《力傳感器》PPT課件.ppt

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1、1 第 二 章 力 傳 感 器 l應(yīng) 變 式 傳 感 器l電 感 式 傳 感 器l電 容 式 傳 感 器l壓 電 式 傳 感 器力 傳 感 器 指 對(duì) 力 學(xué) 量 敏 感 的 一 類(lèi) 器 件 或 裝 置 。 2 l金 屬 應(yīng) 變 片 式 傳 感 器n金 屬 絲 式 應(yīng) 變 片n金 屬 箔 式 應(yīng) 變 片n測(cè) 量 電 路n應(yīng) 變 式 傳 感 器 應(yīng) 用l壓 阻 式 傳 感 器n壓 阻 效 應(yīng)n晶 向 、 晶 面 的 表 示 方 法n壓 阻 器 件第 一 節(jié) 應(yīng) 變 式 傳 感 器 3 優(yōu) 點(diǎn) ： 精 度 高 ， 測(cè) 量 范 圍 廣 頻 率 響 應(yīng) 特 性 較 好 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 尺 寸 小

2、， 重 量 輕 可 在 高 (低 )溫 、 高 速 、 高 壓 、 強(qiáng) 烈 振 動(dòng) 、 強(qiáng) 磁 場(chǎng) 及 核 輻 射 和 化 學(xué) 腐 蝕 等 惡 劣 條 件 下 正 常 工 作 易 于 實(shí) 現(xiàn) 小 型 化 、 固 態(tài) 化 價(jià) 格 低 廉 ， 品 種 多 樣 ， 便 于 選 擇一 、 金 屬 應(yīng) 變 片 式 傳 感 器核 心 元 件 ： 金 屬 應(yīng) 變 片作 用 ： 將 試 件 上 的 應(yīng) 變 變 化 轉(zhuǎn) 換 成 電 阻 變 化 。 缺 點(diǎn) ： 具 有 非 線 性 ， 輸 出 信 號(hào) 微 弱 ， 抗 干 擾 能 力 較 差 ，因 此 信 號(hào) 線 需 要 采 取 屏 蔽 措 施 ； 只 能 測(cè) 量

3、一 點(diǎn) 或 應(yīng) 變柵 范 圍 內(nèi) 的 平 均 應(yīng) 變 ， 不 能 顯 示 應(yīng) 力 場(chǎng) 中 應(yīng) 力 梯 度 的變 化 等 ； 不 能 用 于 過(guò) 高 溫 度 場(chǎng) 合 下 的 測(cè) 量 。 4 各 種 電 子 秤廣 泛 應(yīng) 用 于 5 高精度電子汽車(chē)衡 動(dòng) 態(tài) 電 子 秤 電 子 天 平 6機(jī) 械 秤 包 裝 機(jī) 吊 秤 7 (一 ) 金 屬 絲 式 應(yīng) 變 片1、 應(yīng) 變 效 應(yīng)定 義 ： 當(dāng) 金 屬 絲 在 外 力 作 用 下 發(fā) 生 機(jī) 械 變 形 時(shí) ， 其 電 阻值 將 發(fā) 生 變 化 。 設(shè) 有 一 根 長(zhǎng) 度 為 l、 截 面 積 為 S、 電 阻 率 為 的 金 屬 絲， 其 電 阻

4、 R為 兩 邊 取 對(duì) 數(shù) ， 得等 式 兩 邊 取 微 分 ， 得 SlR SlR lnlnlnln SdSldldRdR 8 dr/r為 金 屬 絲 半 徑 的 相 對(duì) 變 化 ， 即 徑 向 應(yīng) 變 為 r。S= r 2 dS /S=2dr/rr= 由 材 料 力 學(xué) 知將 微 分 dR、 d改 寫(xiě) 成 增 量 R、 ， 則 )1()21( dldldRdR SKllllRR )/21(金 屬 絲 電 阻 的 相 對(duì) 變 化 與 金 屬 絲 的 伸 長(zhǎng) 或 縮 短 之 間 存在 比 例 關(guān) 系 。 比 例 系 數(shù) KS稱(chēng) 為 金 屬 絲 的 應(yīng) 變 靈 敏 系 數(shù) 。 9 物 理 意 義

5、 ： 單 位 應(yīng) 變 引 起 的 電 阻 相 對(duì) 變 化 。KS由 兩 部 分 組 成 ：前 一 部 分 （ 1+2） ： 由 材 料 的 幾 何 尺 寸 變 化 引 起 ， 一 般金 屬 0.3， 因 此 （ 1+2） 1.6；后 一 部 分 ： 電 阻 率 隨 應(yīng) 變 而 引 起 的 （ 稱(chēng) “ 壓 阻效 應(yīng) ” ） 。對(duì) 金 屬 材 料 ， 以 前 者 為 主 ， 則 KS 1+2；對(duì) 半 導(dǎo) 體 ， KS值 主 要 由 電 阻 率 相 對(duì) 變 化 所 決 定 。實(shí) 驗(yàn) 表 明 ， 在 金 屬 絲 拉 伸 比 例 極 限 內(nèi) ， 電 阻 相 對(duì) 變 化 與軸 向 應(yīng) 變 成 正 比 。

