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第三章傳感器,能動學院,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)進行測壓。,電阻應變片式、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。,它普遍地被作為標準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：電阻應變片式壓力傳感器、壓阻式傳感器1.電阻應變式壓力傳感器電阻的應變效應：導體受機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，稱為“應變效應”電阻應變式壓力傳感器，通過粘結(jié)在彈性元件上的應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,應變片結(jié)構(gòu)：由應變敏感元件、基片和覆蓋層、引出線三部分組成。應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、傳遞應變和電氣絕緣作用。金屬箔的厚度通常為0.002～0.008mm。應變片厚度小、工作電流大、壽命長、易批量生產(chǎn)，在應力測量中應用廣泛。繞線式應變片由一根高電阻系數(shù)的電阻絲排成柵型，電阻為60～120Ω。,3.1壓力傳感器,電阻應變式壓力傳感器結(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?！鬯沟请姌虬霕颍?圖為膜片式應變片壓力傳感器，4個電阻全為工作片，全橋接法：知：ε2＝ε4,ε1＝ε3，且ε1＝ε3＝-ε2＝-ε4＝-ε則：,3.1壓力傳感器,2.壓阻式壓力傳感器壓阻效應:半導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。(硅、鍺/石英片、壓電陶瓷等）。電阻變化與應變值之間的關(guān)系：式中：靈敏系數(shù)，μ-應變材料的泊松比L、ρ-分別為電阻絲的長度與電阻率,3.1壓力傳感器,硅、鍺等半導體材料組成的元件受到壓縮或拉伸時，其電阻率ρ隨應力()的變化率遠大于一般電阻材料的靈敏系數(shù)，因此，引起半導體材料電阻相對變化的主要原因是壓阻效應：式中：—壓阻系數(shù)；E—彈性摸量；σ—應力；—應變上式表明壓阻傳感器的工作原理是基于壓阻效應的。擴散硅壓阻式傳感器的基片是半導體單晶硅，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、橫向效應小及本身體積小。缺點：溫度溫度性差：半導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大。靈敏系數(shù)的非線性度較大：靈敏系數(shù)高，在承受大應變作用時，引起的電阻變化教大，靈敏度系數(shù)失去線性。,3.1壓力傳感器,體形（bulk)半導體電阻應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，橫向效應和機械之后極??；溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差的多。,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體電阻應變膜片,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)生應力。四個電阻在應力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應力σr和切向應力σt分布情況確定。設計時適當安排電子的位置，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，頻率響應高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準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，影響傳感器的準確性。減少與補償誤差措施：①恒流源供電電橋；②零點溫度補償；③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,①零點溫度漂移零點溫度漂移是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，導致B、D兩點電位不等，如當溫度升高時，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、阻值較大的電阻RP，用來約束R2的變化。當溫度變化時，可減少或消除B、D點之間的電位差，達到補償?shù)哪康摹?3.1壓力傳感器,②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??；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，使電橋的輸出適當增大，便可以達到補償?shù)哪康?。反之，溫度降低時，靈敏度升高，如果使電源電壓降低，電橋的輸出適當減小，同樣可達到補償?shù)哪康摹?3.1壓力傳感器,圖為二極管PN結(jié)的溫度特性為負值，溫度每升高1℃時，正向壓降約減小1.9～2.5mV。將適當數(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，便可以達到補償?shù)哪康摹?謝謝！,