压阻式压力传感器PPT课件
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课件2(压阻)
3、主要特性 （1） 灵敏度系数
金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线 性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后， 其电阻—应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实 验方法对应变片的电阻—应变特性重新测定。实验表明， 金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为 线性关系。即
卸载
Δε
εi
加载 机械应变ε 应变片的机械滞后
Δε1
MEMS Center, Harbin Institute of Technology Harbin, 150001, China
（4） 零点漂移和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变 时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零 点漂移。 产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力 逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变 ，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变 的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间 发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长 时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂， 它是一个特例。
（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特 性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生 残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或 粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂 固化不充分。
指 示 应 变
机械滞后值还与应变 片所承受的应变量有关，加 载时的机械应变愈大，卸载 时的滞后也愈大。所以，通 常在实验之前应将试件预先 加、卸载若干次，以减少因 机械滞后所产生的实验误差。
第2章-压阻式传感器(课件)
卸载
变
Δε
实验之前应将试件预先加、卸载 εi
若干次，以减少因机械滞后所产
加载
生的实验误差。
Δε1
机械应变ε
应变片的机械滞后
（五）零点漂移和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。
产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐 渐变化；粘结剂固化不充分等。
数β、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相 同； ② 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相 同，即要求两者线膨胀系数相等； ③ 两应变片处于同一温度环境中。
电桥补偿法
优点：
简单、方便，在常温下补偿效果较好
缺点：
在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作 片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影 响补偿效果。
R2 R1
补偿应变片粘贴示意图
当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调 整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即
USC AR1R4 R2R3 0
上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R′。
当温度升高或降低时，若ΔR1t=ΔR2t，即两个应变片的热 输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零
金属丝式应变片
引出线—与外部电路相连连接测量导线之用 覆盖层
基片—中间介质和绝缘作用 0.025mm电阻丝-栅状电阻 体-(敏感栅)
构成的应变片再通过黏结剂与感受 被测物理量的弹性体黏结。
金属电阻丝应变片的基本结构图
对于金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小， 可忽略
R (10
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立
《压力传感器》课件
测量范围
根据实际应用需求选择测量范围合适的压力 传感器，以满足测量精度和量程要求。
输出信号
根据信号处理设备和系统需求，选择输出信 号类型（如模拟信号、数字信号等）。
精度等级
考虑传感器的精度等级，以确保测量结果的 准确性。
稳定性与可靠性
