第4部分传感器原理1-电阻式.pptVIP

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传感器作用 传感器在非电量电测系统中的作用: 金属电阻应变片分为丝式、箔式两种。 金属丝电阻应变片的典型结构见下图。 1—粘合层 2 —基底 3—粘合层 4—盖片 5—敏感栅 6—引出线 电阻应变式传感器 金属箔式应变片的敏感栅,则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造,适合于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好等优点,因此,目前使用的多为金属箔式应变片,其结构见图。 电阻应变式传感器 应变计 金属应变计 电阻应变式传感器 (2)半导体应变片 半导体应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应,即单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率r发生变化的现象。 半导体应变片最简单的典型结构如右图所示,使用方法与金属应变片相同,粘贴在被测物体上,随被测试件的应变其电阻值发生相应变化 。 半导体应变片 半导体在压力、温度及光辐射作用下,能使其电阻率r 发生很大变化←单晶半导体在外力作用下,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移率及载流子浓度的变化,从而引起电阻率的变化。 实际上,任何材料都不同程度地呈现压阻效应,但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料,故仍可用上式来表达。对于金属材料来说, dr /r 比较小,但对于半导体材料,dr /r (1+2m)e ,即因机械变形引起的电阻变化可以忽略,电阻的变化率主要是由dr /r ?引起的。 半导体应变片 几何尺寸改变所引发的 电阻率随应变 改变而改变 对于半导体: 是半导体应变片的主要部分 灵敏度: 比金属丝电阻应变片大50~70倍 上式可简化为 半导体应变片 金属丝电阻应变片 缺点:温度稳定性能差、灵敏度离散度大、 在较大的应力作用下非线性误差大等。 →可重复性不如金属应变片。 主要区别 半导体应变片 优点:半导体应变片的最突出优点是灵敏度高。另外还有机械滞后小、横向效应小及它本身体积小等特点,扩大了使用范围。 压阻效应 应变效应 ←利用导体形变引起 电阻的变化 ←利用半导体电阻率变化 引起电阻的变化 半导体应变片 固态压阻式传感器的工作原理:与半导体应变片相 同,都是利用半导体材料的压阻效应。 区别在于:半导体应变片是由单晶半导体材料构成,是利用半导体电阻做成粘贴式敏感元件。固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,所以也称为扩散型半导体应变片。 3 固态压阻式传感器 机械力作用→硅片产生应变 →导电层发生电阻变化 固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。 固态压阻式传感器 固态压阻式传感器优点:①灵敏度非常高,有时传感器的输出不需放大可直接用于测量;②分辨率高,例如测量压力时可测出10~20Pa的微压;③测量元件的有效面积可做得很小,故频率响应高;④可测量低频加速度和直线加速度。其最大的缺点是温度误差大,故需温度补偿或恒温条件下使用。   利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图。悬臂梁3由于加速度而产生位移,该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化,检测电阻变化即可检测出加速度大小。在100Hz左右的带宽中,可检测 (0.001 ~ 50)g( g = 9.8m/s2)的加速度。 固态压阻式传感器 如图是一个采用单晶硅作成的悬臂梁式弹性元件,并且采用平面扩散工艺技术,在它上面形成四个性能一致的电阻,构成全桥;在梁的自由段连接上敏感质量块,组成悬臂梁应变式加速度传感器。 固态压阻式传感器 应变片的主要参数 4)其它表示应变计性能的参数(工作温度、 滞后、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度 等)。 1)几何参数:丝栅宽度b ,制造厂 常用 b×L 表示。 2)电阻值:应变计的原始电阻值。 3)灵敏系数:表示应变计变换性能 的重要参数。 电阻应变片 电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕、断丝等 缺陷,有缺陷的应变片不能粘贴。 2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆。 3.试件表面处理:贴片处用细纱纸打磨干净,用 酒精棉球反复擦洗贴处,直到棉球无黑迹为止。 4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水, 轻轻涂抹均匀,立即放在应变贴片位置。 电阻应变片 5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。 6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织,应 大于500M欧。 7.应变片保护:用704硅橡胶覆于应变片上,

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