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博九压阻应变片式压力传感器详解

发布日期:2020-11-07 12:17

  压阻应变片式压力传感器详解_机械/仪表_工程科技_专业资料。第三章 传感器 能动学院 3.1 压力传感器 ? 定义:垂直作用在单位面积上的力称压力。 压力的单位是“帕斯卡”,简称“帕”,符号为 “Pa”。 1P a ? 1 N / m 2 ?1

  第三章 传感器 能动学院 3.1 压力传感器 ? 定义:垂直作用在单位面积上的力称压力。 压力的单位是“帕斯卡”,简称“帕”,符号为 “Pa”。 1P a ? 1 N / m 2 ?1 kgm m s 2 2 ? 1k g m s ?1 ? 绝对压力PJ、大气压力PD、表压力PB 真空度PZ(负压) PB= PJ -PD 、 PZ= PD- PJ ?测压仪表的分类: 液柱式压力计 依据重力与被测压力平衡的原理制成的,可将 被测压力转换为液柱的高度差进行测量 U型管压力计、单管压力计以及斜管压力计 依据弹性力与被测压力平衡的原理制成,弹性 元件变形的多少反映了被测压力的大小。 弹簧管压力计、波纹管压力计以及膜盒式压力计 弹性式压力计 测压仪表 利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压。 电气式压力计 电阻应变片式、电容式、压电式、电感式、霍 尔式 根据水压机液体传送压力的原理,将被测压力 转换成活塞面积上所加平衡砝码的质量。 活塞式压力计 它普遍地被作为标准仪器用来校验或刻度弹性 式压力计。 3.1压力传感器 一.电阻式压力传感器 将压力信号转换成电阻的变化的压力传感器。 有:电阻应变片式压力传感器、压阻式传感器 1.电阻应变式压力传感器 ? 电阻的应变效应:导体受机械变形时,其电阻值发生变化,称为 “应变效应” 电阻应变式压力传感器,通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化 来测量压力值的。用于力、扭矩、张力、位移、转角、速度、加速度 和振幅等测量。 3.1压力传感器 ? 应变片结构:由应变敏感元件、基片和覆盖层、引出线三部分组成。应 变敏感元件一般由金属丝、金属箔(高电阻系数材料)组成,它把机械应 变转化成电阻的变化。基片和覆盖层起固定和保护敏感元件、传递应变和 电气绝缘作用。 金属箔的厚度通常为0.002~ 0.008mm。应变片厚度小、工 作电流大、寿命长、易批量生 产,在应力测量中应用广泛。 绕线式应变片由一根高电阻系 数的电阻丝排成栅型,电阻为 60 ~120Ω。 3.1压力传感器 ? 电阻应变式压力传感器结构 膜片式、筒式、组合式 膜片式适用于低压测量;筒式适用于高压测量; 3.1压力传感器 ? 工作方式:通过不平衡电桥把电阻的变化转换成电流或电压信号的输 出。 → 慧斯登电桥半桥: 3.1压力传感器 ? 图为膜片式应变片压力传感器,4个电阻全为工作片,全桥 接法: ,ε1= ε3 , 且 ε1= ε3 =- ε2 = - ε4 = - ε 则: 知:ε2= ε4 3.1压力传感器 2.压阻式压力传感器 ? 压阻效应:半导体材料在受力时电阻率发生变化,这一特 性称为压阻 效应。 (硅、博九锗 / 石英片、压电陶瓷等)。 ? 电阻变化与应变值之间的关系: 式中:灵敏系数 , μ-应变材料的泊松比 L、ρ-分别为电阻丝的长度与电阻率 3.1压力传感器 ? 硅、锗等半导体材料组成的元件受到压缩或拉伸时,其电阻率ρ随应力 ( ? ? dL L )的变化率 d? / ? dL / L 远大于一般电阻材料的灵敏系数,因此,引 起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应: 式中: ? —压阻系数;E—弹性摸量;σ —应力; ? —应变 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应的。 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅,单晶硅是各向异性材 料,取向不同其特性不一样,而取向是用晶向表示的,所谓晶向就是晶 面的法线压力传感器 ? 优点: 灵敏系数高,k =30~ 175(而电阻丝其值约在 之间); 机械滞后小、横向效应小及本身体积小。 1.6~ 3.6 ? 