传感器技术（徐科军 第四版）第二章：电阻式传感器

第二章：电阻式传感器

应变式传感器

压阻式传感器

半导体的压阻效应

• 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应
• 半导体材料的压阻效应特别强
• 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。
• 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿
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  • 半导体电阻率
    
    • πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关
    • E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
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      • 对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略

体型半导体应变片

• 结构型式及特点
  
  • 主要优点
    
    • 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍
    • 横向效应和机械滞后极小
    • 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多
• 测量电路
  
  • 恒压源
    
    • 电桥输出电压与ΔR / R成正比，输出电压受环境温度的影响。
  • 恒流源
    
    • 电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。

扩散型压阻式压力传感器

• 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜
• 工作原理
  
  • 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡
• 优点
  
  • 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低
• 缺点
  
  • 测量准确度受到非线性和温度的影响

压阻式加速度传感器

• 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面

测量桥路及温度补偿

• 原因
  
  • 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性
• 减少与补偿误差措施
  
  • 1. 恒流源供电电桥
       
       • 电路
       • 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。
       • 电桥的输出
  • 1. 零点温度补偿
       
       • 扩散电阻值随温度变化
       • 串、并联电阻
  • 1. 灵敏度温度补偿
       
       • 压阻系数随温度变化
       • 串联二极管
  • 温度漂移及其补偿的电路
    
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      • 串联电阻Rs起调零作用
      • 并联电阻RP起补偿作用