选择经过严格测试和验证，具有良好稳定性 和可靠性的传感器。
压力传感器的安装与使用
医疗设备
总结词
医疗设备中的压力传感器主要用于监测病人血压、呼吸等生理参数，对于诊断和治疗疾 病具有重要作用。
详细描述
在医疗领域，如呼吸机、血压计、麻醉机等设备中，压力传感器被用于监测病人的呼吸 、血压等生理参数。通过实时监测这些参数，医生可以及时了解病人的病情变化，为诊
断和治疗提供重要依据。
航空航天
03
压力传感器的技术参数
测量范围
01
02
03
测量范围
指压力传感器能够测量的 压力范围，通常以kPa、 Pa或Bar为单位表示。
绝对压力与表压
绝对压力是指传感器能够 测量的大气压力，表压则 是指传感器能够测量的相 对压力。
真空度
指传感器在真空环境下能 够测量的压力范围。
精度
01
02
03
04
精度
指传感器测量结果的准确性， 通常以百分比或绝对误差表示
《压力传感器》PPT课件
contents
目录
• 压力传感器概述 • 压力传感器的应用 • 压力传感器的技术参数 • 压力传感器的选型与使用 • 压力传感器的发展趋势
01
压力传感器概述
压力传感器的定义
总结词
压力传感器是一种能够将压力转换为可测量电信号的装置。
根据实际应用需求选择测量范围合适的压力 传感器，以满足测量精度和量程要求。
输出信号
根据信号处理设备和系统需求，选择输出信 号类型（如模拟信号、数字信号等）。
精度等级
考虑传感器的精度等级，以确保测量结果的 准确性。
稳定性与可靠性
选择经过严格测试和验证，具有良好稳定性 和可靠性的传感器。
压力传感器的安装与使用
医疗设备
总结词
医疗设备中的压力传感器主要用于监测病人血压、呼吸等生理参数，对于诊断和治疗疾 病具有重要作用。
详细描述
在医疗领域，如呼吸机、血压计、麻醉机等设备中，压力传感器被用于监测病人的呼吸 、血压等生理参数。通过实时监测这些参数，医生可以及时了解病人的病情变化，为诊
断和治疗提供重要依据。
航空航天
03
压力传感器的技术参数
测量范围
01
02
03
测量范围
指压力传感器能够测量的 压力范围，通常以kPa、 Pa或Bar为单位表示。
绝对压力与表压
绝对压力是指传感器能够 测量的大气压力，表压则 是指传感器能够测量的相 对压力。
真空度
指传感器在真空环境下能 够测量的压力范围。
精度
01
02
03
04
精度
指传感器测量结果的准确性， 通常以百分比或绝对误差表示
《压力传感器》PPT课件
contents
目录
• 压力传感器概述 • 压力传感器的应用 • 压力传感器的技术参数 • 压力传感器的选型与使用 • 压力传感器的发展趋势
01
压力传感器概述
压力传感器的定义
总结词
压力传感器是一种能够将压力转换为可测量电信号的装置。
压阻式压力传感器
掩膜版
步骤四：标准淡硼预扩散或离子注入，在经过标准再分布或退火 形成方块电阻率在80-250W可控的压阻，结深1-3微米。
• 恒定表面源扩散：在整个扩散过程中，硅片表面的杂质浓度 始终不变。
• 有限表面源扩散：扩散之前在硅片表面先淀积一层杂质，在 整个扩散过程中以这层杂质作为扩散的杂质源，不再有新源 补充。
1 硅片的清洗处理
2涂胶：涂胶的目的是在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、并且没有缺陷的光刻胶薄膜。
3 前烘：经过甩胶之后的光刻胶虽然液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但含有10%~ 30%的溶剂，容易沾染灰尘。通过在较高温度下进行烘焙，使溶剂从光刻胶中挥发出来。 4 对准与曝光：曝光的光源为紫外光的汞灯，形成平行光束垂直照射到硅片上。受到光照 的光刻胶发生光化学反应，其内部分子结构发生变化。 5 显影：把曝光后的基片放在显影液里，将应除去的光刻胶膜溶除干净，以获得所需要 光刻胶的图形。
2）湿氧氧化：氧气通过盛有950C高纯去离子水的石英瓶后携带水汽到硅片 表面发生氧化反应： Si+O2SiO2 Si+2H2OSiO2+2H2 优点：生长速率较快；缺点：与光刻胶粘附性不好。
（3）氢氧合成氧化：在常压下分别是将纯H2 和纯氧直接通入石英管内，使之在一定温度燃 烧生成水，水在高温下氧化后与硅反应生成 SiO2，生长速度比湿氧快，膜质量好、纯度高。
• 两步扩散：实际生产中的扩散温度一般为900~1200℃，在
这样的温度范围内，常用杂质，如硼、砷等在硅中的固溶度
随温度变化不大，因而采用恒定表面源扩散很难得到低表面
浓度的杂质分布形式。实际生产中将扩散过程分为两步完成。
其中第一步称为预扩散或者预淀积，第二步称为主扩散或再
压阻式压力传感器PPT课件
38
4.1.2 常用压力检测仪表
特点：体积小，结构简单，工作可靠；测量精度较高；频 率响应高，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓 慢变化的压力和静态压力。
39
4.1.2 常用压力检测仪表
（5）电容式压力传感器
电容式压力传感器采用变电容测量原理，根据平行板电容器
30
4.1.2 常用压力检测仪表
分析：四片应变片接成全 桥。当没有压力作用时， 电桥是平衡的；当有压力 作用时，应变筒产生形变， 工作应变片电阻变化，电 桥失去平衡，产生与压力 变化相应的电压输出。
31
4.1.2 常用压力检测仪表
图4-11所示为平膜片式压力传感器结构，其上粘贴有如图412(a)所示的箔式组合应变片。
4
4.1.1压力的基本概念
压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和 控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低 耗及安全生产的重要环节。
