1、3.3.2 3.3.2 電阻式壓力計(jì)電阻式壓力計(jì)11電阻式壓力計(jì)特點(diǎn)：電阻式壓力計(jì)特點(diǎn)：1.1.靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應(yīng)快。靈敏度高、測量范圍廣、頻率響應(yīng)快。2.2.既可用于動(dòng)態(tài)測量，又可用于靜態(tài)測量。既可用于動(dòng)態(tài)測量，又可用于靜態(tài)測量。3.3.結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，易于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化。小型化和集成化。4.4.能在低溫、高溫、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、核能在低溫、高溫、高壓、強(qiáng)烈振動(dòng)、核輻射和化學(xué)腐蝕等各種惡劣環(huán)境下可靠輻射和化學(xué)腐蝕等各種惡劣環(huán)境下可靠工作。工作。3.3.2.1 3.3.2.1 測量基本原理測量基本原理金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其

2、阻值可表示為：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料制成的電阻體，其阻值可表示為： 式中式中 電阻的電阻率，電阻的電阻率，mm; ; L L電阻的軸向長度，電阻的軸向長度，m;m; A A電阻的橫向截面積，電阻的橫向截面積，m m2 2; ; ALRAALLRRLLrrAA22當(dāng)電阻絲在拉力當(dāng)電阻絲在拉力F F的作用下，長度、截面、電阻率的作用下，長度、截面、電阻率均會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)引起電阻的變化，其相均會(huì)發(fā)生變化，這些都會(huì)引起電阻的變化，其相對(duì)變化量為對(duì)變化量為：式中，式中，電阻材料的泊松比電阻材料的泊松比 )21 (RRLL電阻軸向長度的相對(duì)變化量成為應(yīng)變，一般用電阻軸向長度的相對(duì)變化量成為應(yīng)變，一般用

3、表示，表示，即即 ，則電阻的相對(duì)變化量可寫成：，則電阻的相對(duì)變化量可寫成：由上式可知，電阻的變化取決于以下兩個(gè)因素：由上式可知，電阻的變化取決于以下兩個(gè)因素：（1 1） , ,它是由幾何尺寸變化引起的。這種電阻絲在外力它是由幾何尺寸變化引起的。這種電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，其電阻值隨機(jī)發(fā)生變化的現(xiàn)象，叫應(yīng)變效應(yīng)。作用下發(fā)生機(jī)械形變，其電阻值隨機(jī)發(fā)生變化的現(xiàn)象，叫應(yīng)變效應(yīng)。（2 2） , ,它是由電阻率變化引起的。這種固體受到壓力作用后，其它是由電阻率變化引起的。這種固體受到壓力作用后，其晶格間距發(fā)生變化，電阻率隨壓力變化的現(xiàn)象成為壓阻效應(yīng)。晶格間距發(fā)生變化，電阻率隨壓力變化的現(xiàn)象成為壓阻

4、效應(yīng)。)21 ( 3.3.2.2 3.3.2.2 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片（1 1）金屬電阻應(yīng)變片（以應(yīng)變效應(yīng)為主）金屬電阻應(yīng)變片（以應(yīng)變效應(yīng)為主）（2 2）半導(dǎo)體應(yīng)變片（以壓阻效應(yīng)為主）半導(dǎo)體應(yīng)變片（以壓阻效應(yīng)為主）（3 3）薄膜應(yīng)變片）薄膜應(yīng)變片A.A.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片（絲式、箔式、薄膜式）（絲式、箔式、薄膜式）a.a.種類與結(jié)構(gòu)種類與結(jié)構(gòu)基底的作用：基底的作用：（1 1）支持敏感柵，使它保持一定的幾何形狀；）支持敏感柵，使它保持一定的幾何形狀；（2 2）將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確的傳送到敏感柵上；）將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確的傳送到敏感柵上；（3 3）使敏感柵與彈性體之間相互絕緣。）使敏

