1、第3章 應變傳感器第3章 應變傳感器3.13.13.23.2 電阻應變傳感器 薄膜應變電阻及傳感器 3.33.33.43.4 電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題 電阻應變傳感器應用起重量限制器第3章 應變傳感器 導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應變效應”第3章 應變傳感器 應變傳感器包括：幾何量，運動量，力學量傳感器。 幾何量指位移、尺寸等。 運動量指加速度等。 力學量指壓力、拉力、應力等。第3章 應變傳感器將電阻應變片粘貼到各種彈性元件上，將電阻應變片粘貼到各種彈性元件上，可構成測量位移、加速度、力、壓力、可構成測量位移、加速度、力、壓力

2、、拉力等各種參數(shù)的電阻應變傳感器。拉力等各種參數(shù)的電阻應變傳感器。3.13.1 電阻應變傳感器第3章 應變傳感器3.13.1 電阻應變傳感器3.1.13.1.1應變片的結構和類型應變片的結構和類型圖圖3.13.1所示的應變片結構主要由四所示的應變片結構主要由四部分組成：部分組成： 電阻絲電阻絲( (敏感柵敏感柵) ) 基底和面膠基底和面膠( (覆蓋層覆蓋層) ) 粘合劑粘合劑 引出線引出線圖圖3.1應變片的結構應變片的結構1. 應變片的結構和類型第3章 應變傳感器3.13.1 電阻應變傳感器3.1.13.1.1應變片的結構和類型應變片的結構和類型按應變片敏感柵的按應變片敏感柵的材料不同，應變片

3、材料不同，應變片可分成可分成金屬應變片金屬應變片和半導體應變片和半導體應變片兩兩大類。大類。2. 電阻應變片的分類第3章 應變傳感器3.13.1 電阻應變傳感器1.1.絲式：金屬絲絲式：金屬絲2.2.箔式：敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝箔式：敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成的。制成的。3.3.半導體：利用半導體的壓阻效應制成。半導體：利用半導體的壓阻效應制成。4.4.薄膜式：采用真空濺射或真空沉積的工薄膜式：采用真空濺射或真空沉積的工藝制成的藝制成的3.1.23.1.2常用應變片常用應變片第3章 應變傳感器本節(jié)要點總結本節(jié)要點總結1掌握電阻應變片的結構。掌握電阻應變片的結構。2掌握電阻應變片的分

4、類。掌握電阻應變片的分類。9了解常用的應變片。了解常用的應變片。3第3章 應變傳感器3.23.2薄膜應變電阻及傳感器 通過物理方法或化學、電化學反應，以原子、分子通過物理方法或化學、電化學反應，以原子、分子或離子顆粒形式受控地凝結于固態(tài)支撐物（即基底）或離子顆粒形式受控地凝結于固態(tài)支撐物（即基底）上所形成薄膜的固體材料，被認為是處于薄膜形態(tài)。上所形成薄膜的固體材料，被認為是處于薄膜形態(tài)。 或者說，在一定基底材料上用各種物理、化學方法或者說，在一定基底材料上用各種物理、化學方法制出導電或介質材料的膜，稱為薄膜。其厚度約在制出導電或介質材料的膜，稱為薄膜。其厚度約在數(shù)十埃至數(shù)微米之間。數(shù)十埃至數(shù)微

5、米之間。第3章 應變傳感器 薄膜有兩種分類方法：按薄膜厚度分類和按薄膜結薄膜有兩種分類方法：按薄膜厚度分類和按薄膜結構形式分類。構形式分類。3.23.2薄膜應變電阻及傳感器3.2.13.2.1薄膜分類薄膜分類(1) 非連續(xù)金屬膜。這種膜的厚度小于非連續(xù)金屬膜。這種膜的厚度小于108 m，膜面呈一，膜面呈一個個相互孤立的小島，它們之間沒有通道，其導電作用是個個相互孤立的小島，它們之間沒有通道，其導電作用是由隧道效應所實現(xiàn)的。這種膜形成的應變片阻值很高，靈由隧道效應所實現(xiàn)的。這種膜形成的應變片阻值很高，靈敏度也很高，但性能極不穩(wěn)定。敏度也很高，但性能極不穩(wěn)定。1. 按薄膜厚度分類第3章 應變傳感器