1. 压力的定义
压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常 称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力 可表示为:
pF S
特点：比较简单，有较好的线性，但滑动触点会有磨损， 可靠性较差。
23
4.1.2 常用压力检测仪表
图4-6(b)为霍尔元件式，其转换原理基于半导体材料的霍尔效 应。当压力为零时，因霍尔元件处于方向相反的两对磁极间 隙中的面积相等，故没有霍尔电势产生。当压力变化时，霍 尔元件被弹性元件自由端带动在磁场中移动而使其处在两对 磁极中的面积不相等，则霍尔元件在垂直于磁场和电流方向 的另两侧将产生霍尔电势，此输出电势与自由端位移大小对 应，即与被测压力值相对应。
它由弹性敏感元 件—测压波纹管、 杠杆、差动电容 变换器、伺服放 大器A、伺服电机 M、减速器和反 馈弹簧等元部件 组成。
压力传感器原理PPT课件
10
电容式压力传感器
膜片电容压力传感器是两个相互电绝缘的 有一定导电性的极板组成，可看成一标准 的平行板电容器，其中一个电极板是可在 外加压力的作用下产生形变的弹性膜片， 另一个极板固定在传感器的外壳上不会在 压力作用下变形。当压力变化引起检测极 板变形改变压力电容器极板间距，进而引 起电容量变化来检测压力变化。
硅压阻的不足在于其压敏电阻和硅片本体有P-N效应，工作温度超过 150度时就不适用，另外硅的抗化学腐蚀的能力不如不锈钢和陶瓷膜 片，在高温或腐蚀性较强的环境便可采用陶瓷压阻或陶瓷电容式压力 传感器。
ppt精选版
24
ppt精选版
25
ppt精选版
22
薄膜应变压力传感器
薄膜式压阻压力传感器将压敏电阻直接沉 积在金属弹性膜片上，可以避免胶粘剂工 艺带来的麻烦，其制作工艺如下：
首先制备绝缘膜，金属弹性膜片上首先用 真空镀、离子溅射等方法形成一层金属氧 化物陶瓷或玻璃薄膜，然后用薄膜工艺在 绝缘膜上制作压阻薄膜，压阻薄膜材料用 合金或硅均可。最后将压阻薄膜用光刻或 等离子刻蚀成需要的图形。
ppt精选版
14
ppt精选版
15
基于压阻应变片的压力传感器
在现代各类原理的压力传感器中，以压阻应变片 为基础的压力传感器是应用最广泛的两种类型中 的一种（另一种既是电容式压力传感器），此两 类原理有可分为粘贴应变片式压力传感器、薄膜 应变片式压力传感器、硅压阻压力传感器、厚膜 压阻压力传感器、硅电容压力传感器、厚膜电容 压力传感器。
ppt精选版
13
硅微加工电容式压力传感器
其体积小，集成度高，成本低，静态和动 态性能良好，可大批量制造。其以半导体 硅为基板，首先形成氧化硅或氮化硅绝缘 层，再形成一层金属薄膜电极。电极的上 方是绝缘的氧化硅或氮化硅围成的空腔， 空腔上口是单晶硅、多晶硅或氮化硅弹性 膜片，膜片上表面为薄膜金属电极层。目 前硅微加工电容式压力传感器是应用最为 普遍的压力传感器之一。
电容式压力传感器
膜片电容压力传感器是两个相互电绝缘的 有一定导电性的极板组成，可看成一标准 的平行板电容器，其中一个电极板是可在 外加压力的作用下产生形变的弹性膜片， 另一个极板固定在传感器的外壳上不会在 压力作用下变形。当压力变化引起检测极 板变形改变压力电容器极板间距，进而引 起电容量变化来检测压力变化。
硅压阻的不足在于其压敏电阻和硅片本体有P-N效应，工作温度超过 150度时就不适用，另外硅的抗化学腐蚀的能力不如不锈钢和陶瓷膜 片，在高温或腐蚀性较强的环境便可采用陶瓷压阻或陶瓷电容式压力 传感器。
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22
薄膜应变压力传感器
薄膜式压阻压力传感器将压敏电阻直接沉 积在金属弹性膜片上，可以避免胶粘剂工 艺带来的麻烦，其制作工艺如下：
首先制备绝缘膜，金属弹性膜片上首先用 真空镀、离子溅射等方法形成一层金属氧 化物陶瓷或玻璃薄膜，然后用薄膜工艺在 绝缘膜上制作压阻薄膜，压阻薄膜材料用 合金或硅均可。最后将压阻薄膜用光刻或 等离子刻蚀成需要的图形。
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15
基于压阻应变片的压力传感器
在现代各类原理的压力传感器中，以压阻应变片 为基础的压力传感器是应用最广泛的两种类型中 的一种（另一种既是电容式压力传感器），此两 类原理有可分为粘贴应变片式压力传感器、薄膜 应变片式压力传感器、硅压阻压力传感器、厚膜 压阻压力传感器、硅电容压力传感器、厚膜电容 压力传感器。
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13
硅微加工电容式压力传感器
其体积小，集成度高，成本低，静态和动 态性能良好，可大批量制造。其以半导体 硅为基板，首先形成氧化硅或氮化硅绝缘 层，再形成一层金属薄膜电极。电极的上 方是绝缘的氧化硅或氮化硅围成的空腔， 空腔上口是单晶硅、多晶硅或氮化硅弹性 膜片，膜片上表面为薄膜金属电极层。目 前硅微加工电容式压力传感器是应用最为 普遍的压力传感器之一。
《压力传感器》课件
压力传感器的维护与保养
定期检查
定期检查压力传感器的外观、连接线路和电 源等，确保其正常工作。
清理与保养
根据需要，定期清理压力传感器的表面污垢 和杂物，保持其清洁状态。
校准与调整
定期对压力传感器进行校准和调整，以确保 其测量精度和稳定性。
更换损坏元件
如发现压力传感器内部元件损坏，应及时更 换，以避免影响其正常工作。
根据精度要求选择
根据实际应用对测量精度的要求，选 择具有适当分辨率和误差范围的压力