5、感柵與彈性體之間相互絕緣。覆蓋層的作用：保護(hù)敏感柵避免受外界的機(jī)械損傷，覆蓋層的作用：保護(hù)敏感柵避免受外界的機(jī)械損傷，并防止環(huán)境溫度、濕度的侵?jǐn)_。并防止環(huán)境溫度、濕度的侵?jǐn)_。引線用來鏈接敏感柵和測量儀器。引線用來鏈接敏感柵和測量儀器。b.b.材質(zhì)材質(zhì)材料選擇一般應(yīng)同時(shí)兼顧一下幾個(gè)方面的要求：材料選擇一般應(yīng)同時(shí)兼顧一下幾個(gè)方面的要求：1.1.應(yīng)變片靈敏系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)K K要大，且在較大范圍內(nèi)保持要大，且在較大范圍內(nèi)保持K K為常數(shù)；為常數(shù)；2.2.電阻溫度系數(shù)要小，有較好的熱穩(wěn)定性；電阻溫度系數(shù)要小，有較好的熱穩(wěn)定性；3.3.電阻率和機(jī)械強(qiáng)度要高，工藝性能要好，易于加工成細(xì)絲及便電阻率和機(jī)械

6、強(qiáng)度要高，工藝性能要好，易于加工成細(xì)絲及便于焊接等。于焊接等。常用的金屬電阻應(yīng)變片材料有：適用于常用的金屬電阻應(yīng)變片材料有：適用于300300以下的靜態(tài)測量的以下的靜態(tài)測量的康銅、銅鎳合金；適用于康銅、銅鎳合金；適用于45804580以下靜態(tài)測量或以下靜態(tài)測量或800800以下動(dòng)態(tài)以下動(dòng)態(tài)測量的鎳鉻合金和鎳鉻鋁合金。測量的鎳鉻合金和鎳鉻鋁合金。B B 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 用于生產(chǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有硅、鍺、銻化銦、用于生產(chǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料有硅、鍺、銻化銦、磷化鎵砷化鎵等，硅和鍺由于壓阻效應(yīng)大，故多作為壓磷化鎵砷化鎵等，硅和鍺由于壓阻效應(yīng)大，故多作為壓阻式壓力計(jì)的半導(dǎo)體材料。阻式壓力計(jì)的

7、半導(dǎo)體材料。 半導(dǎo)體應(yīng)變片按結(jié)構(gòu)可分為：半導(dǎo)體應(yīng)變片按結(jié)構(gòu)可分為： 1.1.體型應(yīng)變片；體型應(yīng)變片； 2.2.擴(kuò)散性應(yīng)變片；擴(kuò)散性應(yīng)變片； 3.3.薄膜型應(yīng)變片。薄膜型應(yīng)變片。擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是將這種應(yīng)變片是將 P P型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個(gè)高電阻型雜質(zhì)擴(kuò)散到一個(gè)高電阻N N型硅基底上，形成一型硅基底上，形成一層極薄的層極薄的P P型導(dǎo)電層型導(dǎo)電層, ,然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成。然后用超聲波或熱壓焊法焊接引線而制成。它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，機(jī)械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，機(jī)械滯后和蠕變小，電阻溫度系數(shù)也比一般體型半導(dǎo)體應(yīng)變片小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

8、缺點(diǎn)是由于存在體型半導(dǎo)體應(yīng)變片小一個(gè)數(shù)量級(jí)。缺點(diǎn)是由于存在P-NP-N結(jié)，當(dāng)溫度結(jié)，當(dāng)溫度升高時(shí)升高時(shí), ,絕緣電阻大為下降。新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件絕緣電阻大為下降。新型固態(tài)壓阻式傳感器中的敏感元件硅梁和硅杯等就是用擴(kuò)散法制成的。硅梁和硅杯等就是用擴(kuò)散法制成的。22 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上或藍(lán)寶石上制成的。它通過改變真空沉積時(shí)襯底的溫度層的試件上或藍(lán)寶石上制成的。它通過改變真空沉積時(shí)襯底的溫度來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。

