集成传感器应变式传感器教案课件.pptx
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1、集成传感器应变式传感器电阻式传感器两大常用类型应变式传感器是基于测量导体或者半导体受力变形所产生应变而导致电阻变化的一类传感器,最常用的传感元件为电阻应变片。其中半导体的应变效应又称为半导体的压阻效应。基于半导体压阻效应的电阻式传感器是现代固态压力,加速度等力学传感器的基础。第1页/共52页1敏感栅;2基底;3引线;4覆盖层;5黏合剂;6电极;电阻应变片的基本结构第2页/共52页电阻应变片的基本结构 利用金属或半导体材料电阻丝(也称应变丝)的应变电阻效应,可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变,并产生较大的电阻变化,通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件,使用时将其黏贴在
2、待测量物体上,即电阻应变计,简称应变计。第3页/共52页电阻应变片的材料 制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属(铂、铂钨合金等)材料等,其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。除敏感栅以外,对基底材料、粘结剂、引线的材料方面都有要求,可以根据应用对象的不同进行选择。第4页/共52页电阻应变片的选用 选用应变计时,首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等,对应变计的类型进行选择;然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求,选用合适的敏感栅、基底材料的应变计;接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值;最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变
3、计。第5页/共52页电阻应变片的粘贴 电阻应变片工作时,是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去,所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。第6页/共52页电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。应变片压阻效应:半导体材料在受到外力作用时,其电阻率发生变化的现象。ALR电阻应变片的工作原理第7页/共52页22-22/-(/)-1/-22xxxxrLLRLAAAARLARLAArAr rAr rRRrL LA 假设金属丝截面为圆形为泊松比为纵向应变,电
4、阻应变片的工作原理第8页/共52页电阻应变片的工作原理对金属材料,电阻率几乎不变:0012,12xxRSSR ,称为灵敏度系数在塑性变形范围内S0通常取1.83.6。对于半导体材料,以压阻效应为主。半导体材料压阻效应的大小和符号与材料、力的方向、载流子浓度等有关,根据半导体材料的压阻效应:xE 第9页/共52页22/66 133xxEmNEN mERER 1111轴向应力纵向压阻系数,(4080)10电阻丝材料弹性模量,1.67 10所以特点:比金属丝式灵敏度高,输出电流大,但非线性严重,温度稳定性较差。电阻应变片的工作原理第10页/共52页电阻应变片的种类第11页/共52页电阻应变片的种类第
5、12页/共52页电阻应变片的种类第13页/共52页箔式应变片优点:可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅,其栅长最小可做到0.2mm0.2mm,以适应不同的测量要求;横向效应小;散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度;蠕变和机械滞后小,疲劳寿命长;生产效率高,便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。电阻应变片的种类第14页/共52页采用真空沉积或高频溅射等方法,在绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的电阻材料薄膜的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点:应变灵敏系数大,可靠性好,精度高,容易做成高阻抗的小型应变片,无迟滞和蠕变现象,具有良
6、好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜,成膜温度低、可靠性好、系统简单等。薄膜应变片:电阻应变片的种类第15页/共52页在单晶硅上扩散p型杂质电阻应变片的种类第16页/共52页固态压阻式传感器 半导体单晶硅材料在受到外力作用,产生肉眼根本察觉不到的极微小应变时,其原子结构内部的电子能级状态发生变化,从而导致其电阻率剧烈的变化,由其材料制成的电阻也就出现极大变化,这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应,采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺,在单晶硅片上的特定晶向,制成应变电阻构成的惠斯登检测电桥,并同时利用硅的弹性力学特性,在同一硅片上进行特殊的机械加工,集应力敏感与力电转换检测于
7、一体的力学量传感器,称为固态压阻传感器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器。第17页/共52页固态压阻式传感器 主要特点:1.灵敏度高 2.精度高 3.体积小、重量轻、动态频响高 4.性能稳定、可靠性高 5.温度系数小 6.适应介质广 7.安全防爆 在以大规模集成电路技术和计算机软件技术为特色的智能传感器技术中,由于它能做成单片式多功能复合敏感元件来构成智能传感器的基础,因此倍受瞩目。第18页/共52页电阻应变片的种类第19页/共52页电阻应变片的静态特性 静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性,表征静态特性的指标主要有:灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变
8、极限等。第20页/共52页将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下,应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数。应变计的电阻应变特性与单根电阻丝时不同,一般情况下,应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数。电阻应变片的静态特性第21页/共52页横向效应将直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,将直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,但应变状态不同但应变状态不同,应变片敏感栅的电阻变化较,应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小,直的金属丝小,其灵敏系数降低了其灵敏系数降低了,这种现象这种现象称称为应变片的为应变片的横向效应横向效应。为了减为了减小小
9、横向效应横向效应带来的带来的测量误差测量误差,一般采用一般采用短接式或直角式横栅,现在更多的是采用箔式短接式或直角式横栅,现在更多的是采用箔式应变片,可有效克服横向效应的影响。应变片,可有效克服横向效应的影响。电阻应变片的静态特性第22页/共52页 机械滞后产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的所造成的。为了减小机械滞后为了减小机械滞后,除选用合适除选用合适的粘合剂外的粘合剂外,最好在最好在正式使用之前预先加、正式使用之前预先加、卸卸载若干次载若干次再正式测量再正式测量,以
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