6、通 常 K S在 1.8 3.6范 圍 內(nèi) 。ll/ SKllllRR )/21( 10電 阻 應(yīng) 變 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 2、 應(yīng) 變 片 的 結(jié) 構(gòu) 與 材 料 bl柵 長(zhǎng) 柵 寬組 成 ： 敏 感 柵 、 基 底 、 蓋 片 、 引 線 和 粘 結(jié) 劑 。 11注 意 ： K是 在 試 件 受 一 維 應(yīng) 力 作 用 ， 應(yīng) 變 片 的 軸 向 與主 應(yīng) 力 方 向 一 致 ， 且 試 件 材 料 的 泊 松 比 為 0.285的 鋼 材時(shí) 測(cè) 得 的 。 測(cè) 量 結(jié) 果 表 明 ， 應(yīng) 變 片 的 靈 敏 系 數(shù) K恒 小于 線 材 的 靈 敏 系 數(shù) KS。KRR RRK 3、

7、主 要 特 性（ 1） 靈 敏 度 系 數(shù)當(dāng) 金 屬 絲 做 成 應(yīng) 變 片 后 ， 其 電 阻 應(yīng) 變 特 性 ， 與 金 屬 單絲 情 況 不 同 。 因 此 ， 須 用 實(shí) 驗(yàn) 方 法 對(duì) 應(yīng) 變 片 的 電 阻 應(yīng)變 特 性 重 新 測(cè) 定 。 實(shí) 驗(yàn) 表 明 ， 金 屬 應(yīng) 變 片 的 電 阻 相 對(duì) 變化 與 應(yīng) 變 在 很 寬 的 范 圍 內(nèi) 均 為 線 性 關(guān) 系 。 即原 因 ： 膠 層 傳 遞 變 形 失 真 ， 橫 向 效 應(yīng) 。K為 金 屬 應(yīng) 變 片 的 靈 敏 系 數(shù) 12 橫 向 效 應(yīng) ： 金 屬 應(yīng) 變 片 由 于 敏 感 柵 的 兩 端 為 半 圓 弧 形的

8、 橫 柵 ， 測(cè) 量 應(yīng) 變 時(shí) ， 構(gòu) 件 的 軸 向 應(yīng) 變 使 敏 感 柵 電 阻發(fā) 生 變 化 ， 其 橫 向 應(yīng) 變 r也 將 使 敏 感 柵 半 圓 弧 部 分 的 電阻 發(fā) 生 變 化 (除 了 起 作 用 外 )， 應(yīng) 變 片 的 這 種 既 受 軸 向應(yīng) 變 影 響 ， 又 受 橫 向 應(yīng) 變 影 響 而 引 起 電 阻 變 化 的 現(xiàn) 象 。（ 2） 橫 向 效 應(yīng) 13 定 義 ： 應(yīng) 變 片 粘 貼 在 被 測(cè) 試 件 上 ， 當(dāng) 溫 度 恒 定 時(shí) ， 其 加載 特 性 與 卸 載 特 性 不 重 合 ， 即 為 機(jī) 械 滯 后 。 1 機(jī) 械 應(yīng) 變 卸 載加 載指

9、示應(yīng)變i 應(yīng) 變 片 的 機(jī) 械 滯 后 機(jī) 械 滯 后 值 還 與 應(yīng) 變片 所 承 受 的 應(yīng) 變 量 有 關(guān) ，加 載 時(shí) 的 機(jī) 械 應(yīng) 變 愈 大 ，卸 載 時(shí) 的 滯 后 也 愈 大 。 所以 ， 通 常 在 實(shí) 驗(yàn) 之 前 應(yīng) 將試 件 預(yù) 先 加 、 卸 載 若 干 次 ，以 減 少 因 機(jī) 械 滯 后 所 產(chǎn) 生的 實(shí) 驗(yàn) 誤 差 。 產(chǎn) 生 原 因 ： 應(yīng) 變 片 在 承 受 機(jī) 械 應(yīng) 變 后 ， 其 內(nèi) 部 會(huì) 產(chǎn) 生 殘余 變 形 ， 使 敏 感 柵 電 阻 發(fā) 生 少 量 不 可 逆 變 化 ； 在 制 造 或粘 貼 應(yīng) 變 片 時(shí) ， 如 果 敏 感 柵 受 到

10、不 適 當(dāng) 的 變 形 或 者 粘 結(jié)劑 固 化 不 充 分 。 （ 3） 機(jī) 械 滯 后 14產(chǎn) 生 原 因 ： 由 于 膠 層 之 間 發(fā) 生 “ 滑 動(dòng) ” ， 使 力 傳 到 敏 感柵 的 應(yīng) 變 量 逐 漸 減 少 。 （ 4） 零 點(diǎn) 漂 移 和 蠕 變零 點(diǎn) 漂 移 ： 對(duì) 于 粘 貼 好 的 應(yīng) 變 片 ， 當(dāng) 溫 度 恒 定 且 不 承受 應(yīng) 變 時(shí) ， 其 電 阻 值 隨 時(shí) 間 增 加 而 變 化 的 特 性 。產(chǎn) 生 原 因 ： 敏 感 柵 通 電 后 的 溫 度 效 應(yīng) ； 應(yīng) 變 片 的 內(nèi) 應(yīng) 力逐 漸 變 化 ； 粘 結(jié) 劑 固 化 不 充 分 等 。蠕 變 ：