传感器。
根据测量范围选择
根据所需测量的压力范围，选择量程 合适的压力传感器，以确保测量精度 和稳定性。
根据环境因素选择
考虑使用环境的影响因素，如温度、 湿度、振动等，选择能在恶劣环境下 稳定工作的压力传感器。
压力传感器的安装与使用
多功能化
在微型传感器中集成多种功能模块， 如温度、湿度等，实现多参数测量。
无线压力传感器的发展趋势
无线通信技术
采用无线通信技术，实现传感器与接收器之 间的数据传输，提高监测系统的灵活性和可 靠性。
能量管理
优化传感器能量管理技术，提高传感器续航 能力和稳定性，满足长期监测需求。
THANKS
感谢观看
压力传感器的分类
01
根据工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式、电感式和 压电式等类型。
02
根据输出信号，压力传感器可分为模拟输出和数字输出两种类
型。
根据使用环境，压力传感器可分为工业、医疗、气象、航空航
03
天等类型。
压力传感器的应用领域
压力传感器广泛应用于工 业自动化、智能家居、医 疗设备、汽车电子等领域。
03
CATALOGUE
压阻式传感器ppt课件
传
r
法线式：
感
x
器 x cos y cos z cos p
法线 长度
cosα,cosβ,cosγ－法线的方向余弦
10
ppt课件10
第
密勒指数
13
章
x cos y cos z cos 1
p
p
p
压
x y z 1 rst
阻
cos : cos : cos 1 : 1 : 1
阻
i
jk
式
C A B h1 k1 l1
传
h2 k2 l2
感 器
C
i
k1
l1 j h1
l1 k h1
k1
k2 l2
h2 l2
h2 k2
16 ppt课件16
第 例：求与两晶向都垂直的第三晶向
13
章
已知：A 110
B 001
压 阻
已知：
A
111
B 110
第
§13.3 压阻系数
13
章
一、单晶硅的压阻系数
压 阻 式 传 感 器
1
ppt课件19
3
σ33
σ31 σ13
σ32
σ12 σ21
σ11
σ23 σ22
2
19
第
材料阻值变化
13
章
广义：
＝E
压
•六个独立的应力分量：
阻
式
1, 2, 3, 4, 5, 6
传 •六个独立的电阻率的变化率：
传 4、P型硅和N型硅的区别是什么？
感 5、压阻系数受哪些因素的影响？
传感器原理与应用课件 第8章 压阻式传感器
2 2 2 2 2 2 l l m m n n t 12 11 12 44 1 2 1 2 1 2
式中 硅、锗之类半导体材料独立的三个压阻系数。 l1、m1、n1——分别为压阻元件纵向应力相对于立方晶轴的方向余弦； l 2、m2、n2——分别为压阻元件横向应力相对于立方晶轴的方向余弦；
} 221
晶向、晶面、晶面族分别为<111>、（111）、{111} 晶向、晶面、晶面族分别为<100>、（100）、{100}
由于是立方晶体，ABCD、BEFC、 CFGD三个面的特性是一样的， 因此<100>、<010>、<001>有时可通用，均可用<100>表示。这是泛指 的，如指某一固定的晶向时，则不能通用。 对于同一个单晶硅晶体，不同的晶面上原子分布不同，各个晶面 所表现的物理性质也不同，压阻效应也不同。硅压阻传感器的硅芯片， 就是选择压阻效应最大的晶向来布置电阻条的。常用的晶向为<001>、 <011>、<111>三个晶向。通常在这三个晶向上扩散电阻有最大压阻系 数。
X cos Y cos Z cos p
X r
若两式所表示的是同一平面，则得
X Y Z cos cos cos 1 p p p
则有
1 11 cos : cos : cos : : r st
把三个截矩的倒数化成三个没有公约数的整数h、k、l，称为密勒指数。则 有
8.2
晶向的表示方法
扩散型压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性 材料，取向不同时特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是 晶面的法线方向。 设X、Y、Z分别为单晶硅的晶轴。晶向在一平面内有两种表示方法： （1）截距式
压阻式压力传感器
第二节 压阻式传感器 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。
半导体材料的这种效应特别强。
利用半导体材料做成的压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成的粘贴式应变片；另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。
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。
1. 基本工作原理根据式（2－3） 式中，项，对金属材料，其值很小，可以忽略不计，对半导体材料，项很大，半导体电阻率的变化为(2－22) 式中为沿某晶向的压阻系数，σ为应力，为半导体材料的弹性模量。
如半导体硅材料，,，则，此例表明，半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数 (1＋2μ)大很多。
可近似认为。
半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。
其压阻效应是因在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。
由于半导体（如单晶硅）是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。
