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1、第三章 傳感器,能動(dòng)學(xué)院,3.1壓力傳感器,定義：垂直作用在單位面積上的力稱壓力。 壓力的單位是“帕斯卡”，簡(jiǎn)稱“帕”，符號(hào)為“Pa”。 絕對(duì)壓力PJ、大氣壓力PD、表壓力PB 真空度PZ（負(fù)壓） PB= PJ PD 、PZ PD PJ,測(cè)壓儀表的分類：,測(cè)壓儀表,,液柱式壓力計(jì),依據(jù)重力與被測(cè)壓力平衡的原理制成的，可將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度差進(jìn)行測(cè)量,U型管壓力計(jì)、單管壓力計(jì)以及斜管壓力計(jì),彈性式壓力計(jì),依據(jù)彈性力與被測(cè)壓力平衡的原理制成，彈性元件變形的多少反映了被測(cè)壓力的大小。,彈簧管壓力計(jì)、波紋管壓力計(jì)以及膜盒式壓力計(jì),電氣式壓力計(jì),利用一些物質(zhì)與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)進(jìn)行測(cè)壓。,電阻應(yīng)變

2、片式、電容式、壓電式、電感式、霍爾式,活塞式壓力計(jì),根據(jù)水壓機(jī)液體傳送壓力的原理，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成活塞面積上所加平衡砝碼的質(zhì)量。,它普遍地被作為標(biāo)準(zhǔn)儀器用來校驗(yàn)或刻度彈性式壓力計(jì)。,,,,,3.1壓力傳感器,一.電阻式壓力傳感器 將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變化的壓力傳感器。 有：電阻應(yīng)變片式壓力傳感器、壓阻式傳感器 1.電阻應(yīng)變式壓力傳感器 電阻的應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體受機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，稱為“應(yīng)變效應(yīng)” 電阻應(yīng)變式壓力傳感器，通過粘結(jié)在彈性元件上的應(yīng)變片的阻值變化來測(cè)量壓力值的。用于力、扭矩、張力、位移、轉(zhuǎn)角、速度、加速度和振幅等測(cè)量。,,,,,,,3.1壓力傳感器,應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：由應(yīng)變敏感

3、元件、基片和覆蓋層、引出線三部分組成。應(yīng)變敏感元件一般由金屬絲、金屬箔（高電阻系數(shù)材料）組成，它把機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻的變化。基片和覆蓋層起固定和保護(hù)敏感元件、傳遞應(yīng)變和電氣絕緣作用。 金屬箔的厚度通常為0.002 0.008mm。應(yīng)變片厚度小、工 作電流大、壽命長(zhǎng)、易批量生 產(chǎn)，在應(yīng)力測(cè)量中應(yīng)用廣泛。 繞線式應(yīng)變片由一根高電阻系 數(shù)的電阻絲排成柵型，電阻為 60 120。,3.1壓力傳感器,電阻應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 膜片式、筒式、組合式 膜片式適用于低壓測(cè)量；筒式適用于高壓測(cè)量；,3.1壓力傳感器,工作方式：通過不平衡電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)的輸出。 慧斯登電橋

4、半橋：,圖為膜片式應(yīng)變片壓力傳感器，4個(gè)電阻全為工作片，全橋接法： 知：2 4 ,1 3 ， 且 1 3 - 2 - 4 - 則：,3.1壓力傳感器,2.壓阻式壓力傳感器 壓阻效應(yīng):半導(dǎo)體材料在受力時(shí)電阻率發(fā)生變化，這一特 性稱為壓阻效應(yīng)。 (硅、鍺 / 石英片、壓電陶瓷等）。 電阻變化與應(yīng)變值之間的關(guān)系： 式中：靈敏系數(shù) ， -應(yīng)變材料的泊松比 L、-分別為電阻絲的長(zhǎng)度與電阻率,3.1壓力傳感器,硅、鍺等半導(dǎo)體材料組成的元件受到壓縮或拉伸時(shí)，其電阻率隨應(yīng)力( )的變化率 遠(yuǎn)大于一般電阻材料的靈敏系數(shù)，因此，引起半導(dǎo)體材料電阻相對(duì)變化的主要原因是壓阻效應(yīng)：

