第3章

電阻式傳感器3.1應(yīng)變式傳感器3.2壓阻式傳感器本章學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：電阻式傳感器是將被測非電量（例如力、壓力、位移、應(yīng)變、速度、加速度、溫度和氣體的成分及濃度等）的變化轉(zhuǎn)換成與之有一定關(guān)系的電阻值的變化，再通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路變成一定的電量輸出。由于構(gòu)成電阻的材料種類很多，引起電阻變化的物理原因也很多，這就構(gòu)成了各種各樣的電阻式傳感元件以及由這些傳感元件構(gòu)成的電阻式傳感器，本章按構(gòu)成電阻的材料的不同，分別介紹（金屬）應(yīng)變式傳感器和（半導(dǎo)體）壓阻式傳感器。第3章

電阻式傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機械形變，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變片就是利用這一現(xiàn)象制成的。使用應(yīng)變片測試時，將應(yīng)變片粘貼在試件表面，試件受力變形后應(yīng)變片上的電阻絲也隨之變形，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，再通過測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化。

3.1應(yīng)變式傳感器

3.1.1應(yīng)變式傳感器的工作原理

材料應(yīng)變的測量越過障礙物時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，可測得橋梁的交變壓力。下圖所示為電阻絲應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖。它是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的電阻值，電阻絲排成柵網(wǎng)狀，并粘貼在絕緣基片上，線柵上面粘貼有覆蓋層（保護用），電阻絲兩端焊有引出線。圖中l(wèi)稱為應(yīng)變片的標(biāo)距或工作基長，b稱為應(yīng)變片基寬，b×l為應(yīng)變片的使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般以使用面積或電阻值來表示，如3mm×10mm或120Ω。1—引出線；2—覆蓋層；3—基底；4—電阻絲由電工學(xué)可知，金屬絲電阻R可表示為

（3–

1）式中，ρ為電阻率（Ω·m）；l為電阻絲長度（m）；A為電阻絲截面積（m2）。應(yīng)變片原理動畫演示當(dāng)沿金屬絲的長度方向施加均勻力時，上式中的ρ、r、l都將發(fā)生變化，導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化。實驗證明，應(yīng)變片電阻的相對變化量為

（3–

2）式中，K為應(yīng)變片的靈敏度；ε為被測件在應(yīng)變片處的應(yīng)變。電阻絲應(yīng)變片的靈敏度約為2.0～3.6。3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型及特性

1．應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)類型根據(jù)制作方法的不同，可以將應(yīng)變片分為絲式、箔式和薄膜式三類。（1）絲式應(yīng)變片由金屬絲繞制而成，使用最早，有紙基和膠基之分。（2）箔式應(yīng)變片是通過光刻、腐蝕等工藝制成的一種金屬箔柵，箔的厚度一般為0．003mm～0.0lmm。為適應(yīng)不同場合下應(yīng)變測量要求，箔式應(yīng)變片的敏感柵可以制成不同的形狀。(a)單軸普通型(b)測量扭矩用型(c)測量應(yīng)力型箔式應(yīng)變片由于有散熱好、允許通過較大電流、橫向效應(yīng)小、疲勞壽命長、柔性好，并可做成基長很短或任意形狀，在工藝上適于大批生產(chǎn)等優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用，已逐漸代替了絲式應(yīng)變片。（3）薄膜式應(yīng)變片主要是采用真空蒸鍍技術(shù)，在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬材料薄膜，最后加保護層形成的，它是近年來薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。2．應(yīng)變片的主要特性（1）靈敏度。應(yīng)變片的靈敏度K是指在應(yīng)變片靈敏軸線方向的單一應(yīng)力作用下，其電阻相對變化量ΔR/R與試件表面上軸向應(yīng)變ε的比值，即

