传感器原理及应用-第3章

物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》传感器原理及应用PrinciplesandApplicationsofSensors主讲：王殿生教授物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第三章作业第二版教材61-62页：3-5，3-6第三版教材60-61页：3-5，3-6物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》电阻式传感器第三章应变式传感器电阻式传感器的类别与特性类别原理输出特性电位器式传感器变阻器阻值随输出端位置的变化而变化应变式传感器应变—电阻效应阻值随材料的形变而改变压阻式传感器压阻效应阻值随加在材料上的压力而改变光电阻式传感器光电效应阻值与外加光的强弱及性质有关热电阻式传感器电阻—温度特性阻值随材料温度的变化而变化电阻元件非电量电阻变化应变式电阻传感器：基本原理、工作特性和主要应用。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》应变式电阻传感器第三章应变式传感器应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01-0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式传感器特征：材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》电阻应变片的发展历史第三章应变式传感器1856年，W.Thomoson发现金属丝的应变效应，并用惠斯通电桥精确测量电阻的变化。1938年，E.Simmons和A.Ruge制成纸基丝绕式应变片。1953年，P.Jackson用光刻技术制成箔式应变片。1954年，C.Smith发现半导体材料的压阻效应。1957年，W.Mason研制出半导体应变片。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第三章应变式传感器§3.1电阻应变片的工作原理§3.2电阻应变片的种类§3.3电阻应变片的主要特性§3.4电阻应变片的测量电路§3.5应变式传感器的应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第三章应变式传感器§3.1电阻应变片的工作原理§3.2电阻应变片的种类§3.3电阻应变片的主要特性§3.4电阻应变片的测量电路§3.5应变式传感器的应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。应变效应§3.1电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为/ALR如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为dAALdALdLAdR2金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》若电阻丝是圆形的，则A=πr²,对r微分得dA=2πrdr，则§3.1电阻应变片的工作原理在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FF222rdrrrdrAdA金属的径向应变—金属的轴向应变—令yxrdrLdL//xxSdRdRK/)21(/一、金属的应变效应物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§3.1电阻应变片的工作原理根据应力σ和应变ε的关系:应力σ=εE，σ∝ε，应变ε∝dR，σ∝dR。金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FFxxSdRdRK/)21(/一、金属的应变效应确定的金属材料，(1+2μ)项是常数，其数值约在1~2之间，实验证明dρ/ρ╱εx也是常数。/xSxSRdRKKRdR，金属的电阻相对变化与应变成正比关系。通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§3.1电阻应变片的工作原理应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为1×10-6或μm/m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FFxSdK/)21(一、金属的应变效应金属材料：灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/εx大得多。灵敏系数KS受两个因素影响：（1）应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；（2）应变片受力后材料的电阻率的变化，即（dρ/ρ）/εx。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§3.1电阻应变片的工作原理一、金属的应变效应物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。§3.1电阻应变片的工作原理压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比为一常数。即二、半导体的压阻效应当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为dRdRx)21（xllEdxlERdR)21（πl半导体材料的压阻系数。式中1+2μ项随几何形状而变化，πlE项为压阻效应，随电阻率而变化。几何形状压阻效应物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》实验证明πlE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数：§3.1电阻应变片的工作原理半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。二、半导体的压阻效应ERdRKlxB/物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第三章应变式传感器§3.1电阻应变片的工作原理§3.2电阻应变片的种类§3.3电阻应变片的主要特性§3.4电阻应变片的测量电路§3.5应变式传感器的应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》金属应变片：丝式箔式薄膜式基片覆盖层金属丝引线金属丝应变片结构1、金属丝式应变片金属电阻丝（合金，电阻率高，直径约0.02mm）粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，变成一个整体。§3.2电阻应变片的种类金属电阻应变片半导体电阻应变片电阻应变片一、金属电阻应变片按材料分类：按结构分类：单片、双片、特殊形状按使用环境分类：高温、低温、高压、磁场、水下物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003~0.010mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。优点：表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种需要的形状，便于批量生产。金属箔式应变片§3.2电阻应变片的种类一、金属应变片2、金属箔式应变片物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。特点：这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。常用金属薄膜应变片§3.2电阻应变片的种类一、金属应变片3、金属薄膜应变片物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》§3.2电阻应变片的种类金属应变片的基本结构物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》1、体型半导体应变片半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上制成。体型半导体应变片的结构§3.2电阻应变片的种类二、半导体应变片半导体应变片的类型：体型、薄膜型和扩散型等。物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》通过薄膜制备技术，在带有绝缘层的试件上沉积半导体材料薄膜而制成。§3.2电阻应变片的种类二、半导体应变片2、薄膜型半导体应变片引线绝缘层金属箔基底半导体薄膜薄膜型半导体应变片的结构物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。§3.2电阻应变片的种类二、半导体应变片3、扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片的结构引线SiO2绝缘层N型硅吕电极P型硅扩散层物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》第三章应变式传感器§3.1电阻应变片的工作原理§3.2电阻应变片的种类§3.3电阻应变片的主要特性§3.4电阻应变片的测量电路§3.5应变式传感器的应用物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§3.3电阻应变片的主要特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》变形：物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象。弹性变形：当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状。弹性元件：具有弹性变形特性的物体。§3.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性弹性元件在应变片测量技术中有极其重要地位。传递给粘贴在弹性元件上的应变片力、力矩或压力变换成相应的应变或位移力、力矩或压力通过应变片转换成相应的电阻值物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》定义：弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示。刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，数学表达式为§3.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性1、刚度F—作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）x—弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。弹性特性曲线从弹性特性曲线上可求刚度。曲线1上A点的刚度，过A点作切线，与水平夹角的正切就为A点处的刚度，即tanθ=dF/dx。曲线性是线性的，则刚度是一个常数，即tanθ=F/x=常数。dxdFxFClim物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》定义：通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，数学表达式为§3.3电阻应变片的主要特性一、弹性敏感元件的基本特性2、灵敏度灵敏度：单位力作用下弹性元件产生变形的大小。灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。弹性特性曲线与刚度相似，如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变数，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的。dFdxCS1物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》一、弹性敏感元件的基本特性二、电阻应变片的灵敏系数三、电阻应变片的横向效应四、电阻应变片的机械滞后、零漂及蠕变五、电阻应变片的应变极限六、电阻应变片的电阻值、绝缘电阻和最大工作电流七、电阻应变片的动态特性八、电阻应变片的温度误差§3.3电阻应变片的主要特性物理科学与技术学院王殿生制作EXIT《传感器原理及应用》应变片敏感材料—金属或半导体的电阻相对变化与应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示：KRRRRK定义：K应变片的灵敏系数。§3.3电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的灵敏系数但材料做成应变片后的电阻—应变特性与敏感材料本身的不同。xxSdRdRK/)21(/实验表明，应变