11、 在 一 定 溫 度 下 ， 使 應(yīng) 變 片 承 受 恒 定 的 機(jī) 械 應(yīng) 變 ，其 電 阻 值 隨 時(shí) 間 增 加 而 變 化 的 特 性 。 一 般 蠕 變 的 方 向與 原 應(yīng) 變 量 的 方 向 相 反 。這 兩 項(xiàng) 指 標(biāo) 是 衡 量 應(yīng) 變 片 特 性 對(duì) 時(shí) 間 的 穩(wěn) 定 性 。 15 應(yīng) 變 片 在 一 定 溫 度 下 和 規(guī) 定 范 圍 （ 一 般 為 10%） 內(nèi) 的最 大 真 實(shí) 應(yīng) 變 值 。 lim 真 實(shí) 應(yīng) 變 z指示應(yīng)變i 應(yīng) 變 片 的 應(yīng) 變 極 限 10%主 要 因 素 ：粘 結(jié) 劑 和 基 底 材 料 傳 遞變 形 的 性 能 及 應(yīng) 變 片 的安

12、裝 質(zhì) 量 ；制 造 與 安 裝 應(yīng) 變 片 時(shí) ，應(yīng) 選 用 抗 剪 強(qiáng) 度 較 高 的粘 結(jié) 劑 和 基 底 材 料 ；基 底 和 粘 結(jié) 劑 的 厚 度 不宜 過(guò) 大 ， 并 應(yīng) 經(jīng) 過(guò) 適 當(dāng)?shù)?固 化 處 理 ， 才 能 獲 得較 高 的 應(yīng) 變 極 限 。（ 5） 應(yīng) 變 極 限 16 4、 溫 度 誤 差 及 其 補(bǔ) 償（ 1） 溫 度 誤 差環(huán) 境 溫 度 改 變 而 引 起 電 阻 變 化 的 兩 個(gè) 主 要 因 素 ： 應(yīng) 變 片 的 電 阻 絲 (敏 感 柵 )具 有 一 定 溫 度 系 數(shù) ； 電 阻 絲 材 料 與 測(cè) 試 材 料 的 線 膨 脹 系 數(shù) 不 同 。

13、由 于 環(huán) 境 溫 度 變 化 引 起 的 電 阻 變 化 與 試 件 應(yīng) 變所 造 成 的 電 阻 變 化 幾 乎 有 相 同 的 數(shù) 量 級(jí) ， 從 而產(chǎn) 生 很 大 的 測(cè) 量 誤 差 ， 稱(chēng) 為 應(yīng) 變 片 的 溫 度 誤 差 ，又 稱(chēng) 熱 輸 出 。 17e試 件 材 料 線 膨 脹 系 數(shù) ； g敏 感 柵 材 料 線 膨 脹 系 數(shù) 。 tRR t 1 tget 2K應(yīng) 變 片 靈 敏 系 數(shù) 。 tKRR ge 2 設(shè) 環(huán) 境 引 起 的 構(gòu) 件 溫 度 變 化 為 t（ ） 時(shí) ， 粘 貼 在試 件 表 面 的 應(yīng) 變 片 敏 感 柵 材 料 的 電 阻 溫 度 系 數(shù) 為

14、t ，則 應(yīng) 變 片 產(chǎn) 生 的 電 阻 相 對(duì) 變 化 為由 于 敏 感 柵 材 料 和 被 測(cè) 構(gòu) 件 材 料 兩 者 線 膨 脹 系 數(shù) 不 同 ，當(dāng) t 存 在 時(shí) ， 引 起 應(yīng) 變 片 的 附 加 應(yīng) 變 ， 其 值 為相 應(yīng) 的 電 阻 相 對(duì) 變 化 為 18 溫 度 變 化 形 成 的 總 電 阻 相 對(duì) 變 化 ： tKtRRRRRR gett 21 ttKKRR get tt 可 見(jiàn) ， 應(yīng) 變 片 熱 輸 出 的 大 小 不 僅 與 應(yīng) 變 計(jì) 敏 感 柵 材 料的 性 能 ( t, g)有 關(guān) ， 而 且 與 被 測(cè) 試 件 材 料 的 線 膨 脹系 數(shù) ( e)有

15、關(guān) 。 上 式 為 應(yīng) 變 片 粘 貼 在 試 件 表 面 上 ， 當(dāng) 試 件 不 受 外 力 作用 ， 在 溫 度 變 化 t 時(shí) ， 應(yīng) 變 片 的 溫 度 效 應(yīng) 。 用 應(yīng) 變形 式 表 現(xiàn) 出 來(lái) ， 稱(chēng) 之 為 熱 輸 出 。相 應(yīng) 的 虛 假 應(yīng) 變 為 19 （ 2） 溫 度 補(bǔ) 償 （ 自 補(bǔ) 償 法 和 線 路 補(bǔ) 償 法 ） 單 絲 自 補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片 0 get K egt K 優(yōu) 點(diǎn) ： 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 制 造 和 使 用 方 便 ， 但 必 須 在 具 有 一定 線 膨 脹 系 數(shù) 材 料 的 試 件 上 使 用 ， 否 則 不 能 達(dá) 到 溫 度自 補(bǔ) 償

16、 的 目 的 。在 選 擇 應(yīng) 變 片 時(shí) ， 若 應(yīng) 變 片 的 敏 感 柵 是 用 單 一 的 合 金絲 制 成 ， 并 使 其 電 阻 溫 度 系 數(shù) 和 線 膨 脹 系 數(shù) 滿 足 上 式的 條 件 ， 即 可 實(shí) 現(xiàn) 溫 度 自 補(bǔ) 償 。 具 有 這 種 敏 感 柵 的 應(yīng)變 片 稱(chēng) 為 單 絲 自 補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片 。 由 前 式 知 ， 若 使 應(yīng) 變 片 在 溫 度 變 化 t時(shí) 的 熱 輸 出 值 為零 ， 必 須 使即 20 是 由 兩 種 不 同 電 阻 溫 度 系 數(shù) （ 一 種 為 正 值 ， 一 種 為 負(fù)值 ） 的 材 料 串 聯(lián) 組 成 敏 感 柵 ， 以