（3–

3）實驗證明，在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變片靈敏度K是常數(shù)。（2）最大工作電流。最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片的敏感柵而不影響其工作特性的最大電流值。工作電流大，應(yīng)變片的輸出信號大、靈敏度高，但過大的工作電流會使應(yīng)變片本身過熱，使靈敏度變化，零漂和蠕變增加，甚至燒毀應(yīng)變片。應(yīng)變片主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱電阻Ω靈敏度電阻溫度系數(shù)1/0C極限工作溫度0C最大工作電流mAPZ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020PJ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020BX-200型2001.9～2.2—-30～6025BA-120型1201.9～2.2—-30～20025BB-350型3501.9～2.2—-30～17025PBD-1K型1000±10%140±5%<0.4%<6015PBD-120型120±10%120±5%<0.2%<6025通常允許電流值在靜態(tài)測量時約取25mA左右，動態(tài)測量時可高一些；箔式應(yīng)變片的工作電流可比絲式大一些。對導(dǎo)熱性能差的試件例如塑料，工作電流要取小一些。（3）電阻值。指未經(jīng)安裝的應(yīng)變片在不受外力的情況下，于室溫下測得的電阻值。目前常用的標(biāo)稱電阻值有60Ω、120Ω、200Ω、320Ω、350Ω、500Ω、600Ω、650Ω、750Ω、1000Ω、1100Ω、2000Ω等一個系列，其中以120Ω和350Ω最常用。實際的初始電阻值與標(biāo)稱值都會有一定的偏差，因此要進行實際測量。問題：機械應(yīng)變一般在10μ?~3000μ?之間，金屬電阻應(yīng)變片的靈敏度K≈2，應(yīng)變片的電阻相對變化量很小，怎么測？例如某傳感器彈性元件在額定載荷下產(chǎn)生應(yīng)變1000μ?，應(yīng)變片的電阻值為120Ω，靈敏度系數(shù)K=2，則電阻的相對變化量為：3.1.3應(yīng)變式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

常規(guī)應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，因而測量轉(zhuǎn)換電路應(yīng)當(dāng)能精確地測量出這些小的電阻變化，并轉(zhuǎn)換為電壓或電流后由儀表讀出。在應(yīng)變式傳感器中最常用的是橋式電路，按電源性質(zhì)不同，可分為交流電橋和直流電橋兩類。下面以直流電橋為例分析其工作原理及特性。這樣小的電阻變化，用一般測量電阻的儀表很難直接測出來，必須用專門的電路，最常用的為電橋電路。下圖是直流電橋的基本電路示意圖。在未施加作用力時，應(yīng)變?yōu)?，此時橋路輸出電壓Uo也為0，即橋路平衡。由橋路平衡的條件可知，應(yīng)使4個橋臂的初始電阻滿足R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3，通常取R1=R2=R3=R4，即全等臂形式。（3–

4）由于R1=R2=R3=R4，故式（3–

4）可變?yōu)闃蚵饭ぷ鲿r輸入電壓Ui保持不變。當(dāng)4個橋臂電阻的變化值ΔR遠小于初始電阻，且電橋負載電阻為無窮大時，電橋的輸出電壓Uo可近似用下式表示：（3–

5）由式（3–

2）可知，，則式（3–

5）可寫成（3–

6）根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可接入不同數(shù)目的應(yīng)變片，一般分為下面幾種形式：（1）雙臂工作形式。R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為普通電阻（其阻值不變化，即ΔR3=ΔR4=0），則式（3–

6）變?yōu)椋?–

7）（2）單臂工作形式。R1為應(yīng)變片，其余各橋臂為普通電阻，則式（3–

6）變?yōu)橛捎趩伪垭姌蚴軠囟扔绊戄^大，在實際應(yīng)用中，為消除溫度的變化對橋路輸出的影響，往往把固定電阻R2換成應(yīng)變片，因此實際上就成了雙臂半橋形式。（3–

8）（3）全橋形式。電橋的4個橋臂都為應(yīng)變片，則其輸出電壓公式就是式（3–

6）。實際應(yīng)用中，往往使相鄰兩應(yīng)變片處于差動工作狀態(tài)，即一片感受拉應(yīng)變，另一片感受壓應(yīng)變，這樣一方面可以提高靈敏度，同時也可以減小非線性誤差。電橋的接法單臂橋

半橋全橋以上3種電橋形式中，全橋形式的靈敏度最高，也是最常用的一種形式。各類電橋的性能比較電橋類型靈敏度非線性誤差各橋臂典型電阻值單臂橋Ui/4R1=R0+△RR2=R3=R4