6、(2) 半連續(xù)膜。這種膜的厚度在半連續(xù)膜。這種膜的厚度在1082108 m之間，之間，膜面呈不連續(xù)的島狀，各島之間有若干通道。膜面呈不連續(xù)的島狀，各島之間有若干通道。(3) 連續(xù)膜。這種膜的厚度一般大于連續(xù)膜。這種膜的厚度一般大于2108 m，膜面上，膜面上基本看不到島狀結構。這種膜的穩(wěn)定性遠遠高于前兩種，基本看不到島狀結構。這種膜的穩(wěn)定性遠遠高于前兩種，力敏元件均采用這種膜。力敏元件均采用這種膜。1. 按薄膜厚度分類3.23.2薄膜應變電阻及傳感器3.2.13.2.1薄膜分類薄膜分類第3章 應變傳感器(1) 多晶體薄膜。用于敏感元件的半導體多晶體薄膜。用于敏感元件的半導體(如如Ge、Si)和

7、化和化合物半導體合物半導體(如銻化銦如銻化銦(InSb)、砷化鎵、砷化鎵(GnAs)通常都制成通常都制成多晶體薄膜。這種膜是由微小的晶粒無規(guī)則排列構成的，多晶體薄膜。這種膜是由微小的晶粒無規(guī)則排列構成的，其晶核形成晶粒的大小取決于基底溫度、淀積速度等工藝其晶核形成晶粒的大小取決于基底溫度、淀積速度等工藝條件。若再經(jīng)過退火處理，則還可使該膜的晶粒增大。用條件。若再經(jīng)過退火處理，則還可使該膜的晶粒增大。用各種方法獲得的金屬薄膜一般都是多晶體薄膜。各種方法獲得的金屬薄膜一般都是多晶體薄膜。2. 按薄膜結構分類3.23.2薄膜應變電阻及傳感器3.2.13.2.1薄膜分類薄膜分類第3章 應變傳感器(2)

8、 單晶體薄膜。用外延生長方法獲得的半導體薄膜均屬單晶體薄膜。用外延生長方法獲得的半導體薄膜均屬單晶體薄膜。外延生長法已廣泛應用于制造各種半導體器單晶體薄膜。外延生長法已廣泛應用于制造各種半導體器件和集成電路。該方法已十分成熟。用該方法獲得的硅薄件和集成電路。該方法已十分成熟。用該方法獲得的硅薄膜，因為基片是單晶，所以生長出的薄膜也是單晶。膜，因為基片是單晶，所以生長出的薄膜也是單晶。2. 按薄膜結構分類3.23.2薄膜應變電阻及傳感器3.2.13.2.1薄膜分類薄膜分類第3章 應變傳感器(3) 無定形薄膜。用各種方法獲得的金屬氧化物介質薄無定形薄膜。用各種方法獲得的金屬氧化物介質薄膜一般都是非

9、晶態(tài)，這就是所謂的無定形薄膜。在一定條膜一般都是非晶態(tài)，這就是所謂的無定形薄膜。在一定條件下件下(如基底溫度很低如基底溫度很低)，也可形成半導體的無定形薄膜，也可形成半導體的無定形薄膜，如無定形硅薄膜等。目前用于制造敏感元件和傳感器的薄如無定形硅薄膜等。目前用于制造敏感元件和傳感器的薄膜大都是金屬膜大都是金屬(包括合金包括合金)或半導體薄膜，而氧化物介質薄或半導體薄膜，而氧化物介質薄膜通常用作絕緣層。膜通常用作絕緣層。2. 按薄膜結構分類3.23.2薄膜應變電阻及傳感器3.2.13.2.1薄膜分類薄膜分類第3章 應變傳感器對于長為對于長為L，橫截面為，橫截面為S的均勻材料的均勻材料(金屬或半導

10、體金屬或半導體)，兩，兩端的電阻值為端的電阻值為3.2.23.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理lRS當受到一個沿著長度方向的縱向應力時，由于幾何形狀當受到一個沿著長度方向的縱向應力時，由于幾何形狀及內(nèi)部結構發(fā)生變化，因此將引起電阻值的變化。對上及內(nèi)部結構發(fā)生變化，因此將引起電阻值的變化。對上式進行全微分可以求得電阻值的變化為式進行全微分可以求得電阻值的變化為2ddddSLLRLSSS3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器用相對變化量表示，則有用相對變化量表示，則有3.2.23.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理令：令：2dddSddd /dSS1d /LLLRS SLSLLLRL

11、 LLSSS得得:d(12)RER3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器令：令：3.2.23.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理得得:上式表明材料電阻的相對變化和應變之間的比例關系。上式表明材料電阻的相對變化和應變之間的比例關系。k稱為材料的靈敏系數(shù)或應變因子。其物理意義為材料稱為材料的靈敏系數(shù)或應變因子。其物理意義為材料發(fā)生單位應變時的電阻變化率。發(fā)生單位應變時的電阻變化率。3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器3.2.23.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理由由k的表達式可知，材料的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：的表達式可知，材料的靈敏系數(shù)由兩個因素決定：一是一是1+2，

