器u 环式测力传感器环式测力传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 School of

6、Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1) 敏感结构敏感结构Fzyx电阻应变片圆柱体：圆柱体：一端固支（非直接施力端）一端固支（非直接施力端）一端自由（直接施力端）一端自由（直接施力端）典型的应变式传感器典型的应变式传感器 工作机理工作机理 圆柱体的应变圆柱体的应变电阻应变片的电阻相对变化电阻应变片的电阻相对变化电桥的电压输出电桥的电压输出School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器应变式力传感器应变式力传感器

7、(1)(1) 应变应变片贴附片贴附Fzyx电阻应变片典型的应变式传感器典型的应变式传感器1.圆柱体轴向就是最大正应变处2.圆柱体的环向即为最大负应变处3.贴片时，在轴向贴两片应变片，在 环向贴另两片应变片，可获得最大的灵敏度School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.Fzyx电阻应变片u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 特性方程特性方程EAFzEAF141RRRR1zK FRRKREA 232RRRR2zKFRRKREA 典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)School of Instru. Sci. &a

8、mp; Opto-electro. Eng.Fzyx电阻应变片u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 特性方程特性方程in433211outURRRRRRU121inKFEAUKF典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.Fzyx电阻应变片u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器out0out0outLUUU121KFEAKF 测量误差测量误差 非线性误差非线性误差典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)School of Instru. Sci

9、. & Opto-electro. Eng.u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 测量误差测量误差Fzyx电阻应变片横向力的影响？横向力的影响？p 测量误差测量误差p 不稳定工作不稳定工作有可能形成弯曲变形有可能形成弯曲变形LFy典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.yx电 阻应变片连线承弯膜片承弯膜片电 阻应变片承弯膜片承弯膜片 典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 改进措施改进措施Sc

10、hool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 改进措施改进措施多应变片应用方式多应变片应用方式典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)弹性弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对构成差动对, ,且处于对臂位置，以减小弯矩的影响且处于对臂位置，以减小弯矩的影响 。横向粘贴。横向粘贴的应变片具有温度的应

11、变片具有温度补偿作用。补偿作用。 （差动电桥）（差动电桥）School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器 应用特点应用特点Fzyx电阻应变片测大力值测大力值灵敏度低灵敏度低精度稍差精度稍差成本较低成本较低典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(1)(1)School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.应变式荷重应变式荷重传感器外传感器外形形及应变及应变片粘贴片粘贴位置位置FR1R2 R4典典型型应用应用衡衡 器器典型的应变式传感器典型的应变式传

12、感器u 圆柱式力传感器圆柱式力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 梁式测力传感器梁式测力传感器p 基于悬臂梁基于悬臂梁p 基于剪切梁基于剪切梁p 基于基于 S 型梁型梁p 双端固支梁双端固支梁典型的应变式传感器典型的应变式传感器应变式力传感器应变式力传感器(2)(2)School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.F等截面梁ox等截面梁FxLEbhFxx26)(典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器School of Instru. Sci. & Opto-e

13、lectro. Eng.F等截面梁ox26)(EbhFLxRRRRRR4126EbhKRFLKRRRRRRRR322ininout6EbhUKFLURRURxLEbhFxx26)(典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.2ininout6EbhUKFLURRURxLEbhFxx26)(F等截面梁ox典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器 School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.F等强度梁xoxLEbhFxx26)(F等截面

14、梁ox206)(hEbFLxx典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.206)(hEbFLxx ：作用力到：作用力到 根部的距离根部的距离L等强度梁FF等强度梁 典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.双连孔型圆孔型双连孔型剪切梁形典型的应变式传感器典型的应变式传感器力传感器力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.Schoo

15、l of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 敏感结构敏感结构悬臂梁：悬臂梁：一端固支（非直接施力端）一端固支（非直接施力端）一端自由（直接施力端，一端自由（直接施力端， 通过敏感质量）通过敏感质量）n 应变式加速度传感器应变式加速度传感器a梁x xx典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro.

16、 Eng. 工作机理工作机理 悬臂梁的应变悬臂梁的应变电阻应变片的电阻相对变化电阻应变片的电阻相对变化电桥的电压输出电桥的电压输出n 应变式加速度传感器应变式加速度传感器a梁x xx典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 特性方程特性方程maEbhxLFEbhxLxax2266)(RRRR41RRRR32Ra梁x xx要考虑积分的平均效果要考虑积分的平均效果n 应变式加速度传感器应变式加速度传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-el

17、ectro. Eng. 特性方程特性方程RRUUinoutaxxLEbhKmU26122ina梁x xxn 应变式加速度传感器应变式加速度传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 典型应用典型应用n 应变式加速度传感器应变式加速度传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器测小量值测小量值灵敏度高灵敏度高精度适中精度适中成本不高成本不高应用广泛应用广泛 应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片在在低频（低频（1060Hz）振动测量中得到广泛的应用）振动测量中得到广泛的应用