9、來控制沉積層電阻率的高低，從而控制電阻溫度系數(shù)和靈敏度系數(shù)。因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型因而能制造出適于不同試件材料的溫度自補(bǔ)償薄膜應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了半導(dǎo)體應(yīng)變片吸收了金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)，并避免了它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。它的缺點(diǎn)，是一種較理想的應(yīng)變片。2 （無基底的半導(dǎo)體應(yīng)變片）（無基底的半導(dǎo)體應(yīng)變片）（半導(dǎo)體應(yīng)變片）（半導(dǎo)體應(yīng)變片）C C 薄膜應(yīng)變片薄膜應(yīng)變片 a a 結(jié)構(gòu)和原理結(jié)構(gòu)和原理1-1-引線；引線；2-2-電極；電極；3-3-敏感膜；敏感膜；4-4-絕緣層；絕緣層；5-5-基片基

10、片 薄膜應(yīng)變片在外力作用下，一方面材料發(fā)生幾何形變薄膜應(yīng)變片在外力作用下，一方面材料發(fā)生幾何形變引起材料的電阻發(fā)生變化；另一方面，因材料晶格變形等引起材料的電阻發(fā)生變化；另一方面，因材料晶格變形等因素引起材料的電子自由程發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的電阻率因素引起材料的電子自由程發(fā)生變化，導(dǎo)致材料的電阻率變化，從而使材料的電阻發(fā)生變化。變化，從而使材料的電阻發(fā)生變化。 與傳統(tǒng)的應(yīng)變片相比，薄膜應(yīng)變片具有如下特點(diǎn)：與傳統(tǒng)的應(yīng)變片相比，薄膜應(yīng)變片具有如下特點(diǎn)： （1）穩(wěn)定性好。）穩(wěn)定性好。 （2）使用壽命長。）使用壽命長。 （3）量程大、靈敏度高。）量程大、靈敏度高。 （4）溫度系數(shù)小。）溫度系數(shù)小。 （5

11、）工作溫度范圍寬。多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的工作）工作溫度范圍寬。多層結(jié)構(gòu)的濺射薄膜應(yīng)變片的工作溫度達(dá)到溫度達(dá)到 -100180 （6）成本低。）成本低。3.3.2.3 3.3.2.3 常用測量電路常用測量電路A A 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 a a 單臂橋路；單臂橋路； b b 半橋差動(dòng)電路；半橋差動(dòng)電路； c c 全橋差動(dòng)電路；全橋差動(dòng)電路；a a 單臂橋路單臂橋路04132RRRRURRRRRRRRU)(432141320URRRRRRRRRRURRRRRRRRRRU)1)(1 ()()(432221224343221413220）（電橋的電壓為：電橋的電壓為：當(dāng)無壓力信號(hào)時(shí)，電橋處于初始當(dāng)無壓

12、力信號(hào)時(shí)，電橋處于初始平衡態(tài)，此時(shí)有：平衡態(tài)，此時(shí)有：當(dāng)有壓力信號(hào)時(shí)應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，此時(shí)電橋輸出電壓為：當(dāng)有壓力信號(hào)時(shí)應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，此時(shí)電橋輸出電壓為：UnnRRUKU2220)1 ( URRU2220)n1 (n設(shè)橋臂比設(shè)橋臂比 ，略去分母中的，略去分母中的 ，并考慮到電橋初，并考慮到電橋初始平衡條件始平衡條件 ，可得，可得21nRR4321RRRR22RR定義電橋電壓靈敏度為定義電橋電壓靈敏度為K KU U為：為：2204 RRUU222 RR4UKU可知可知n=1n=1時(shí)，即時(shí)，即R R1 1=R=R2,2,、R R3 3=R=R4 4時(shí)，電橋靈敏度最高，實(shí)際上多取時(shí)，電橋靈敏度最高，