=R0半橋第一差動橋Ui

/20R1=R0+△R，R2=R0－△RR3=R4

=R0第二差動橋Ui

/2R1=R0+△R，R4=R0－△RR2=R3

=R0對臂橋Ui

/2R1=R3=R0+△RR2=R4=R0全橋Ui

0R1=R3=R0+△RR2=R4=R0－△R

1.應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片是通過粘合劑粘貼到試件上的，粘合劑的種類很多，要根據(jù)基片材料、工作溫度、潮濕程度、穩(wěn)定性、是否加溫加壓和粘貼時間等多種因素合理選擇。應(yīng)變處的粘貼質(zhì)量直接影響應(yīng)變測量的精度，必須十分注意。應(yīng)變片的粘貼工藝包括：試件貼片處的表面處理、貼片位置的確定、應(yīng)變片的粘貼、固化等。3.1.4應(yīng)變式傳感器的使用注意事項

應(yīng)變片粘貼過程動畫演示應(yīng)變片引出線的選擇取決于電阻率的大小、焊接方便程度、可靠性及耐腐蝕性。引出線一般多是直徑為0.15mm～0.3mm的鍍錫軟銅線。使用時，應(yīng)變片粘貼連接好后，常把引出線與連線電纜用膠布固定起來，以防止導(dǎo)體擺動時折斷應(yīng)變片引線，然后在應(yīng)變片上涂一層防護層，以防止大氣對應(yīng)變片的侵蝕，保證應(yīng)變片長期工作的穩(wěn)定性。2.實際應(yīng)用中電橋電路的調(diào)零即使是相同型號的電阻應(yīng)變片，其阻值也有細小的差別，電橋的4個橋臂電阻不會完全相等，橋路可能不平衡（即有電壓輸出），這必然會造成測量誤差。實際應(yīng)用中，采用在原基本電路基礎(chǔ)上加調(diào)零電路。調(diào)節(jié)電位器RP1，最終可以使電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到0，這個過程稱為電阻平衡調(diào)節(jié)或直流平衡調(diào)節(jié)。圖中R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。當(dāng)采用交流電橋時，由于應(yīng)變片引線電纜分布電容的不一致性將導(dǎo)致電橋的容抗及相位的不平衡。這時即使已做到電阻平衡，Uo仍然會有輸出，所以增設(shè)RP2及C1用來平衡電容的容抗，這稱為電容平衡調(diào)節(jié)或交流平衡調(diào)節(jié)。3.傳感器的溫度補償在實際應(yīng)用中，溫度的變化對應(yīng)變式傳感器輸出值的影響是比較大的，這必將產(chǎn)生較大的測量誤差。下面介紹常采用的橋路自補償法。在雙臂半橋電路中，設(shè)溫度變化前，應(yīng)變片由應(yīng)變引起的電阻變化量為ΔR1ε、ΔR2ε，則電橋輸出為（3–

9）假設(shè)溫度變化后，應(yīng)變片所受應(yīng)變不變，由溫度引起的電阻變化量為ΔR1t、ΔR2t，則此時橋路輸出電壓U’o為（3–

10）由于兩應(yīng)變片的規(guī)格完全相同，又處于同一個溫度場，因此R1=R2，ΔR1t=ΔR2t。代入上式，ΔR1t、ΔR2t項相互抵消，因此，U’o

=Uo，即表示溫度變化對電橋輸出沒有影響，達到了橋路溫度自補償?shù)哪康?。同理，溫度變化時，全橋電路上各電阻變化值也相互抵消，不會造成影響。應(yīng)變式傳感器具有體積小、價格便宜、精度高、線性好、測量范圍大、數(shù)據(jù)便于記錄、處理和遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工程測量及科學(xué)實驗中。3.1.5應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