所谓晶向，就是晶面的法线方向。
晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法。
1．截距法 设单晶硅的晶轴坐标系为x、y、z，如图2－29所示，某一晶面在轴上的截距分别为r、s、t(2－23) 1/r、1/s、1/t为截距倒数，用r、s、t的最小公倍数分别相乘，获得三个没有公约数的整数a、b、c，这三个数称为密勒指数，用以表示晶向，记作〈a b c〉，某数（如a）为负数则记作〈b c〉。
例如图2－30(a)，截距为－2、－2、4，截距倒数为－、－、，密勒指数为〈1〉。
图2－30(b)截距为1、1、1，截距倒数仍为1、1、1，密勒指数为〈1 1 1〉。
图2－30(c)中ABCD面，截距分别为1、∞、∞，截距倒数为1、0、0，所以密勒指数为〈1 0 0〉。
微传感器技术34压阻PPT课件
二、 压阻式传感器
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种 新的物性型传感器。
优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。
（一） 压阻效应
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显 变化，这种现象被称为压阻效应。
电阻相对变化量
dR d 1 2
R
对金属材料 对半导体材料
dR 1 2
（五） 测量电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要
把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪 表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配 交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简
单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势 源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥
交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶
面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y
、Z表Z 示。
硅为立方晶体结构，就
C
取立方晶体的三个相邻边为
O
1
B
X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上
Y
取与所有晶轴相交的某晶面
1
为单位晶面，如图所示。
A
X 晶体晶面的截距表示
第3页/共65页
此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面 在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位
各参数之间的关系为
B
R1
R2 Rg
A
C
Ig
R3
R4
D
E
电桥线路第原25理页/图共65页
Ig
Rg R1
R2 R3
ER1R4 R2R3 R4 R1R2 R3 R4
是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种 新的物性型传感器。
优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型 化和集成化等。
（一） 压阻效应
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显 变化，这种现象被称为压阻效应。
电阻相对变化量
dR d 1 2
R
对金属材料 对半导体材料
dR 1 2
（五） 测量电路
应变片将应变的变化转换成电阻相对变化ΔR/R，要
把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪 表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配 交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简
单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势 源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥
交点称为晶体的顶点。为了说明晶格点阵的配置和确定晶
面的位置，通常引进一组对称轴线，称为晶轴，用X、Y
、Z表Z 示。
硅为立方晶体结构，就
C
取立方晶体的三个相邻边为
O
1
B
X、Y、Z。在晶轴X、Y、Z上
Y
取与所有晶轴相交的某晶面
1
为单位晶面，如图所示。
A
X 晶体晶面的截距表示
第3页/共65页
此晶面与坐标轴上的截距为OA、OB、OC。已知某晶面 在X、Y、Z轴上的截距为OAx、OBy、OCz，它们与单位
各参数之间的关系为
B
R1
R2 Rg
A
C
Ig
R3
R4
D
E
电桥线路第原25理页/图共65页
Ig
Rg R1
R2 R3
ER1R4 R2R3 R4 R1R2 R3 R4
压阻式传感器培训课件