12、它由材料的，它由材料的幾何尺寸幾何尺寸的變化引起；另一個的變化引起；另一個是是E，由材料受力后，由材料受力后電阻率發(fā)生的變化電阻率發(fā)生的變化引起。引起。如果應變感壓材料為如果應變感壓材料為金屬金屬，那么，由于它的電阻率基本，那么，由于它的電阻率基本上與應力無關上與應力無關， E值很小，可以忽略值很小，可以忽略，因此這時材料，因此這時材料的靈敏系數(shù)主要的靈敏系數(shù)主要取決于幾何尺寸的變化取決于幾何尺寸的變化。在彈性形變范。在彈性形變范圍內(nèi)，圍內(nèi)，k在在1.52之間。之間。3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器3.2.23.2.2薄膜的工作原理薄膜的工作原理如果應變感壓材料為半導體材料，

13、由于其具有良好的彈如果應變感壓材料為半導體材料，由于其具有良好的彈性性能和壓阻效應，它的性性能和壓阻效應，它的壓阻系數(shù)很大，壓阻系數(shù)很大，k主要由主要由E決決定定，可，可高達高達100以上以上。所以，可以制作出。所以，可以制作出靈敏度很高靈敏度很高的的應變片和壓力傳感器。應變片和壓力傳感器。3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器3.2.33.2.3薄膜應變傳感器的特點薄膜應變傳感器的特點薄膜應變片薄膜應變片及傳感器與擴散硅等傳感器相比，其制及傳感器與擴散硅等傳感器相比，其制造工藝環(huán)節(jié)要少得多。它的主要制造工藝環(huán)節(jié)是造工藝環(huán)節(jié)要少得多。它的主要制造工藝環(huán)節(jié)是成成膜工藝膜工藝(如濺射、

14、蒸發(fā)等如濺射、蒸發(fā)等)。由于工藝環(huán)節(jié)較少，因。由于工藝環(huán)節(jié)較少，因此此工藝周期較短，成品率較高工藝周期較短，成品率較高。這是它目前獲得廣。這是它目前獲得廣泛使用的主要原因之一。泛使用的主要原因之一。3.23.2薄膜應變電阻及傳感器第3章 應變傳感器本節(jié)要點總結本節(jié)要點總結1掌握薄膜工作原理。掌握薄膜工作原理。2掌握半導體應變片的特點及壓掌握半導體應變片的特點及壓阻效應。阻效應。第3章 應變傳感器3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題 現(xiàn)在常用的電阻應變傳感器一般都選用半導體材料現(xiàn)在常用的電阻應變傳感器一般都選用半導體材料。半導體材料的溫度穩(wěn)定性差。電阻應變傳感器受。半導體材料的溫度穩(wěn)

15、定性差。電阻應變傳感器受到溫度影響后其輸出要產(chǎn)生溫度漂移。到溫度影響后其輸出要產(chǎn)生溫度漂移。1. 溫度漂移的補償 通常制作半導體電阻應變敏感元件時，在基片上擴通常制作半導體電阻應變敏感元件時，在基片上擴散出四個相同的電阻。這四個電阻接成電橋，并且散出四個相同的電阻。這四個電阻接成電橋，并且將阻值增加的兩個電阻對接，將阻值減小的兩個電將阻值增加的兩個電阻對接，將阻值減小的兩個電阻對接，使電橋的輸出最大。阻對接，使電橋的輸出最大。第3章 應變傳感器3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題 但半導體電阻應變敏感元件的溫度漂移必須引起注但半導體電阻應變敏感元件的溫度漂移必須引起注意。給電橋用恒

16、流源供電，可以最大限度地克服溫意。給電橋用恒流源供電，可以最大限度地克服溫度的影響。度的影響。1. 溫度漂移的補償 如果給電橋用電壓源供電，則要注意溫度升高，傳如果給電橋用電壓源供電，則要注意溫度升高，傳感器靈敏度下降的問題。此時，可采用自動改變電感器靈敏度下降的問題。此時，可采用自動改變電源電壓大小的方法來進行溫度漂移的補償源電壓大小的方法來進行溫度漂移的補償 圖圖3.6為一種靈敏度為一種靈敏度K溫度漂移的補償電路。溫度漂移的補償電路。第3章 應變傳感器1. 溫度漂移的補償圖圖3.6一種靈敏度一種靈敏度K溫度漂移的補償電路溫度漂移的補償電路3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題第3