1．力和扭矩傳感器下圖列出了幾種力和扭矩傳感器的彈性敏感元件。拉伸應(yīng)力作用下的細長桿和壓縮應(yīng)力作用下的短粗圓柱體分別如圖（a）和（b）所示，都可以在軸向布置一個或幾個應(yīng)變片，在圓周方向上布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片。前者拾取縱向應(yīng)變，后者拾取大小不等、符號相反的橫向應(yīng)變。應(yīng)變片測力動畫演示懸臂梁和扭轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)變片貼在相應(yīng)位置可拾取大小相等、符號相反的應(yīng)變，如圖（c）和（d）所示。用環(huán)狀彈性敏感元件測拉（壓）力也是比較普遍的，如圖（e）所示。懸臂梁稱重動畫演示各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2

R4汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)電子天平人體秤

應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手

用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。2．壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用于液體、氣體壓力的測量，測量壓力范圍是104Pa～107Pa。下圖為組合式壓力傳感器示意圖。圖中應(yīng)變片R粘貼在懸臂梁上，懸臂梁的剛度應(yīng)比壓力敏感元件更高，這樣可降低這些元件所固有的不穩(wěn)定性和遲滯。組合式壓力傳感器壓力測量動畫演示小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進氣管p2進氣管固態(tài)壓力傳感器右圖所示為筒式壓力傳感器。被測壓力p作用于筒內(nèi)腔，使筒發(fā)生形變，工作應(yīng)變片l貼在空心的筒壁外感受應(yīng)變，補償應(yīng)變片2貼在不發(fā)生形變的實心端作為溫度補償用。一般可用來測量機床液壓系統(tǒng)壓力和槍、炮筒腔內(nèi)壓力等。3．加速度傳感器加速度傳感器實質(zhì)上是一種測量力的裝置，如右圖所示。1—應(yīng)變片；2—基座；3—質(zhì)量塊；4—懸臂梁測量時，將基座固定在被測對象上，當(dāng)被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊3受到一個與加速度方向相反的慣性力而使懸臂梁4形變。通過應(yīng)變片1檢測出懸臂梁4的應(yīng)變量，而應(yīng)變量是與加速度成正比的。加速度測量動畫演示1．應(yīng)變式壓力變換器電路如下圖所示為應(yīng)變式壓力變換器電路。電路中，A1、A2和l／2A3組成典型的儀表放大器，2／2A3起調(diào)零和阻抗隔離作用，A4與晶體管調(diào)整電路進一步穩(wěn)定電橋的電源電壓。3.1.6應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實例

選擇R3＝R4、RF＝R5，電路增益由R1調(diào)整，當(dāng)電橋電源電壓為5V時，若要求電路輸出達到5V，則電壓放大倍數(shù)需要600多倍。為減小輸出級和零點調(diào)整電路漂移的影響，初級的增益要大。本電路電源電壓為±8V，也可使用單電源。電源電壓高，電橋靈敏度高，輸出信號強，放大器電路自身的漂移和噪聲相對較小，是有利的。但相反地，應(yīng)變計因流過大電流而發(fā)熱，通電后不論有無壓力都要引起零點的漂移，通常取6V以下。如果在輸出級加電壓／電流變換電路，可成為0～20mA的壓力變送器。2．手提式數(shù)顯電子秤的制作及電路手提式數(shù)顯電子秤具有準(zhǔn)確度高，易于制作，成本低廉，體積小巧，實用等特點。其分辨力為1g，在2kg的量程范圍內(nèi)經(jīng)仔細調(diào)校，測量精度可達0.5%RD±1個字。1）工作原理數(shù)顯電子秤電路原理如圖3–

9所示，其主要部分為應(yīng)變式傳感器R1及IC2、IC3組成的測量放大電路，和IC1及外圍元件組成的數(shù)顯面板表。傳感器R1采用E350—2AA箔式應(yīng)變片，其常態(tài)阻值為350Ω。測量電路將R1產(chǎn)生的電阻應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。IC3將經(jīng)轉(zhuǎn)換后的弱電壓信號進行放大，作為A／D轉(zhuǎn)換器的模擬電壓輸入。圖3–

