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1、第2章应变式传感器3,2.7 应变式传感器,电阻应变丝、片，除直接用来测定试件的应变和应力外,还广泛用作传感元研制成各种应变式传感器,用来测定其他物理量,如力、压力、扭矩、加速度等。应变式传感器的基本构成通常可分为两部分,弹性敏感元件和应变计(丝)。弹性敏感元件在被测物理量的作用下,产生一个与它成正比的应变,然后用应变计(丝)作为转换元件将应变转换为电阻变化。,2,(1)测量范围广、精度高。测力传感器,可测10-2107N的力,精度达到0.05%FS以上;压力传感器,可测10-1107Pa的压力,精度可达0.1%FS。,3,应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,(2)性能稳定可靠,使
2、用寿命长。对于称重而言,机械杠杆称由于杠杆、刀口等部分相互摩擦产生损耗和变形,欲长期保持其精度是相当困难的。采用电阻应变式称重传感器制成的电子秤、汽车衡、轨道衡等,只要传感器设计合理,应变计选择确当,粘贴、防潮、密封可靠,就能长期保持性能稳定可靠。,4,应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,(3)频率响应特性较好。随着大规模集成电路工艺的发展,已可将电路甚至A/D转换与传感器组成一个整体,传感器可直接接入计算机进行数据处理。,5,应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,(4)能在恶劣的环境条件下工作。一般电阻式应变计响应时间约为10-7 s,半导体应变计可达10-11 s。若
3、能在弹性元件上采取措施,则由它们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。,6,应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,(5)易于实现小型化、整体化。只要进行适当的结构设计及选用合适的材料,应变式传感器可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣的环境条件下正常工作。,7,应变式传感器与其他类型传感器相比具有如下特点:,2.7.1 弹性敏感元件 不仅对于应变式传感器,对其他某些类型的传感器,弹性敏感元件在传感器技术中也占有极为重要的地位。在传感器工作过程中,一般是由弹性敏感元件把各种形式的物理量转换成形变,再由转换元件(例如电阻应变计)转换成电量。所
4、以在传感器中弹性元件是应用最广泛的元件之一。其质量的优劣直接影响传感器的性能及精度,有时还是传感器的核心部分。,8,通常弹性敏感元件具有以下性能要求:(1)弹性储能(应变能)高。弹性储能是材料在开始塑性变形以前单位体积所储存的弹性能。它表示弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。,9,弹性极限,杨氏模量,极限应变,通常弹性敏感元件具有以下性能要求:(2)具有较强的抗压(或抗拉)强度,以便高载荷下的安全。(3)受温度影响小。弹性模量温度系数小而稳定,热膨胀系数小。,10,通常弹性敏感元件具有以下性能要求:(4)具有良好的机械加工和热处理性能,易于机械加工及热处理。(5)具有良好的重复性和稳定性
5、。(6)热处理后应有均匀稳定的组织,且各向同性。(7)具有高的抗氧化、抗腐蚀性能。,11,2.7.2 应变式测力与称重传感器,应变式测力传感器由弹性体、应变计和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础,应变计是传感器的核心。根据弹性体的结构形式的不同可分为:柱式、轮辐式、梁式、环式等。,12,1.柱式传感器,13,柱式传感器是称重(或测力)传感器应用较普遍的一种形式。它分为圆筒形和柱形两种。其结构是在圆筒或圆柱上按一定方式贴上应变计。,结构示意图,外形,14,横向粘贴的应变计既作为温度补偿,也起到提高灵敏度的作用。,15,截面积随载荷改变所导致的非线性:筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来
6、,改善了应力线分布;在筒壁上还能开孔,形成许多条应力线,从而与载荷在端面的分布无关,并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响,使引起的误差更小。,2.轮辐式传感器,轮辐式传感器是一种剪切力传感器。轮辐条成对地连接在轮圈和轮轱之间,可为四根或八根(图中为四根)。采用钢球传递重力,因为圆球压头有自动定中心的功能。,16,轮轱,轮圈,轮辐条,承压应变计,拉伸应变计,17,矩形辐条产生平行四边形的变形,当外力F作用在轮轱的上端面和轮圈下端面时,使矩形辐条产生平行四边形的变形。,18,轮辐式传感器测量桥路,3.悬臂梁式传感器,悬臂梁式传感器是一种称重测力传感器，采用弹性梁及电阻应变计作敏感转换元件,组成全桥电