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1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变 化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体 最为显著。 当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻 率将 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。
RR(1l E)
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对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
RRl El
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的 变化是由应变引起的。
半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
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2.2 测量电路
恒压源
U 0U R /R ( R t)
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
U0 IR
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
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3.1 结构类型
1. 半导体的压阻效应
固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变 化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体 最为显著。 当半导体材料在某一方向上承受力时，它的电阻 率将 发生显著变化，这种现象称为半导体压阻效应。
RR(1l E)
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对半导体材料而言，πl E >>(1+μ)，故(1+μ)项可以忽略
RRl El
半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的 变化是由应变引起的。
半导体应变片的结构形式
1-P型单晶硅条 2-内引线 3-焊接电极 4-外引线
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2.2 测量电路
恒压源
U 0U R /R ( R t)
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
U0 IR
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
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2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
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3.1 结构类型
压阻式传感器ppt
电桥输出电压与ΔR成正比，环境温度的变化对其没有影响。
2.3 半导体应变片的优缺点
半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，这为它的应用提供 了有利条件。另外，由于机械滞后小、横向效应小以及它本身体 积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。
其最大的缺点是温度稳定性差、灵敏度离散程度大（由于晶 向、杂质等因素的影响）以及在较大应变作用下非线性误差大等， 给使用带来一定困难。
成正比，表明电桥的输出与电源电压的大小与精度都有关。
如RT≠0时，则Usc与RT有关，也就是说与温度有关，而且与温度 的关系是非线性的，所以用恒压源供电时，不能消除温度的影响。
（2）恒流源供电
假设电桥两个支路的电阻相等，即
RABC RADC 2R RT
A R -R +RT
I R +R +RT
利用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力 敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两类：一种是利用半导 体材料制成黏贴式的应变片；另一种是在半导体的基片上 用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感器元 件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压 阻式传感器。
2. 体型半导体电阻应变片
这种半导体应变片是将单晶硅锭切片、研磨、腐蚀压焊引线， 最后粘贴在锌酚醛树脂或聚酰亚胺的衬底上制成的。体型半导体 应变片可分为6种。
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。
1.1压阻效应
R (1 )
R
半导体电阻率
金属材料
材料
＝
l
lEe
l
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4.1.1压力的基本概念
4. 压力检测的基本方法