5、 式中： 壓阻系數(shù)；E彈性摸量； 應(yīng)力； 應(yīng)變 上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)的。 擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅，單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣，而取向是用晶向表示的，所謂晶向就是晶面的法線方向。,3.1壓力傳感器,3.1壓力傳感器,3.1壓力傳感器,優(yōu)點(diǎn)： 靈敏系數(shù)高，k =30 175（而電阻絲其值約在 1.6 3.6 之間)； 機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小及本身體積小。 缺點(diǎn)： 溫度溫度性差：半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)大，且靈敏度系數(shù)隨溫度的變化也相當(dāng)大。 靈敏系數(shù)的非線性度較大：靈敏系數(shù)高，在承受大應(yīng)變作用時(shí)，引起的電阻變化教大，靈敏

6、度系數(shù)失去線性。,3.1壓力傳感器,體形（bulk)半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 是從單晶硅或鍺切下薄片制成，主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，橫向效應(yīng)和機(jī)械之后極??；溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差的多。,3.1壓力傳感器,擴(kuò)散型（diffusion) 壓阻式壓力傳感器 采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變膜片,3.1壓力傳感器,工作原理： 膜片兩邊存在壓差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。 四個(gè)電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r 和切向應(yīng)力 t 分布情況確定。

7、 設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)安排電子的位置，可以組成差點(diǎn)電橋。,3.1壓力傳感器,擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測(cè)出十幾帕德微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，之后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。 測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響，智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)費(fèi)線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償。,3.1壓力傳感器,壓阻式加速度傳感器： 它的懸臂梁直接用單晶硅制成，四個(gè)擴(kuò)散電阻擴(kuò)散在器根部?jī)擅妗?測(cè)量電路： 恒壓源： 輸出電壓與 成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響. 恒流源： 輸出電壓與 成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒有影響.,3.1壓力傳感器,3.1壓力傳

8、感器,測(cè)量橋路及溫度補(bǔ)償 由于制造、溫度等影響因素，電橋存在失調(diào)、靈位飄移、靈敏度溫度系數(shù)和非線性等問題，影響傳感器的準(zhǔn)確性。 減少與補(bǔ)償誤差措施： 恒流源供電電橋； 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償； 靈敏度溫度補(bǔ)償。,3.1壓力傳感器,恒流源供電電橋 為了減少溫度影響,壓阻器件一般采用 恒流源供電.假設(shè)兩個(gè)支路的電阻相等, 即: 故有: 電橋的輸出為:,3.1壓力傳感器,電橋的輸出電壓與電阻變化成正比,與恒流源電流成正比,但與溫度無關(guān),因此測(cè)量不受溫度的影響. 但是壓電器件本身受到溫度影響后,要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移。因此必須采用溫度補(bǔ)償措施。,3.1壓力傳感器,零點(diǎn)溫度漂移 零點(diǎn)溫度漂移是

9、由于四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)的不一致引起的，一般用串、并聯(lián) 電阻法補(bǔ)償。其中RS為串聯(lián)電阻， RP是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起 調(diào)零作用；并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償 作用。,3.1壓力傳感器,由于零點(diǎn)漂移，導(dǎo)致B、D兩點(diǎn)電位不等，如當(dāng)溫度升高時(shí)，R2增加比較大，使D點(diǎn)的電位低于B點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)的電位差即為零點(diǎn)漂移。 可在R2上串聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)為負(fù)、阻值較大的電阻RP，用來約束R2的變化。當(dāng)溫度變化時(shí)，可減少或消除B、D點(diǎn)之間的電位差，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?3.1壓力傳感器,靈敏度溫度補(bǔ)償 靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度變化而引起的。溫度升高時(shí)，壓阻系數(shù)變?。粶囟冉档蜁r(shí)，壓阻系數(shù)變大。說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。 補(bǔ)償靈敏度溫漂可采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。溫度升高時(shí)，因?yàn)殪`敏度降低，這時(shí)如果提高電橋的電源電壓，使電橋的輸出適當(dāng)增大，便可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。反之，溫度降低時(shí)，靈敏度升高，如果使電源電壓降低，電橋的輸出適當(dāng)減小，同樣可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?3.1壓力傳感器,圖為二極管PN結(jié)的溫度特性為負(fù)值，溫度每升高1時(shí)，正向壓降約減小1.92.5mV。將適當(dāng)數(shù)量的二極管串聯(lián)在電橋的電源回路中。電源采用 恒壓源，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極 管的正向壓降減小，于是電橋 的橋壓增加，使其輸出增大。 只要計(jì)算出所需二極管的個(gè)數(shù)， 將其串如入電橋電源回路，便 可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?謝謝！,