9數(shù)顯電子稱電路原理圖圖3–

10數(shù)顯電子秤外形IC4提供1.22V基準(zhǔn)電壓，它同時經(jīng)R5、R6及RP2分壓后作為A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓。3位A／D轉(zhuǎn)換器ICL7126的參考電壓輸入正端由RP2中間觸頭引入，負端則由RP3的中間觸頭引入。兩端參考電壓可對傳感器非線性誤差進行適量補償。2）制作與調(diào)試該數(shù)顯電子秤外形可參考圖3–

10所示的形式。其中形變鋼件可用普通鋼鋸條制作，其方法是：首先將鋸齒打磨平整，再將鋸條加熱至微紅，趁熱加工成“U”形，并在對應(yīng)位置鉆孔，以便以后安裝。然后再將其加熱至呈橙紅色（七八百攝氏度），迅速放入冷水中淬火，以提高硬度和強度，最后進行表面處理工藝。秤鉤可用強力膠粘接于鋼件底部。應(yīng)變片則用專用應(yīng)變膠粘劑粘接于鋼件變形最大的部位（內(nèi)側(cè)正中），這時其受力變化與阻值變化剛好相反。拎環(huán)用活動鏈條與秤體連接，以便使用時秤體能自由下垂，同時拎環(huán)還應(yīng)與秤鉤在同一垂線上。在調(diào)試時，應(yīng)準(zhǔn)備lkg及2kg標(biāo)準(zhǔn)砝碼各一，其過程如下：（1）先在秤體自然下垂且無負載時調(diào)整RP1，使顯示器準(zhǔn)確顯示零。（2）再調(diào)整RP2，使秤體承擔(dān)滿量程重量（本電路選滿量程為2kg）時顯示滿量程值。（3）然后在秤鉤下懸掛lkg的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，觀察顯示器是否顯示1.000，如有偏差，可調(diào)整RP3值，使之準(zhǔn)確顯示1.000。（4）重新進行（2）、（3）步驟，使之均滿足要求為止。（5）最后準(zhǔn)確測量RP2、RP3電阻值，并用固定精密電阻予以代替。RP1可引出表外調(diào)整。測量前先調(diào)整RPl，使顯示器回零。3.2壓阻式傳感器

3.2.1壓阻式傳感器的工作原理

半導(dǎo)體材料受力時，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器的工作原理就是基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)的。對于半導(dǎo)體應(yīng)變片，電阻的相對變化量為（3–11）式中，π為半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)；E為彈性模量；ε為應(yīng)變；KB為半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度。由于半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)π=（40～80）×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，所以半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度KB為50～100，比金屬應(yīng)變片的靈敏度（K為2.0～3.6）約高幾十倍?？捎糜谥谱靼雽?dǎo)體應(yīng)變片的材料主要有硅、鍺、銻化銦、砷化鎵等，以硅和鍺最為常用。如在硅和鍺中摻進硼、鋁、鎵、銦等雜質(zhì)元素，可形成P型半導(dǎo)體；如摻入磷、銻、砷等雜質(zhì)，則形成N型半導(dǎo)體。摻入雜質(zhì)的濃度越大，半導(dǎo)體材料的電阻率就越低。利用半導(dǎo)體材料制成的壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式半導(dǎo)體應(yīng)變片；另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，稱為擴散型壓阻傳感器。3.2.2壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)與特性