17、達(dá) 到 一 定 的 溫 度 范 圍內(nèi) 在 一 定 材 料 的 試 件 上 實(shí) 現(xiàn) 溫 度 補(bǔ) 償 的 ， 如 圖 。 這 種應(yīng) 變 片 的 自 補(bǔ) 償 條 件 要 求 粘 貼 在 某 種 試 件 上 的 兩 段 敏感 柵 ， 隨 溫 度 變 化 而 產(chǎn) 生 的 電 阻 增 量 大 小 相 等 ， 符 號(hào)相 反 ， 即(Ra) t= (Rb) t 焊 點(diǎn) RaRb aeaa bebbtaa tbbba KKRR RRRR 補(bǔ) 償 效 果 可 達(dá) 0.45 。 雙 絲 組 合 式 自 補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片 21A由 橋 臂 電 阻 和 電 源 電 壓 E決 定 的 常 數(shù) 。 3241 RRRRAU

18、SC USC R2R4R1R3 E橋 路 補(bǔ) 償 法可 見(jiàn) ， 當(dāng) R3、 R4為 常 數(shù) 時(shí) ， Rl和 R2對(duì) 輸 出 電 壓 的 作 用方 向 相 反 。 利 用 這 個(gè) 基 本 特 性 可 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 溫 度 的 補(bǔ) 償 ，并 且 補(bǔ) 償 效 果 較 好 ， 這 是 最 常 用 的 補(bǔ) 償 方 法 之 一 。 電 路 補(bǔ) 償 法電 橋 輸 出 電 壓 與 橋 臂 參 數(shù) 的 關(guān) 系 22補(bǔ) 償 應(yīng) 變 片 粘 貼 示 意 圖R1 R2測(cè) 量 應(yīng) 變 時(shí) ， 使 用 兩 個(gè) 應(yīng) 變 片 ， 一 片 貼 在被 測(cè) 試 件 的 表 面 ， 另 一 片 貼 在 與 被 測(cè) 試 件材 料 相 同

19、 的 補(bǔ) 償 塊 上 。 23 根 據(jù) 被 測(cè) 試 件 承 受 應(yīng) 變 的 情 況 ， 將 補(bǔ) 償 片 貼 在 被 測(cè) 試 件上 ， 既 能 起 到 溫 度 補(bǔ) 償 作 用 ， 又 能 提 高 輸 出 的 靈 敏 度 。 R1R2 F FR1 R2（ b）（ a） F構(gòu) 件 受 彎曲 應(yīng) 力 構(gòu) 件 受 單向 應(yīng) 力 USC R2R4R1R3 ERtR5采 用 熱 敏 電 阻 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 24 （ 二 ） 金 屬 箔 式 應(yīng) 變 片 箔 式 應(yīng) 變 片 的 工 作 原 理 基 本 和 電 阻 絲 式 應(yīng) 變片 相 同 。 它 的 電 阻 敏 感 元 件 不 是 金 屬 絲 柵 ， 而 是通

20、 過(guò) 光 刻 、 腐 蝕 等 工 序 制 成 的 薄 金 屬 箔 柵 ， 故 稱(chēng)箔 式 電 阻 應(yīng) 變 片 ， 如 圖 。 金 屬 箔 的 厚 度 般 為(0.003 0.010)mm， 它 的 基 片 和 蓋 片 多 為 膠 質(zhì) 膜 ，基 片 厚 度 一 般 為 (0.03 0.05)mm。 25 金 屬 箔 式 應(yīng) 變 片 和 絲 式 應(yīng) 變 片 比 較 ： 金 屬 箔 柵 很 薄 ， 因 而 它 所 感 受 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 與 試 件表 面 的 應(yīng) 力 狀 態(tài) 更 為 接 近 ； 當(dāng) 箔 材 和 絲 材 具 有 同 樣 的 截面 積 時(shí) ， 箔 材 與 粘 接 層 的 接 觸 面 積

21、 比 絲 材 大 ， 使 它 能 更好 地 和 試 件 共 同 工 作 ； 箔 柵 的 端 部 較 寬 ， 橫 向 效 應(yīng) 較 小 ，因 而 提 高 了 應(yīng) 變 測(cè) 量 的 精 度 。 箔 材 表 面 積 大 ， 散 熱 條 件 好 ， 故 允 許 通 過(guò) 較 大 電流 ， 因 而 可 以 輸 出 較 大 信 號(hào) ， 提 高 了 測(cè) 量 靈 敏 度 。 箔 柵 的 尺 寸 準(zhǔn) 確 、 均 勻 ， 且 能 制 成 任 意 形 狀 ， 特別 是 為 制 造 應(yīng) 變 花 和 小 標(biāo) 距 應(yīng) 變 片 提 供 了 條 件 ， 從 而 擴(kuò)大 了 應(yīng) 變 片 的 使 用 范 圍 。 蠕 變 小 ， 疲 勞