根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：
（1） 重力平衡方法——利用一定高度的工作液体产生的 重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力 转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。
（2） 弹性力平衡方法 ——利用弹性元件受压力作用发生 弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测 压力。
15
4.1.2 常用压力检测仪表
2. 弹性压力计
弹性压力计基本组成环节如图4-3所示。
弹性元件是核心部分， 用于感受压力并产生弹 性变形；指示机构用于 给出压力示值；调整机 构用于调整压力计的零 点和量程。 （1） 弹性元件 工业上常用的弹性元件如表4-2所示。
16
4.1.2 常用压力检测仪表
类名 别称
12
4.1.2 常用压力检测仪表
（1） U形管压力计
图4-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形
管两端接入不同压力p1和p2时，根据流体静力平衡原理可知， U形管两边管内液柱差h与被测压力p1和p2的关系为
p1Ap2AghA
(4-2)
由式(4-2)可求得两压力的差值∆p或在己知一个压力的情况
4
4.1.1压力的基本概念
压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和 控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低 耗及安全生产的重要环节。
1. 压力的定义
压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常 称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力 可表示为:
pF S
特点：结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，精度 最高。
（3）波纹管压力计 波纹管压力计以波纹管作为压力-位移转换元件，由于金属波 纹管在压力作用下容易变形，所以测压灵敏度很高。
(4-4)
14
4.1.2 常用压力检测仪表
由于D>>d，故d2/D2可以忽略不计，则式(4-4)可写成
phgh1g
(4-5)
（3）斜管压力计
将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图4-2(c)所示。则p1与
液柱之间的关系仍然与式(4-5)相同（目的：提高灵敏度，减 小误差）
phgL gsin (4-6)
9
4.1.1压力的基本概念
（3） 机械力平衡方法——将被测压力经变换元件转换成一 个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被 测压力。 （4） 物性测量方法——利用敏感元件在压力的作用下，其某 些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力 直接转换为各种电量来测量。
10
4.1 压力的测量
4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装
11
4.1.2 常用压力检测仪表
1. 液柱式压力计
应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一 般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行 压力测量的，其结构形式如图4-2所示。
第四章 力学量检测技术
1
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2
力学量检测技术
1 电压的测量 2 力的测量 3 转矩测量
3
4.1 压力的测量
4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装
4.1.2 常用压力检测仪表
波 纹 管 式
波 纹 管
单
圈
弹
簧
弹
管
簧
管
式
多
圈
弹
簧
管
0～10-3
0～103
0～10-1
0～106
0～10-2
0～105
10-2～ 10-1
10～ 102
－
102～ 103
－
10～ 102
18
4.1.2 常用压力检测仪表
（2） 弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪 表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图4-4所示。
平 薄 膜
薄波 膜纹 式膜
挠 性 膜
表4-2 弹性元件的结构和特性
示意图
压力测量范围 kPa
最小
最大
输出特性
0～10
0～105
动态性质
时间常 数/s
自振 频率
/Hz
10-5～ 10-2
10～ 104
0～10-3
0～103
10-2～ 10-1
10～ 102
0～10-5
0～102
10-2～1 1～102 17
下（例如压力p2），求出另一压力值：
p p1 p2 gh p1 p2 gh
(4-3)
13
4.力计
单管压力计如图4-2(b)所示。当大容器一侧通入被测压力p1，
管一侧通入大气压p2时，满足下列关系
pp 1 p 2 hg (h 1 h 2) (1 D d 2 2)h 1g
6
4.1.1压力的基本概念
这几种表示法的关系如图4-1所示。