13、實(shí)際上多取R R1 1=R=R2 2,=R,=R4 4=R=R4 4，則可得，則可得n=1n=1時(shí)單臂工作電橋輸出電壓為時(shí)單臂工作電橋輸出電壓為此時(shí)電橋電壓靈敏度此時(shí)電橋電壓靈敏度K KU U為：為：在上面的分析中，都是假定應(yīng)變片參數(shù)變化很小，可忽略在上面的分析中，都是假定應(yīng)變片參數(shù)變化很小，可忽略 的影響，由此而引進(jìn)的相對(duì)非線性誤差為的影響，由此而引進(jìn)的相對(duì)非線性誤差為22RRb b 半橋差動(dòng)電路半橋差動(dòng)電路若滿足若滿足R R1 1=R=R2 2、R R1 1= =R R2 2、R R3 3=R=R4 4, ,則可以導(dǎo)出，差動(dòng)雙臂工作電橋則可以導(dǎo)出，差動(dòng)雙臂工作電橋輸出電壓為輸出電壓為220

14、2 RRUUc c 全橋差動(dòng)電路全橋差動(dòng)電路若滿足若滿足R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4, , R R1 1= = R R2 2= = R R3 3= = R R4 4, ,則可以導(dǎo)出，差則可以導(dǎo)出，差動(dòng)雙臂工作電橋輸出電動(dòng)雙臂工作電橋輸出電壓為壓為220RRUU可見，全橋差動(dòng)電路的電壓靈敏度高，是單臂工作電橋的可見，全橋差動(dòng)電路的電壓靈敏度高，是單臂工作電橋的4 4倍，倍，為半橋差動(dòng)電路的為半橋差動(dòng)電路的2 2倍，當(dāng)負(fù)載無窮大時(shí)，全橋電路沒有非線性倍，當(dāng)負(fù)載無窮大時(shí)，全橋電路沒有非線性誤差。誤差。B B 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償應(yīng)變片電阻受環(huán)境溫度的影響很大，其原因主要有：應(yīng)變

15、片電阻受環(huán)境溫度的影響很大，其原因主要有：（1 1）應(yīng)變片具有一定的溫度系數(shù)；）應(yīng)變片具有一定的溫度系數(shù)；（2 2）應(yīng)變片材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。）應(yīng)變片材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。為消除誤差，可采取多種補(bǔ)償措為消除誤差，可采取多種補(bǔ)償措施。最常用的方法是電橋補(bǔ)償法施。最常用的方法是電橋補(bǔ)償法和熱敏電阻補(bǔ)償法。和熱敏電阻補(bǔ)償法。3.3.2.4 3.3.2.4 性能指標(biāo)性能指標(biāo)（1 1）應(yīng)變片的電阻值）應(yīng)變片的電阻值(R(R0 0) )。（2 2）靈敏系數(shù)（）靈敏系數(shù)（K K）。）。 通常把單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化成為應(yīng)變片通常把單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化成為應(yīng)變片靈敏系數(shù)。目

16、前，各種材料的靈敏系數(shù)都是由實(shí)驗(yàn)獲得靈敏系數(shù)。目前，各種材料的靈敏系數(shù)都是由實(shí)驗(yàn)獲得的，其計(jì)算公式為：的，其計(jì)算公式為：(3)(3)機(jī)械滯后。在一定溫度下，應(yīng)變從零到一定值之間變化，機(jī)械滯后。在一定溫度下，應(yīng)變從零到一定值之間變化，測出應(yīng)變片電阻相對(duì)變化率，會(huì)出加載和卸載的特性曲測出應(yīng)變片電阻相對(duì)變化率，會(huì)出加載和卸載的特性曲線，則兩條曲線最大的差值稱為機(jī)械滯后。線，則兩條曲線最大的差值稱為機(jī)械滯后。21RRK（4 4）蠕變和零漂。在一定溫度下，粘好的應(yīng)變片）蠕變和零漂。在一定溫度下，粘好的應(yīng)變片在一定的機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間作用下，指示應(yīng)變隨時(shí)間在一定的機(jī)械應(yīng)變長時(shí)間作用下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化稱為