22、壽 命 長(zhǎng) 。 便 于 成 批 生 產(chǎn) ， 而 且 生 產(chǎn) 效 率 高 。缺 點(diǎn) ： 電 阻 值 分 散 性 大 ， 有 的 相 差 幾 十 ， 故 需 要 作 阻值 調(diào) 整 ； 不 適 于 高 溫 環(huán) 境 下 測(cè) 量 ； 此 外 價(jià) 格 較 貴 。 26 （ 三 ） 測(cè) 量 電 路電 阻 應(yīng) 變 片 的 測(cè) 量 線 路 根 據(jù) 采 用 的 電 源 不 同 ， 分 為 交 流電 橋 和 直 流 電 橋 兩 種 。 直 流 電 橋 比 較 簡(jiǎn) 單 ， 因 此 以 直 流電 橋 為 例 分 析 說(shuō) 明 ， 如 圖 所 示 。E為 電 橋 供 電 電 源 ， R1、 R2、 R3、 R4為 四 個(gè)

23、橋 臂 電 阻 ， 當(dāng)電 橋 的 負(fù) 載 電 阻 Rg為 無(wú) 窮 大 時(shí) ， 電 橋 的 輸 出 電 壓 Ug為 R 2R4R1R3 E直 流 電 橋 原 理 圖 RgA CD IgB 4321 3241 RRRR RRRREUg 當(dāng) Ug=0時(shí) ， 直 流 電 橋 處 于 平 衡狀 態(tài) ， 則 有 R1R4=R2R3該 式 說(shuō) 明 ， 電 橋 平 衡 時(shí) ， 其 相 對(duì)兩 臂 電 阻 的 乘 積 相 等 或 相 鄰 兩 臂電 阻 的 比 值 相 等 。 27 右 圖 為 單 臂 工 作 電 橋 ， R1為 工 作 應(yīng) 變片 ， R2、 R3、 R4為 固 定 電 阻 ， E為 電 橋供 電

24、電 源 ， Ug為 電 橋 的 輸 出 電 壓 ， 負(fù)載 電 阻 為 無(wú) 窮 大 ， 應(yīng) 變 片 電 阻 R1有 一增 量 R1時(shí) ， 電 橋 的 輸 出 電 壓 為 4321 3241 RRRRR RRRRREUg 設(shè) 橋 臂 比 n= R2/ R1， 根 據(jù) 直 流 電 橋 平 衡 條 件 R1R4=R2R3，忽 略 分 母 中 的 R1， 整 理 后 可 得 ERRnnUg 112)1( 則 直 流 電 橋 電 壓 靈 敏 度 為 EnnRRUK gU 211 )1(/ 28 當(dāng) n=1， 且 R1/R2=R3/R4時(shí) ， 單 臂 工 作 電 橋 的 輸 出 電 壓 為 可 見(jiàn) ， 當(dāng)

25、單 臂 工 作 電 橋 的 供 電 電 源 不 變 ， 負(fù) 載 電 阻 無(wú) 窮大 時(shí) ， 在 應(yīng) 變 片 承 受 應(yīng) 變 引 起 的 電 阻 變 化 量 R1相 對(duì) R1 R2的 值 可 忽 略 的 情 況 下 ， 電 橋 輸 出 電 壓 Ug與 應(yīng) 變 片 電阻 相 對(duì) 變 化 呈 線 性 關(guān) 系 ， 即 單 臂 直 流 電 橋 電 壓 靈 敏 度 為常 數(shù) 。 如 果 在 電 橋 的 相 臨 兩 個(gè) 橋 臂 同 時(shí) 接 入 性 能 和 指 標(biāo) 完 全 相同 的 工 作 應(yīng) 變 片 ， 一 片 受 拉 ， 另 一 片 受 壓 ； 或 相 對(duì) 兩 個(gè)橋 臂 同 時(shí) 受 拉 或 受 壓 ， 則

26、114 R REUg 112 RREUg 29 如 果 電 橋 的 四 個(gè) 橋 臂 都 接 入 性 能 和 指 標(biāo) 完 全 相 同 的 工 作應(yīng) 變 片 ， 如 圖 ， 稱(chēng) 為 全 橋 電 路 ， 全 橋 電 路 的 輸 出 電 壓 為 11RREUg 可 見(jiàn) ， 全 橋 電 路 的 電 壓 靈 敏 度 比 單 臂工 作 電 橋 提 高 4倍 。 全 橋 電 路 和 相 鄰 臂工 作 的 半 臂 電 路 不 僅 靈 敏 度 高 ， 而 且當(dāng) 負(fù) 載 電 阻 無(wú) 窮 大 時(shí) ， 沒(méi) 有 非 線 性 誤差 ， 同 時(shí) 還 起 到 溫 度 補(bǔ) 償 作 用 。 例 1 某 應(yīng) 變 片 的 電 阻 R=

27、350,K=2.05,用 作 應(yīng) 變 為 800m/m的傳 感 元 件 。 求 R/R和 R； 若 電 橋 供 電 電 源 電 壓 為 E=3V，計(jì) 算 惠 斯 登 全 橋 電 路 的 輸 出 電 壓 U 0。 解 ： 0 0.5743 4.92350RU E VRD= = =R/R=K 800 2.05 0.00164R=KR 0.00164 200 0.574則 30 例 2 一 個(gè) K 2.1的 350應(yīng) 變 片 被 粘 貼 到 鋁 支 柱 (其 彈 性模 量 E 73GPa)上 。 支 柱 的 外 徑 為 50mm， 內(nèi) 徑 為 47.5 mm。 試 計(jì) 算 當(dāng) 支 柱 承 受 100