1.半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。它是單晶錠圖（a）按一定的晶軸方向（如111）切成薄片圖（b），對它進行研磨加工圖（c），再經(jīng)過光刻腐蝕后切成細條圖（d），然后安裝內(nèi)引線圖（e），并粘接在貼有接頭的基底上，最后安裝外引線圖（f）而成。敏感柵的形狀可制成直條形，也可制成U形或W形圖（g）。敏感柵的長度一般為lmm～9mm。基底的作用是使應(yīng)變片容易安裝并增大粘貼面積，同時使柵體與試件絕緣。若要求用小面積的應(yīng)變片時，可用無基底的應(yīng)變片直接粘貼。硅薄膜式風(fēng)速風(fēng)向傳感器：利用風(fēng)吹薄膜產(chǎn)生風(fēng)壓，導(dǎo)致薄膜形變，薄膜上的應(yīng)變電阻會感應(yīng)到薄膜的形變。通過測量應(yīng)變電阻的變化即可解算出風(fēng)速大小。硅薄膜式測風(fēng)傳感器2．?dāng)U散型壓阻傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理下圖為擴散型壓阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是由外殼、硅杯和引線等組成，其核心部分是一塊圓形的硅膜片圖（b）。(a)傳感器結(jié)構(gòu)(b)硅杯結(jié)構(gòu)1—引線；2—硅杯；3—高壓腔；4—低壓腔；5—硅膜片；6—金絲無隔離膜片的擴散型壓阻傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖通常將膜片制作在硅杯上，形成一體結(jié)構(gòu)，以減小膜片與基座連接所帶來的性能變化。在膜片上利用集成電路工藝擴散了四個阻值相等的電阻，并構(gòu)成電橋，這就是硅壓阻式力敏元件的壓阻芯片。膜片的兩邊有兩個壓力腔，一個是和被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點就有應(yīng)力，四個擴散電阻的阻值就發(fā)生變化，使電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。輸出電壓和膜片兩邊的壓力差成正比。固態(tài)壓阻式傳感器固體壓阻式傳感器硅膜片芯體結(jié)構(gòu)固體壓阻式傳感器實物3.壓阻式傳感器的主要特性1）應(yīng)變-電阻特性半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變-電阻特性，在數(shù)百微應(yīng)變（με）內(nèi)呈線性，但在較大的應(yīng)變范圍內(nèi)則出現(xiàn)非線性。為了提高傳感器應(yīng)變-電阻的線性度，通常對于粘貼應(yīng)變片的膜片預(yù)先加壓縮應(yīng)變。當(dāng)摻雜濃度增加，靈敏度系數(shù)就減小。2）電阻-溫度特性半導(dǎo)體應(yīng)變片也和金屬應(yīng)變片一樣，溫度的變化會引起電阻變化。硅和鍺的電阻溫度系數(shù)大于700×10-6/oC，比康銅、卡瑪?shù)冉饘俅蟮枚啵雽?dǎo)體的線膨脹系數(shù)大約為3.2×10-6/oC，比被測試件小得多，同時，靈敏度系數(shù)也大。輸出電壓也遠比金屬應(yīng)變片大。當(dāng)雜質(zhì)濃度增加時，ΔR／R隨溫度變化減小。因此，在溫度變化的環(huán)境下工作，必須考慮溫度補償問題。3.2.3壓阻式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

壓阻式傳感器利用半導(dǎo)體平面集成電路工藝，通過光刻、擴散等技術(shù)，在硅膜片上制作了n組（一組4個等值）半導(dǎo)體應(yīng)變電阻，并從中篩選出一組構(gòu)成惠斯登平衡電橋。測量電路一般都采用四臂差動等臂等應(yīng)變?nèi)珮驒z測電路，如圖3–

14所示。（a）恒壓源供電電橋（b）恒流源供電電橋圖3–

14壓阻傳感器的測量電路供電方式可以分為恒壓源（見圖3–

14（a））和恒流源（見圖3–

14（b））兩種形式。1.恒壓源供電方式假設(shè)四個擴散電阻的起始電阻都為R，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，有兩個電阻受拉，電阻增加，增加量為ΔR，另一對角邊的兩個電阻受壓，電阻減小，減小量為-ΔR；另外，由于受溫度的影響，使每個電阻有ΔRT的變化量。由圖3–

14（a）可得電橋的輸出為整理得（3–12）由式（3–

12）可見，電橋輸出與供電電壓成正比，同時說明與溫度對電阻的影響ΔRT有關(guān)，而且是非線性的。即用恒壓源供電時，不能消除溫度的影響。2.恒流源供電方式當(dāng)用恒流源供電時，假設(shè)電橋兩個支路的電阻相等，即RABC=RADC

=2（R+ΔRT），所以流過兩支路的電流相等，IABC=IADC

=I/2。所以電橋的輸出為由式（3–

13）可見，電橋的輸出與電阻的變化量成正比，即與被測量成正比；也與供電電源的電流成正比，即輸出與恒流源供給的電流大小、精度有關(guān)。（3–13）但是，電橋的輸出與溫度的變化無關(guān)。這是恒流源供電的優(yōu)點。用恒流源供電時，一個傳感器最好獨立配備電源。3.2.4壓阻式傳感器的溫度補償