17、蠕變。零點(diǎn)漂移是指粘好的應(yīng)變片在一的變化稱為蠕變。零點(diǎn)漂移是指粘好的應(yīng)變片在一定溫度和無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。定溫度和無機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。注意：二者都是用來衡量應(yīng)變片的時(shí)間穩(wěn)定性的，但各自工注意：二者都是用來衡量應(yīng)變片的時(shí)間穩(wěn)定性的，但各自工作條件不同作條件不同（5 5）絕緣電阻。）絕緣電阻。（6 6）最大工作電流。允許通過應(yīng)變片而不影響其）最大工作電流。允許通過應(yīng)變片而不影響其 正常工作特性的電流值，稱為最大工作電流。正常工作特性的電流值，稱為最大工作電流。 3.3.2.5 3.3.2.5 典型電阻式壓力計(jì)典型電阻式壓力計(jì)A A 應(yīng)變片式壓力計(jì)應(yīng)變片式壓力計(jì)應(yīng)變片

18、壓力計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工藝成熟、價(jià)格便應(yīng)變片壓力計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、工藝成熟、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定可靠、測量速度快、適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量等。宜、性能穩(wěn)定可靠、測量速度快、適合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量等。B B 壓阻式壓力計(jì)壓阻式壓力計(jì)a a 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)如果我們沿所需的晶軸方向（壓阻效應(yīng)最大的方向）將半導(dǎo)體切成小條如果我們沿所需的晶軸方向（壓阻效應(yīng)最大的方向）將半導(dǎo)體切成小條制成半導(dǎo)體應(yīng)變片，讓其只沿縱向手里，則作用應(yīng)力與半導(dǎo)體電阻率的制成半導(dǎo)體應(yīng)變片，讓其只沿縱向手里，則作用應(yīng)力與半導(dǎo)體電阻率的相對(duì)變化關(guān)系為相對(duì)變化關(guān)系為式中式中 半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻系數(shù)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻系數(shù)，Pa

19、Pa-1-1; ; 縱向方向所受應(yīng)力，縱向方向所受應(yīng)力，PaPa則應(yīng)變片靈敏系數(shù)為：則應(yīng)變片靈敏系數(shù)為：由胡克定律可知：由胡克定律可知：EE則則 ，說明電阻變化率正比于其所受縱向應(yīng)變。，說明電阻變化率正比于其所受縱向應(yīng)變。EK21對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片，壓阻系數(shù)對(duì)于半導(dǎo)體應(yīng)變片，壓阻系數(shù)很大，約為很大，約為5010050100，故半導(dǎo)，故半導(dǎo)體應(yīng)變片以壓阻效應(yīng)為主，其電阻的相對(duì)變化率電阻率的相體應(yīng)變片以壓阻效應(yīng)為主，其電阻的相對(duì)變化率電阻率的相對(duì)變化。對(duì)變化。b b 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)c c 工作原理工作原理硅膜片是各向異性材料，它的壓阻效應(yīng)大小與作用力方向有關(guān)，硅膜片是各向異性材料，它的壓阻效應(yīng)大小與作用力方向有關(guān)，所以在硅膜片承受外力時(shí)，必須同時(shí)考慮其縱向（擴(kuò)散電阻長度所以在硅膜片承受外力時(shí)，必須同時(shí)考慮其縱向（擴(kuò)散電阻長度方向）壓阻效應(yīng)和橫向（擴(kuò)散電阻寬度方向）的壓阻效應(yīng)。方向）壓阻效應(yīng)和橫向（擴(kuò)散電阻寬度方向）的壓阻效應(yīng)。設(shè)均勻分布在硅膜片上的壓力位設(shè)均勻分布在硅膜片上的壓力位p,則膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力與其半徑則膜片上各點(diǎn)的應(yīng)力與其半徑r的關(guān)系如下：的關(guān)系如下：)31 ()1 (83)3()1 (8322022202rrrhprrhp式中式中 r r,半導(dǎo)