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1、第三章 傳感器,能動學(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”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。 絕對壓力PJ、大氣壓力PD、表壓力PB 真空度PZ（負(fù)壓） PB= PJ PD 、PZ PD PJ,測壓儀表的分類：,測壓儀表,,液柱式壓力計,依據(jù)重力與被測壓力平衡的原理制成的，可將被測壓力轉(zhuǎn)換為液柱的高度差進(jìn)行測量,U型管壓力計、單管壓力計以及斜管壓力計,彈性式壓力計,依據(jù)彈性力與被測壓力平衡的原理制成，彈性元件變形的多少反映了被測壓力的大小。,彈簧管壓力計、波紋管壓力計以及膜盒式壓力計,電氣式壓力計,利用一些物質(zhì)與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)進(jìn)行測壓。,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,根據(jù)水壓機液體傳送壓力的原理，將被測壓力轉(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)儀器用來校驗或刻度彈性式壓力計。,,,,,3.1壓力傳感器,一.電阻式壓力傳感器 將壓力信號轉(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)體受機械變形時，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，它把機械應(yīng)變轉(zhuǎn)化成電阻的變化?；透采w層起固定和保護敏感元件、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、易批量生 產(chǎn)，在應(yīng)力測量中應(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量；筒式適用于高壓測量；,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，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： 靈敏系數(shù)高，k =30 175（而電阻絲其值約在 1.6 3.6 之間)； 機械滯后小、橫向效應(yīng)小及本身體積小。 缺點： 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，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)點是靈敏系數(shù)大，橫向效應(yīng)和機械之后極?。粶囟确€(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，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(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)計時適當(dāng)安排電子的位置，可以組成差點電橋。,3.1壓力傳感器,擴散型壓阻式壓力傳感器特點： 優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕德微壓，長期穩(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費線性和溫度進(jìn)行補償。,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，四個擴散電阻擴散在器根部兩面。,測量電路： 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)境溫度的變化對其沒有影響.,3.1壓力傳感器,3.1壓力傳
8、感器,測量橋路及溫度補償 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。 減少與補償誤差措施： 恒流源供電電橋； 零點溫度補償； 靈敏度溫度補償。,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)生零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移。因此必須采用溫度補償措施。,3.1壓力傳感器,零點溫度漂移 零點溫度漂移是
9、由于四個擴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)電阻主要起補償 作用。,3.1壓力傳感器,由于零點漂移，導(dǎo)致B、D兩點電位不等，如當(dāng)溫度升高時，R2增加比較大，使D點的電位低于B點，B、D兩點的電位差即為零點漂移。 可在R2上串聯(lián)一個溫度系數(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，可減少或消除B、D點之間的電位差，達(dá)到補償?shù)哪康摹?3.1壓力傳感器,靈敏度溫度補償 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，壓阻系數(shù)變小；溫度降低時，壓阻系數(shù)變大。說明傳感器的靈敏度系數(shù)為負(fù)值。 補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，因為靈敏度降低，這時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)到補償?shù)哪康?。反之，溫度降低時，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，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，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。 只要計算出所需二極管的個數(shù)， 將其串如入電橋電源回路，便 可以達(dá)到補償?shù)哪康摹?謝謝！,
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