1.零點溫度補償零點溫度漂移是由于四個擴散電阻值及它們的溫度系數(shù)不一致造成的。一般用串、并聯(lián)電阻的方法進行補償。圖中的Rs是串聯(lián)電阻，RP是并聯(lián)電阻。串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用，并聯(lián)電阻一般采用阻值較大且溫度系數(shù)為負的熱敏電阻，主要起補償作用。2.靈敏度溫度補償傳感器的靈敏度溫度漂移是由于壓阻系數(shù)隨溫度的變化引起的。試驗表明，傳感器的溫度系數(shù)為負值。為補償靈敏度溫度漂移，可采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)在利用半導(dǎo)體集成電路平面工藝不僅能實現(xiàn)將全橋壓敏電阻與彈性膜片一體化，形成固態(tài)傳感器；而且能將完美的溫度補償電路與電橋集成在一起，使它們處于相同的溫度環(huán)境下，取得了良好的補償效果，甚至還能把信號放大電路與傳感器集成在一起制成單片集成傳感器。壓阻式傳感器具有下列優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，靈敏度高，能測量十幾微帕的微壓，動態(tài)響應(yīng)好，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。因此，它在測量壓力、壓差、液位物位、加速度和流量等方面得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用領(lǐng)域涉及電力、化工、石油、機械、鋼鐵、城市供熱、供水等行業(yè)。3.2.5壓阻式傳感器的應(yīng)用

1．壓力的測量右圖是壓阻式傳感器在壓力測量應(yīng)用中的例子。當(dāng)硅膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點就有應(yīng)力。四個擴散電阻的阻值就發(fā)生變化，使電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓。這樣，由測得不平衡電橋的輸出電壓就可得到膜片所受的壓力差。2．液位的測量下圖為B0506型投入式液位計。這種液位計是將擴散硅壓力傳感器倒置安裝在不銹鋼殼體內(nèi)，使用時投入到被測液體中。1—不銹鋼筒；2—硅膠；3—擴散硅型壓力傳感器傳感器的高壓側(cè)進氣口（由不銹鋼隔離膜片及硅油隔離）與液體相通，低壓側(cè)進氣口通過一根橡膠“背壓管”與大氣相通。傳感器的信號線、電源線也通過該“背壓管”與外界的儀器接口連接。被測液位H可由下式計算得到

（3–

14）式中，ρ為被測液體密度；g為重力加速度。3．加速度的測量下圖所示為傳感器在加速度測量中的應(yīng)用示意圖。在加速度計中大多為懸臂梁式加速度計。(a)結(jié)構(gòu)示意圖(b)慣性組件(c)擴散有應(yīng)變片的硅梁1，8—慣性質(zhì)量；2—振動方向；3—電極；4—敏感元件；5，7—懸臂梁；6—基座；9—金屬化電路；10—擴散應(yīng)變片壓阻式加速度傳感器中的懸臂梁直接用單晶硅制成。在懸臂梁的根部上、下兩面各擴散2個等值電阻，并構(gòu)成惠斯登電橋。當(dāng)梁的自由端的質(zhì)量塊受到加速度作用時，懸臂梁因慣性力的作用產(chǎn)生彎矩而發(fā)生變形，同時產(chǎn)生應(yīng)變，使擴散電阻的阻值變化，電橋便有與加速度成比例的電壓輸出。這種壓阻式加速度計具有微型化固態(tài)整體結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定可靠；靈敏度高，可達0.2mV／g；準(zhǔn)確度高，可達2％；頻帶寬，為0Hz～500Hz；固有頻率為2kHz；量程大，可測最大加速度為100g等優(yōu)點。它的質(zhì)量只有0.5g，適合于對小構(gòu)件精密測試；也可用于沖擊測量，多用于宇航等場合。1．便攜式壓力計電路如圖3–

18所示，用數(shù)字電壓表（DVM）為顯示裝置，可制作便攜式氣壓計和液壓計。圖中，傳感器采用MPX2050GP硅壓