压阻应变片式压力传感器详解.ppt

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 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 测压仪表 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 弹性式压力计 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 电气式压力计 利用一些物质与压力有关的物理性质进行测压 电阻应变片式 电容式 压电式 电感式 霍尔式 活塞式压力计 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 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60 120 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 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 知 2 4 1 3 且 1 3 2 4 则 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 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 应变材料的泊松比L 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 随应力 的变化率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 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方向 3 1压力传感器 3 1压力传感器 3 1压力传感器 优点 灵敏系数高 k 30 175 而电阻丝其值约在1 6 3 6之间 机械滞后小 横向效应小及本身体积小 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 灵敏度系数失去线性 3 1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 r和切向应力 t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 测量电路 恒压源 输出电压与成正比 输出电压受环境温度的影响 恒流源 输出电压与成正比 环境温度的变化对其没有影响 3 1压力传感器 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 恒流源供电电桥 零点温度补偿 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 故有 电桥的输出为 3 1压力传感器 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 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 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