18、, 不适于不适于频率较频率较高的振动和冲击。高的振动和冲击。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 应变式压力传感器应变式压力传感器u 平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器u 圆柱形应变筒式压力传感器圆柱形应变筒式压力传感器u 非粘贴式非粘贴式( (张丝式张丝式) )应变压力传感器应变压力传感器 典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.u 平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器应变式压力传感器应变式压力传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器Sch

19、ool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.插头座 螺盖 外壳 垫圈 膜片环氧树脂 后盖膜片接线板应变式压力传感器应变式压力传感器典型的应变式传感器典型的应变式传感器u 平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器利用已有知识，给出利用已有知识，给出“四臂受感四臂受感”检测方式，应变元件的设计方案检测方式，应变元件的设计方案School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 应变式转矩传感器应变式转矩传感器。典型的应变式传感器典型的应变式传感器School of Instru. Sci. & Opto-e

20、lectro. Eng.电子汽车电子汽车衡衡应变电测原理称应变电测原理称重重典型的应变式传感器（应用）典型的应变式传感器（应用）School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手典型的应变式传感器（应用）典型的应变式传感器（应用）School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 典型的应变式传感器（应用）典型的应变式传感器（应用）School of Instru. Sci. & Opto

21、-electro. Eng.4.3.1 4.3.1 应变式变换原理应变式变换原理4.3.2 4.3.2 金属应变片金属应变片4.3.3 4.3.3 应变片的动态响应特性应变片的动态响应特性4.3.4 4.3.4 应变片的温度误差及其补偿应变片的温度误差及其补偿4.3.5 4.3.5 电桥原理电桥原理4.3.6 4.3.6 典型的应变式传感器典型的应变式传感器4.3 4.3 应变式传感器应变式传感器( (小结小结) )作作 业：业：P153P153，5.1-5.35.1-5.3，5.20-5.235.20-5.23 预预 习习第第6 6章章 压阻式传感器压阻式传感器School of Instr

22、u. Sci. & Opto-electro. Eng.课课 程程 内内 容容School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.1 4.1 概概 述述4.2 4.2 电位器式传感器电位器式传感器4.3 4.3 应变式传感器应变式传感器4.5 4.5 热电式传感器热电式传感器4.6 4.6 电容式传感器电容式传感器4.7 4.7 变磁路传感器变磁路传感器4.8 4.8 压电式传感器压电式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.4 4.4 压阻式传感器压阻式传感器4.4.1 4.

23、4.1 压阻式变换原理压阻式变换原理4.4.2 4.4.2 扩散电阻的阻值与几何参数的确定扩散电阻的阻值与几何参数的确定4.4.3 4.4.3 压阻式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿4.4.4 4.4.4 典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.压阻式变换原理压阻式变换原理n沿某一固体某一轴向施加一定外力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生明显变化，而使阻值发生变化，这种现象被称为压阻效应。 半导体材料的压阻效应特别强。由于由于微电子技术的进步，四个应变微电子技术的进步，四个应变电阻

24、的一致性可做的很高，加之计电阻的一致性可做的很高，加之计算机自动补偿技术的进步，目前算机自动补偿技术的进步，目前硅硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系压阻传感器的零位与灵敏度温度系数已可达数已可达1010-5-5/数量级数量级, ,即在压力传即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水平。式传感器的水平。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应压阻式变换原理压阻式变换原理金属材料 半导体材料 llEell半导体电阻率 l为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及

25、应力方向与晶轴方向之间的夹角有关；E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。 )21(RR)21(ERRlSchool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 半导体材料的压阻效应半导体材料的压阻效应压阻式变换原理压阻式变换原理对半导体材料而言，l E (1+2)，故(1+2)项可以忽略llERR 半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可半导体单晶的应变灵敏系数可表示为：表示为： ERRKl/对于半导体的应变灵敏系数，不同类型的半导体，应力施加的方向对于半导体的应变灵敏系数，不同类型的半

26、导体，应力施加的方向不同，压阻效应也不同。目前使用最多的是单晶硅半导体不同，压阻效应也不同。目前使用最多的是单晶硅半导体。KK半导体应变半导体应变片灵敏系数。片灵敏系数。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 半导体材料应变片的特性半导体材料应变片的特性压阻式变换原理压阻式变换原理120120140140100100808060604040202010101818101019191010202010102121表面杂质浓度表面杂质浓度N NS S /cm /cm-3-3P P型型Si(Si(4444) )N N型型Si(-Si(-111