17、章 應變傳感器1. 溫度漂移的補償圖圖 三極管輸入特性曲線三極管輸入特性曲線T T上升，上升，I Ib b增大增大3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題第3章 應變傳感器 該電路利用三極管該電路利用三極管V基極與發(fā)射極間基極與發(fā)射極間PN結敏感溫度結敏感溫度的大小，使三極管的大小，使三極管V輸出電流發(fā)生變化，改變管壓輸出電流發(fā)生變化，改變管壓降降Uce的大小的大小,從而使電橋的電源電壓從而使電橋的電源電壓U得到改變，得到改變，最終達到補償?shù)哪康摹囟壬?，傳感器靈敏度最終達到補償?shù)哪康?。溫度升高，傳感器靈敏度K下降。下降。 補償電路工作過程如下：補償電路工作過程如下：1. 溫度漂移的

18、補償3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題第3章 應變傳感器 如果選用粘貼式電阻應變片作電阻應變傳感器，則如果選用粘貼式電阻應變片作電阻應變傳感器，則要根據(jù)現(xiàn)場實際情況認真設計或選擇粘貼電阻應變要根據(jù)現(xiàn)場實際情況認真設計或選擇粘貼電阻應變片的彈性元件。凡是能夠傳遞應變的彈性材料都可片的彈性元件。凡是能夠傳遞應變的彈性材料都可以作為彈性元件。以作為彈性元件。 但要考慮工作環(huán)境、安裝部位、空間大小、受力形但要考慮工作環(huán)境、安裝部位、空間大小、受力形式、粘合劑性能、量程范圍、精度要求等因素。式、粘合劑性能、量程范圍、精度要求等因素。2. 彈性元件的設計或選擇3.33.3電阻應變傳感器使用中

19、應注意的一些問題第3章 應變傳感器2. 彈性元件的設計或選擇圖圖3.7幾種簡單的彈性元件示例幾種簡單的彈性元件示例3.33.3電阻應變傳感器使用中應注意的一些問題第3章 應變傳感器本節(jié)要點總結本節(jié)要點總結1掌握溫度補償。掌握溫度補償。2掌握彈性元件的設計與選擇。掌握彈性元件的設計與選擇。第3章 應變傳感器 起重機廣泛應用于冶金、礦山、碼頭、倉儲等行業(yè)之中，起重機廣泛應用于冶金、礦山、碼頭、倉儲等行業(yè)之中， 它屬于一種特種設備。為了保障起重機安全操作，它屬于一種特種設備。為了保障起重機安全操作，根據(jù)相根據(jù)相關規(guī)范，人們關規(guī)范，人們設計了起重機起重量限制器設計了起重機起重量限制器。 起重量限制器起

20、重量限制器是起重機械安全保護裝置，專門用于各種是起重機械安全保護裝置，專門用于各種型號規(guī)格的電動葫蘆單雙梁式起重機。該裝置具有聲報型號規(guī)格的電動葫蘆單雙梁式起重機。該裝置具有聲報警、立即報警、切斷起重機起升電機回路和顯示起吊重警、立即報警、切斷起重機起升電機回路和顯示起吊重物重量等功能，可物重量等功能，可避免起重設備因過負荷超載造成的設避免起重設備因過負荷超載造成的設備和人身事故。備和人身事故。3.43.4電阻應變傳感器的應用起重重限制器第3章 應變傳感器 工作原理：起重機工作時，起吊的載荷由電阻應變傳工作原理：起重機工作時，起吊的載荷由電阻應變傳感器檢測。該傳感器可根據(jù)實際情況，設計成旁壓式

21、感器檢測。該傳感器可根據(jù)實際情況，設計成旁壓式、軸銷式等。當起重機起吊重物時，傳遞給傳感器的、軸銷式等。當起重機起吊重物時，傳遞給傳感器的力力( (壓力或拉力壓力或拉力) )使傳感器的彈性元件發(fā)生微小變形，使傳感器的彈性元件發(fā)生微小變形，從而使粘貼在彈性元件上的橋式電阻應變片的電阻值從而使粘貼在彈性元件上的橋式電阻應變片的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，電橋產(chǎn)生與載荷成比例的發(fā)生變化，電橋失去平衡，電橋產(chǎn)生與載荷成比例的輸出電壓信號，完成由重量到電壓信號的轉換。受力輸出電壓信號，完成由重量到電壓信號的轉換。受力3.43.4電阻應變傳感器的應用起重重限制器第3章 應變傳感器 產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過低噪聲、高輸入阻抗運算放大器產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過低噪聲、高輸入阻抗運算放大器放大放大( (之