第5章 常用物性型传感器 - 东南大学自动化学院.pptVIP

第5章  常用物性型传感器;第5章 常用物性型传感器;5.1 压阻式传感器; 压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的，主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。压阻式传感器有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片，这在第四章的电阻应变式传感器中已介绍过。另一种是在半导体的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，用它作为传感元件制成的传感器，称固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。;5.1.1 工作原理;2. 晶向的表示方法; 半导体材料（一般是单晶硅），沿三个晶轴方向取出一微元素，单晶硅上受到作用力时，微元素上的应力分量应有9个（如图5-3所示），但剪切应力总是两两相等的，即有：?23=?32，?13=?31，?12=?21，9个分量中只有6个是独立的，即：?11、?22、?33、?23、?31、?12是独立的;6个独立应力分量可写成：?1、?2、?3、?4、?5、?6。有应力存在就会产生电阻率的变化。6个独立应力分量分别可在6个相应的方向产生独立的电阻率的变化，若电阻率的变化率??/?用符号?表示，则6个独立的电阻率的变化率可写成：?1、?2、?3、?4、?5、?6。 电阻率的变化率与应力之间通过压阻系数?相联系，6个独立的电阻率的变化率与6个独立的应力分量之间的压阻系数关系如表5-1所示。 ;3. 压阻系数;5.1.2 结构与类型; 由图5-5可见，均布压力P产生的应力是不均匀的，且有正应力区和负应力区。当r =0.635r0时，?r =0；当r 0.635r0时，?r 0，即为拉应力；当r 0.635r0时，?r 0，即为压应力。当r =0.812r0时，?t =0，仅有?r存在，且?r 0，即为压应力。利用这一特性，选择适当的位置布置电阻，使其接入电桥的四臂中，两两电阻在受力时一增一减，且阻值增加的两个电阻和阻值减小的两个电阻分别对接，形成差动全桥。;压阻式压力传感器;由于半导体材料对温度比较敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏度系数随温度变化而改变，将引起零点温度漂移和灵敏度漂移，因此必须采取温度补偿措施。 1. 零点温度补偿 零点温度漂移是由于扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图5-7所示。; 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。 温度升高时，若提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，反之，温度降低时，若使电源电压降低，电桥的输出适当减小，便可以实现对传感器灵敏度的温度补偿。如图5-7所示，在电源回路中串联二极管进行温度补偿，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。;5.2 压电式传感器; 某些介质材料在受力作用下，其表面会有电荷产生。根据这种现象制成的压电式传感器，是一种有源的双向机电传感器，具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，用于各种动态力、机械冲击与振动的测量，并在声学、医学、力学、宇航等方面得到了非常广泛的应用。;某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。;;具有压电特性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是最典型而常用的压电晶体。;压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。材料内部的晶粒由许多自发极化的“电畴”组成，每一个电畴具有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。;随着科技的发展，不断出现一些新型的压电材料。20世纪70年代出现了半导体压电材料，如硫化锌（ZnS）、锑化铬（CdTe）等，因其既具有压电特性，又具有半导体特性，故其既可用于压电传感器，又可用于制作电子器件，从而研制成新型集成压电传感器测试系统；近年来研制成功的有机高分子化合物，因其质轻柔软、抗拉强度较高、蠕变小、耐冲击等特点可制成大面积压电元件。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料（PVF2-PZT）。;5.2.2 等效电路及测量电路;1. 等效电路;如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri、放大器的输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻R?。因此，压电传感器在测量系统中的实际等效电路参见图5-15所示。;; 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电