27、1) )1111或或 44 44 / / 1010-11-11m m2 2/N/NT T=24=24压阻系数与表面杂质浓度压阻系数与表面杂质浓度N NS S的关系的关系 扩散扩散杂质浓度杂质浓度N NS S增加时，增加时，压阻系数就会减小。压阻压阻系数就会减小。压阻系数与杂质浓度系数与杂质浓度N NS S的关系的关系如右图如右图。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 半导体材料应变片的特性半导体材料应变片的特性压阻式变换原理压阻式变换原理 温度增加，压阻系数下降温度增加，压阻系数下降。但。但表面杂质浓度低时表面杂质浓度低时, ,温度增

28、加，压阻温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢慢P P型型Si(Si(4444) )N N型型Si(-Si(-1111) )School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n灵敏度高灵敏度高: :硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高5050100100倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊倍，故相应的传感器灵敏度很高。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。要求，应用成本相应较低。n分辨率高分辨率高: :由于它是

29、一种非机械结构传感器，因而分辨率由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高。极高。 n体积小、重量轻、频率响应高体积小、重量轻、频率响应高: :由于芯体采用集成工艺，由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯片加上硅极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用极高的弹性系数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，时，动态精度高，使用频带宽，合理选择设计传感器外型，使用带宽可以从零频至使用带宽可以从零频至100100千赫兹。千赫兹。n温度误差大温度误差大: : 须温度补

30、偿、恒温须温度补偿、恒温使用使用n主要主要用于测量压力、加速度和载荷等参数用于测量压力、加速度和载荷等参数。n 特点特点压阻式变换原理压阻式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.体型压力传感器体型压力传感器：半导体应变式半导体应变式固态压阻式传感器固态压阻式传感器（扩散（扩散型压阻传感器）型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化应变电阻与硅基片一体化n 压阻压阻式传感器分类式传感器分类压阻式变换原理压阻式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.主要优点是灵敏系数比金属电阻

31、应变片灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 n 压阻压阻式传感器分类式传感器分类压阻式变换原理压阻式变换原理(1)(1)体型压力传感器体型压力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 压阻压阻式传感器分类式传感器分类压阻式变换原理压阻式变换原理扩散扩散型压力传感器型压力传感器压阻式压力传感器结构简图压阻式压力传感器结构简图11低压腔低压腔 22高压腔高压腔 33硅杯硅杯 44引线引线 55硅膜片硅膜片采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 School of

32、 Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。n不足：测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。 n 扩散型扩散型压阻式压阻式压力传感器的特点压力传感器的特点压阻式变换原理压阻式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 压阻系数压阻系数yyxxKKRRnnaaRR纵向压阻系数纵向压阻系数横向压阻系数横向压阻系数纵向应力纵向

33、应力横向应力横向应力压阻式变换原理压阻式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.压阻系数矩阵压阻系数矩阵 654321T 654321T 6622211211. 66444444111212121112121211n 压阻系数压阻系数压阻式变换原理压阻式变换原理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.4 4.4 压阻式传感器压阻式传感器4.4.1 4.4.1 压阻式变换原理压阻式变换原理4.4.2 4.4.2 扩散电阻的阻值与几何参数的确定扩散电阻的阻值与几何参数的确定4.4

34、.3 4.4.3 压阻式传感器温度漂移的补偿压阻式传感器温度漂移的补偿4.4.4 4.4.4 典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器n由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。n减少与补偿误差措施减少与补偿误差措施 1. 1. 测量电桥测量电桥 2. 2. 零点温度补偿零点温度补偿 3. 3. 灵敏度温度补偿灵敏度温度补偿School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 压阻式压力传感器压阻式压力传感器 敏感结构敏感结构高压腔引线硅膜片低压腔硅杯：周边：周边固支圆膜片固支圆膜片典型的压阻式传

35、感器典型的压阻式传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.高压腔引线硅膜片低压腔硅杯：周边固支圆膜片应力周边固支圆膜片应力压敏电阻的变化压敏电阻的变化电桥输出电桥输出p 框图？框图？压敏电阻的变化压敏电阻的变化典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器n 压阻式压力传感器压阻式压力传感器工作机理工作机理School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng. 特性方程特性方程2223183rRHpr22231183rRHprpRHpP P型硅型硅(001)(001)面内面内2sin21244a2sin21

36、244n典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器n 压阻式压力传感器压阻式压力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.rpRHpP P型硅型硅(001)(001)面内面内rannnaarRR 2sin81322442Hpr选取选取nrarnannaaRR 2sin81322442Hpr选取选取rna径向径向环向环向典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器 特性方程特性方程n 压阻式压力传感器压阻式压力传感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.rRR 2442813Hpr RR2442813Hpr inoutRp UURR T 典型的压阻式传感器典型的压阻式传感器 特性方程特