28、0kg負(fù) 荷 時(shí) 電 阻 的 變 化 。（ 提 示 ： E， 為 測(cè) 試 的 應(yīng) 力 ； 為 應(yīng) 變 ； E為 材 料的 彈 性 模 量 ） R=KR KR/E KR(F/S)/E根 據(jù) 幾 何 學(xué) ， 承 受 力 的 面 積 S為因 此 ， 對(duì) 于 R=350， K 2.1， F 1000kg 9800N和 E 73GPa， 有 222 1914 5.25.974 )( mmmmmmdDS 52.073)10191( 98001.2350 26 GPam NR解 ： 31 （ 四 ） 應(yīng) 變 式 傳 感 器 應(yīng) 用 金 屬 應(yīng) 變 片 ， 除 了 測(cè) 定 試 件 應(yīng) 力 、 應(yīng) 變 外 ，

29、還 制 造成 多 種 應(yīng) 變 式 傳 感 器 用 來(lái) 測(cè) 定 力 、 扭 矩 、 加 速 度 、 壓 力等 其 它 物 理 量 。 應(yīng) 變 式 傳 感 器 包 括 兩 個(gè) 部 分 ： 一 是彈性敏感元件， 利 用 它 將 被 測(cè) 物 理 量 （ 如 力 、 扭 矩 、 加 速 度 、 壓 力 等） 轉(zhuǎn) 換 為 彈 性 體 的 應(yīng) 變 值 ； 另 一 個(gè) 是應(yīng)變片作 為 轉(zhuǎn) 換元 件 將 應(yīng) 變 轉(zhuǎn) 換 為 電 阻 的 變 化 。 u柱力式傳感器u梁力式傳感器u應(yīng)變式壓力傳感器u應(yīng)變式加速度傳感器 32 1、 柱 力 式 傳 感 器 圓 柱 式 力 傳 感 器 的 彈 性 元 件 分 為 實(shí) 心

30、 和 空 心 兩 種 。柱 式 力 傳 感 器-2+1截 面 積 SF F F 面 積 S-1+2b）a）在 軸 向 布 置 一 個(gè) 或 幾 個(gè) 應(yīng) 變 片 ，在 圓 周 方 向 布 置 同 樣 數(shù) 目 的 應(yīng) 變片 ,后 者 取 符 號(hào) 相 反 的 橫 向 應(yīng) 變， 從 而 構(gòu) 成 了 差 動(dòng) 對(duì) 。 由 于 應(yīng) 變片 沿 圓 周 方 向 分 布 ， 所 以 非 軸 向載 荷 分 量 被 補(bǔ) 償 ， 在 與 軸 線 任 意夾 角 的 方 向 ， 其 應(yīng) 變 為 ： 2cos1121 1沿 軸 向 的 應(yīng) 變 ； 彈 性 元 件 的 泊 松 比 。當(dāng) =0時(shí) SEF 1 當(dāng) =90時(shí) SEF

31、12 E： 彈 性 元 件的 楊 氏 模 量 33 2、 梁 力 式 傳 感 器等 強(qiáng) 度 梁 彈 性 元 件 是 一 種 特 殊 形 式 的 懸 臂 梁 。 梁 的 固定 端 寬 度 為 b0， 自 由 端 寬 度 為 b， 梁 長(zhǎng) 為 L， 粱 厚 為 h。力 F作 用 于 梁 端 三 角 形 頂 點(diǎn) 上 ， 梁 內(nèi) 各 斷 面 產(chǎn) 生 的 應(yīng)力 相 等 ， 故 在 對(duì) L方 向 上 粘 貼 應(yīng) 變 片 位 置 要 求 不 嚴(yán) 。n橫 截 面 梁n雙 空 梁nS形 彈 性 元 件 34 各 種 平 行 雙 孔 梁 35P （ b） （ a）應(yīng) 變 式 壓 力 傳 感 器 3、 應(yīng) 變 式

32、壓 力 傳 感 器 測(cè) 量 氣 體 或 液 體 壓 力 的 薄 板 式 傳 感 器 ， 如 圖 所 示 。 當(dāng)氣 體 或 液 體 壓 力 作 用 在 薄 板 承 壓 面 上 時(shí) ， 薄 板 變 形 ， 粘貼 在 另 一 面 的 電 阻 應(yīng) 變 片 隨 之 變 形 ， 并 改 變 阻 值 。 這 時(shí)測(cè) 量 電 路 中 電 橋 平 衡 被 破 壞 ， 產(chǎn) 生 輸 出 電 壓 。 圓 形 薄 板 固 定 形 式 ： 采 用 嵌 固 形 式 ， 如 圖 （ a） 或與 傳 感 器 外 殼 作 成 一 體 ， 如 圖 (b)。應(yīng) 變 片 36 4、 應(yīng) 變 式 加 速 度 傳 感 器 殼 體機(jī) 座 aF

33、R1R2 m充 滿 硅 油 37 二 、 壓 阻 式 傳 感 器是 利 用 硅 的 壓 阻 效 應(yīng) 和 微 電 子 技 術(shù) 制 成 的 ， 是 一 種 新 的物 性 型 傳 感 器 。優(yōu) 點(diǎn) ： 靈 敏 度 高 、 動(dòng) 態(tài) 響 應(yīng) 好 、 精 度 高 、 易 于 微 型 化 和集 成 化 等 。 （ 一 ） 壓 阻 效 應(yīng)固 體 材 料 在 應(yīng) 力 作 用 下 發(fā) 生 形 變 時(shí) ， 其 電 阻 率 發(fā) 生 變 化的 現(xiàn) 象 被 稱(chēng) 為 壓 阻 效 應(yīng) 。 21dRdR 21RdR Ed 2121 ERdR對(duì) 半 導(dǎo) 體 材 料對(duì) 金 屬 材 料電 阻 相 對(duì) 變 化 量 壓 阻 系 數(shù)應(yīng) 力