缺点: 温度温度性差:半导体材料的电阻温度系数大,且灵敏度系 数随温度的变化也相当大。 灵敏系数的非线性度较大:灵敏系数高,在承受大应变作用 时,引起的电阻变化教大,灵敏度系数失去线压力传感器 ? 体形(bulk)半导体电阻应变片 ? 是从单晶硅或锗切下薄片制成,主要优点是灵敏系数大,横 向效应和机械之后极小;温度稳定性和线性度比金属电阻应 变片差的多。 3.1压力传感器 ? 扩散型(diffusion) 压阻式压力传感器 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 导体电阻应变膜片 3.1压力传感器 ? 工作原理: 膜片两边存在压差时,膜片产生变形,膜片上各点产生应力。四个电阻 在应力作用下,阻值发生变化,电桥失去平衡,输出相应的电压,电压 与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置: 按膜片上径向应力σr 和切向应力 σt 分布情况确定。 设计时适当安排电子的位置,可以组成差点电桥。 3.1压力传感器 扩散型压阻式压力传感器特点: ? 优点:体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度 高,能测出十几帕德微压,长期稳定性好,之后和蠕变 小,频率响应高,便于生产,成本低。 ? 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费线性和温度进行补偿。 3.1压力传感器 ? 压阻式加速度传感器: 它的悬臂梁直接用单晶硅制成,四个扩散电阻扩散在器根 部两面。 3.1压力传感器 ? 测量电路: 恒压源: 输出电压与 ? R / R 成正比,输出电压受环境温度的影响. 恒流源: 输出电压与? R 成正比,环境温度的变化对其没有影响. 3.1压力传感器 测量桥路及温度补偿 ? 由于制造、温度等影响因素,电桥存在失调、灵位飘移、 灵敏度温度系数和非线性等问题,影响传感器的准确性。 ? 减少与补偿误差措施: ① 恒流源供电电桥; ② 零点温度补偿; ③ 灵敏度温度补偿。 3.1压力传感器 ? 恒流源供电电桥 为了减少温度影响,压阻器件一般采用 恒流源供电.假设两个支路的电阻相等, 即: R A B C ? R A D C ? 2 ? R ? ? RT ? 故有: 电桥的输出为: 3.1压力传感器 U 0 ? I?R 电桥的输出电压与电阻变化成正比,与恒流源电流成正 比,但与温度无关,因此测量不受温度的影响. 但是压电器件本身受到温度影响后,要产生零点温度漂 移和灵敏度温度漂移。因此必须采用温度补偿措施。 3.1压力传感器 ①零点温度漂移 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数的 不一致引起的,一般用串、并联 电阻法补偿。其中RS为串联电阻, RP是并联电阻。串联电阻主要起 调零作用;并联电阻主要起补偿 作用。 3.1压力传感器 由于零点漂移,导致B、D两点电位不等,如当温度升 高时,R2增加比较大,使D点的电位低于B点,B、D两点的 电位差即为零点漂移。 可在R2上串联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP, 用来约束R2的变化。当温度变化时,可减少或消除B、D点 之间的电位差,达到补偿的目的。 3.1压力传感器 ②灵敏度温度补偿 灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。 温度升高时,压阻系数变小;温度降低时,压阻系数变大。 说明传感器的灵敏度系数为负值。 补偿灵敏度温漂可采用在电源回路中串联二极管的方法。 温度升高时,因为灵敏度降低,这时如果提高电桥的电源电 压,使电桥的输出适当增大,便可以达到补偿的目的。反之, 温度降低时,灵敏度升高,如果使电源电压降低,电桥的输 出适当减小,同样可达到补偿的目的。 3.1压力传感器 图为二极管PN结的温度特性为负值,温度每升高1℃时, 正向压降约减小1.9~2.5mV。将适当数量的二极管串联在 电桥的电源回路中。电源采用 恒压源,当温度升高时,二极 管的正向压降减小,于是电桥 的桥压增加,使其输出增大。 只要计算出所需二极管的个数, 将其串如入电桥电源回路,便 可以达到补偿的目的。 谢谢!

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