7、路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时,电阻应变计随金属弹性梁一起变形,其应变使电阻应变计的阻值变化,因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪即可显示或记录重量(或力)。,19,悬臂梁式传感器结构图,20,几种梁式传感器外形,等强度梁,等截面梁,弹性模量,悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷,最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程,如钢制工字悬臂梁结构传感器量程为0.230t,精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴,灵敏度高等特点。,4.环式传感器,环式常用于测几十千克以上的大载荷,与柱式相比,它的特点是应力分布变化大,且
8、有正有负。,22,图2.31 圆环式传感器弹性元件结构,拉力环,压力环,表2.1 几种应变式测力与称重传感器的性能,23,2.7.3 应变式压力传感器,应变式压力传感器由电阻应变计、弹性元件、外壳及补偿电阻组成。一般用于测量较大的压力。它广泛用于测量管道内部压力,内燃机燃气的压力,压差和喷射压力,发动机和导弹试验中的脉动压力,以及各种领域中的流体压力等。,24,图2.32 筒式压力传感器的弹性元件,1.筒式压力传感器,25,筒式压力传感器的弹性元件,一端肓孔,另一端有法兰与被测系统连接。,当应变管内腔与被测压力相通时,圆筒部分周向应变为,在薄壁筒上贴有两片应变计作为工作片,实心部分贴有两片应变
9、计作为温度补偿片。,被测压力,圆筒外径,圆筒内径,2.膜片式压力传感器,该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平膜片。,27,膜片受力时的应变分布,当膜片一面受压力p作用时,膜片的另一面(应变计粘贴面)上的径向应变r和切向应变t为,平膜片工作部分半径,平膜片厚度,膜片的弹性模量,膜片的泊松系数,任意点离圆心的径向距离,在膜片中心即x=0处,r和t均达到正的最大值,即,而在膜片边缘,即x=R处,t=0,而r达到负的最大值(最小值)。,29,3.组合式压力传感器,组合式压力传感器,通常用于测量小压力。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件感受压力后,推动推杆使梁变形。电阻应变计粘贴于梁的根部
10、感受应变。因为悬臂梁刚性较大,所以这种组合可以克服稳定性较差,滞后较大的缺点。,30,图2.35 组合式压力传感器,2.7.4 应变式加速度传感器,31,应变式加速度传感器,悬臂梁,固定一质量块,壳体,应变计,电引线,运动方向,假设悬臂梁为等强度梁,作加速运动时梁根部的应变为：,加速度传感器的灵敏度M表示加速度为1g时梁上下两个应变计应变量。若梁的上下各贴一应变计,组成半桥,则灵敏度是梁应变的两倍,即,32,惯性块质量,等强度梁折算到自由端的等效质量,一般为梁质量的1/6,若梁的上下各贴两片应变计,组成全桥,则灵敏度又是上式的两倍。传感器的固有频率为,33,2.8 几种新型的微应变式传感器,2
11、.8.1 压阻效应 压阻效应是微应变式传感器依据的基本效应,由欧姆定律知,流过一电阻的电流和电压之间的关系：,描述材料特性：,34,电场强度,电阻率,电流密度,若存在压阻效应：,35,单晶硅为立方晶体,是各项异性体,压阻系数矩阵为,36,纵向压阻系数,横向压阻系数,剪切向压阻系数,11、12、44随材料的掺杂类型、浓度和环境温度的不同而变化。对P型硅,切向压阻系数44有最大值;对N型硅,纵向压阻系数11有最大值。对单晶硅：,37,2.8.2 敏感元件加工新技术,1.薄膜技术 薄膜技术是在一定的基底上,用真空蒸镀、溅射、化学气相淀积（CVD）等工艺技术加工成零点几微米至几微米的金属、半导体或氧化
12、物薄膜的技术。这些薄膜可以加工成各种梁、桥、膜等微型弹性元件,也可加工为转换元件,有的可作为绝缘膜,有的可用作控制尺寸的牺牲层,在传感器的研制中得到了广泛应用。,38,1)真空蒸镀 在真空室内,将待蒸发的材料置于钨丝制成的加热器上加热,当真空度抽到0.0133Pa以上时,加大钨丝的加热电流,使材料融化,继续加大电流使材料蒸发,在基底上凝聚成膜。,39,真空室,基底,钨丝,接高真空泵,2)溅射 在低真空室中,将待溅射物制成靶置于阴极,用高压（通常在1000V以上）使气体电离形成等离子体,等离子中的正离子以高能量轰击靶面,使待溅射物的原子离开靶面,淀积到阳极工作台上的基片上,形成薄膜。,40,靶,
13、阴极,直流高压,阳极,基片,惰性气体入口,接真空系统,3)化学气相淀积（CVD）化学气相淀积是将有待积淀物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积物质,淀积在基底上生成薄膜。,41,2.微细加工技术 微细加工技术是利用硅的异向腐蚀特性和腐蚀速度与掺杂浓度有关,对硅材料进行精细加工制作复杂微小的敏感元件的技术。1)体型结构腐蚀加工 体型结构腐蚀加工常用化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）技术。单晶硅常用化学腐蚀方法。化学腐蚀是利用腐蚀剂对需要加工的部分进行化学反应,形成特定的体形结构。,42,单晶硅立体结构的腐蚀加工过程,43,2)表面腐蚀加工牺牲层技术,44,45,方形平膜片结构,除用于压力传感器外,亦可用于电容式传感器。,2.8.3 微型硅应变式传感器的一些基本结构。,悬臂梁结构,可用于加速度传感器,桥式结构,