34、E彈 性 模 量 38 由 于 E一 般 都 比 （ 1+2） 大 幾 十 倍 甚 至 上 百 倍 ， 因 此 ，引 起 壓 阻 效 應(yīng) 的 主 要 原 因 是 半 導(dǎo) 體 材 料 電 阻 相 對(duì) 變 化 ，則 上 式 可 近 似 寫(xiě) 成 式 中 壓 阻 系 數(shù) ； E彈 性 模 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) 。 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

35、 的 ， 所 謂 晶 向 就 是 晶 面 的 法 線 方 向 。ERdR 39 C ZO BA X Y11晶 體 晶 面 的 截 距 表 示 （ 二 ） 晶 向 、 晶 面 的 表 示 方 法 結(jié) 晶 體 具 有 多 面 體 的 形 態(tài) ， 由 分 子 、 原 子 或 離 子有 規(guī) 則 排 列 而 成 。 多 面 體 的 表 面 由 許 多 晶 面 圍 合 而 成 。晶 面 與 晶 面 相 交 的 直 線 稱(chēng) 為 晶 棱 ， 晶 棱 的 交 點(diǎn) 稱(chēng) 為 晶 體的 頂 點(diǎn) 。 為 了 說(shuō) 明 晶 格 點(diǎn) 陣 的 配 置 和 確 定 晶 面 的 位 置 ，通 常 引 進(jìn) 一 組 對(duì) 稱(chēng) 軸 線 ，

36、 稱(chēng) 為 晶 軸 ， 用 X、 Y、 Z表 示 。 硅 為 立 方 晶 體 結(jié) 構(gòu) ， 就取 立 方 晶 體 的 三 個(gè) 相 鄰 邊 為X、 Y、 Z。 在 晶 軸 X、 Y、 Z上 取 與 所 有 晶 軸 相 交 的 某 晶面 為 單 位 晶 面 ， 如 圖 所 示 。 40 此 晶 面 與 坐 標(biāo) 軸 上 的 截 距 為 OA、 OB、 OC。 已 知 某 晶面 在 X、 Y、 Z軸 上 的 截 距 為 OAx、 OBy、 OCz， 它 們 與單 位 晶 面 在 坐 標(biāo) 軸 截 距 的 比 可 寫(xiě) 成 p、 q、 r為 沒(méi) 有 公 約 數(shù) (1除 外 )的 簡(jiǎn) 單 整 數(shù) 。 取 其 倒

37、數(shù) 得h、 k、 l也 為 沒(méi) 有 公 約 數(shù) 的 簡(jiǎn) 單 整 數(shù) 。 依 據(jù) 上 式 可 知 ，截 距 OA x、 OBy、 OCz的 晶 面 ， 能 用 三 個(gè) 簡(jiǎn) 單 整 數(shù) h、 k、 l來(lái) 表 示 。 h、 k、 l稱(chēng) 為 密 勒 指 數(shù) 。 而 晶 向 是 晶 面 的 法線 方 向 ， 根 據(jù) 規(guī) 定 ， 晶 面 符 號(hào) 為 (hkl)， 晶 面 全 集 符 號(hào)為 hkl， 晶 向 符 號(hào) 為 hkl， 晶 向 全 集 符 號(hào) 為 hkl。 rqpOCOCOBOBOAOA zyx : lkhpppOCOCOBOBOAOA zyx :1:1:1: 41 （ 三 ） 固 態(tài) 壓 阻 器

38、 件1、 固 態(tài) 壓 阻 器 件 的 結(jié) 構(gòu) 原 理 利 用 固 體 擴(kuò) 散 技 術(shù) ， 將 P型 雜 質(zhì) 擴(kuò) 散 到 一 片 N型 硅 底層 上 ， 形 成 一 層 極 薄 的 導(dǎo) 電 P型 層 ， 裝 上 引 線 接 點(diǎn) 后 ，即 形 成 擴(kuò) 散 型 半 導(dǎo) 體 應(yīng) 變 片 。 若 在 圓 形 硅 膜 片 上 擴(kuò) 散 出四 個(gè) P型 電 阻 ， 構(gòu) 成 惠 斯 登 電 橋 的 四 個(gè) 臂 ， 這 樣 的 敏 感器 件 通 常 稱(chēng) 為 固 態(tài) 壓 阻 器 件 ， 如 圖 所 示 。 1 N-Si膜 片 2 P-Si導(dǎo) 電 層 3 粘 貼 劑 4 硅 底 座 5 引 壓 管 6 Si 保 護(hù)

39、膜 7 引 線 42USCR R+RT 恒 流 源 供 電AC DB R R+RT R+R+RTR+R+RT E 2、 測(cè) 量 橋 路 及 溫 度 補(bǔ) 償為 減 少 溫 度 影 響 ， 壓 阻 器 件 一 般 采 用 恒 流 源 供 電 。假 設(shè) 電 橋 中 兩 個(gè) 支 路 的 電 阻 相 等 ， 即 RABC=RADC=2（ R+RT） ， 故 有因 此 ， 電 橋 的 輸 出 為 III ADCABC 21 TTBDSC RRRIRRRIUU 2121 可 見(jiàn) ， 電 橋 輸 出 與 電 阻 變 化 成正 比 ， 即 與 被 測(cè) 量 成 正 比 ， 與 恒 流源 電 流 成 正 比 ， 即

40、 與 恒 流 源 電 流 大小 和 精 度 有 關(guān) 。 但 與 溫 度 無(wú) 關(guān) ， 因此 不 受 溫 度 的 影 響 。 但 是 ， 壓 阻 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 取 溫 度 補(bǔ) 償 措 施 。 IUSC=IR 43 （ 1） 零 點(diǎn) 溫 度 補(bǔ) 償零 點(diǎn) 溫 度 漂 移 是 由 于 四 個(gè) 擴(kuò) 散 電 阻 的 阻 值 及 其 溫 度 系 數(shù)不 一 致 造 成 的 。 一 般 用 串 、 并 聯(lián) 電 阻 法 補(bǔ) 償 ， 如 圖 。 其中 ， RS是 串 聯(lián) 電 阻 ； RP是 并

41、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 。 R 2 R4R1R3 USC溫 度 漂 移 的 補(bǔ) 償 RPB C DARSE Di計(jì) 算 RS、 RP的 方 法 44 設(shè) R1,R2,R3,R4與 R1,R2,R3,R4為 四 個(gè) 橋 臂 電 阻 在 低溫 和 高 溫 下 的 實(shí) 測(cè) 數(shù) 據(jù) ， RS,RP與 RS、 RS分 別 為 RS、RP在 低 溫 與 高 溫 下 的 欲 求 數(shù) 值 。根 據(jù) 以 上 四 式 可 計(jì) 算 出 R S,RP,RS,RP。 從 而 ， 計(jì) 算 出常 溫 下 RS、 RP的 數(shù) 值 。計(jì) 算 出

42、RS、 RP后 ， 那 么 ， 選 擇 該 溫 度 系 數(shù) 的 電 阻 接 入橋 路 ， 便 可 起 到 溫 度 補(bǔ) 償 的 作 用 。42 231 R RR RRR RR PPS 42 231 R RR RRRRR PPS TRR SS 1 TRR PP 1根 據(jù) 低 溫 與 高 溫 下 B、 D兩 點(diǎn) 的 電 位 相 等 的 條 件設(shè) RS、 RP的 溫 度 系 數(shù) 、 為 已 知 ， 則 45 （ 2） 靈 敏 度 溫 度 補(bǔ) 償 原 因 ： 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 小 ； 溫 度 降 低 時(shí) ， 壓 阻

43、 系 數(shù)變 大 ， 說(shuō) 明 傳 感 器 的 靈 敏 度 系 數(shù) 為 負(fù) 值 。 補(bǔ) 償 靈 敏 度 溫 漂 采 用 在 電 源 回 路 中 串 聯(lián) 二 極 管 的 方 法 ： 溫 度 升 高 時(shí) ， 因 為 靈 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 的 目的 。 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 的 目 的 。 因 為 二 極 管 PN結(jié) 為 負(fù) 溫 度 特

44、 性 ， 溫 度 每 升 高 1 時(shí) ， 正向 壓 降 約 減 小 (1.9 2.5)mV。 將 適 當(dāng) 數(shù) 量 的 二 極 管 串 聯(lián) 在電 橋 的 電 源 回 路 中 ， 如 圖 。 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 入 電 橋電 源 回 路 ， 便 可 以 達(dá) 到 補(bǔ) 償 的 目 的 。 46 根 據(jù) 電 橋 的 輸 出 ， 應(yīng) 有若 傳 感 器 低 溫 時(shí) 滿 量 程 輸 出 為 USC

45、， 高 溫 時(shí) 為 USC， 則USC= USCUSC 而 R/R可 根 據(jù) 常 溫 下 傳 感 器 的 電 源 電 壓 與 滿 量 程 輸 出計(jì) 算 ， 從 而 可 以 求 出 USC。 此 值 便 是 為 了 補(bǔ) 償 靈 敏 度 隨溫 度 下 降 ， 橋 壓 需 要 提 高 的 數(shù) 值 E。當(dāng) n只 二 極 管 串 聯(lián) 時(shí) ， 可 得nT=E式 中 二 極 管 PN結(jié) 正 向 壓 降 的 溫 度 系 數(shù) ， 一 般 為 -2mV/ ；n串 聯(lián) 二 極 管 的 個(gè) 數(shù) ； T溫 度 的 變 化 范 圍 。RREUSC RREUU SCSC TEn 用 這 種 補(bǔ) 償 方 法 時(shí) ， 必 須 考 慮 二 極 管 正 向 壓 降 的 閾 值 ，硅 管 為 0.7V， 鍺 管 為 0.3V。 因 此 ， 要 求 恒 壓 源 提 供 的 電壓 應(yīng) 有 一 定 的 提 高 。 47穩(wěn) 壓 源 +R1 R2R3 R4A C BDRFr A1A2I o I1 I21mA 輸 出 放 大 及 轉(zhuǎn) 換應(yīng) 變 電 橋 （ 3 19） mA Rr（ 4 20） mA 恒 流 源 下 圖 是 擴(kuò) 散 硅 差 壓 變 送 器 典 型 的 測(cè) 量 電 路 原 理 圖 。組 成 ： 應(yīng) 變 橋 路 、 溫 度 補(bǔ) 償 網(wǎng) 絡(luò) 、 恒 流 源 、 輸 出 放 大 及電 壓 一 電 流 轉(zhuǎn) 換 單 元 等