工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力和动态压力之分。
7
4.1.1压力的基本概念
3. 压力的计量单位
压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为 牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2 表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝ 1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa (106 Pa) 表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。 目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理 大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。
1-弹簧管；2-扇形齿 轮；3-拉杆；4-底座； 5-中心齿轮；6-游丝； 7-表盘； 8-指针； 9接头；10-弹簧管横 截面；11-调节开口槽
19
4.1.2 常用压力检测仪表
工作过程：被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移， 通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转 动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的 刻度标尺上指示出被测压力值。
(4-1)
5
4.1.1压力的基本概念
2. 压力的表示方法
绝对压力——以完全真空(绝对压力零位)作参考点的压力称 为绝对压力 大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所形成的压力称 为大气压力 表压力—— 以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的 压力称为表压力 差压(压差)——任意两个压力之差称为差压
4.1.1压力的基本概念
4. 压力检测的基本方法
根据不同工作原理，压力检测方法可分为如下几种：
（1） 重力平衡方法——利用一定高度的工作液体产生的 重力或砝码的重量与被测压力相平衡的原理，将被测压力 转换为液柱高度或平衡砝码的重量来测量。
（2） 弹性力平衡方法 ——利用弹性元件受压力作用发生 弹性变形而产生的弹性力与被测压力相平衡的原理来检测 压力。
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4.1.2 常用压力检测仪表
2. 弹性压力计
弹性压力计基本组成环节如图4-3所示。
弹性元件是核心部分， 用于感受压力并产生弹 性变形；指示机构用于 给出压力示值；调整机 构用于调整压力计的零 点和量程。 （1） 弹性元件 工业上常用的弹性元件如表4-2所示。
16
4.1.2 常用压力检测仪表
类名 别称
12
4.1.2 常用压力检测仪表
（1） U形管压力计
图4-2(a)所示的U形管是用来测量压力和压差的仪表。在U形
管两端接入不同压力p1和p2时，根据流体静力平衡原理可知， U形管两边管内液柱差h与被测压力p1和p2的关系为
p1Ap2AghA
(4-2)
由式(4-2)可求得两压力的差值∆p或在己知一个压力的情况
4
4.1.1压力的基本概念
压力是工业生产过程中重要的工艺参数之一，正确地测量和 控制压力是保证工业生产过程良好地运行，达到高产优质低 耗及安全生产的重要环节。
1. 压力的定义
压力是垂直而均匀地作用在单位面积上的力，即物理学中常 称的压强。工程上，习惯把压强称为压力。由此定义，压力 可表示为:
pF S
特点：结构简单，使用方便，价格低廉，测压范围宽，精度 最高。
（3）波纹管压力计 波纹管压力计以波纹管作为压力-位移转换元件，由于金属波 纹管在压力作用下容易变形，所以测压灵敏度很高。
(4-4)
14
4.1.2 常用压力检测仪表
由于D>>d，故d2/D2可以忽略不计，则式(4-4)可写成
phgh1g
(4-5)
（3）斜管压力计
将单管压力计的玻璃管制成斜管，如图4-2(c)所示。则p1与
液柱之间的关系仍然与式(4-5)相同（目的：提高灵敏度，减 小误差）
phgL gsin (4-6)
9
4.1.1压力的基本概念
（3） 机械力平衡方法——将被测压力经变换元件转换成一 个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力测知被 测压力。 （4） 物性测量方法——利用敏感元件在压力的作用下，其某 些物理特性发生与压力成确定关系变化的原理，将被测压力 直接转换为各种电量来测量。
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4.1 压力的测量
4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装
11
4.1.2 常用压力检测仪表
1. 液柱式压力计
应用液柱测量压力的方法是以流体静力学原理为基础的。一 般是采用充有水或水银等液体的玻璃U形管、单管或斜管进行 压力测量的，其结构形式如图4-2所示。
第四章 力学量检测技术
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力学量检测技术
1 电压的测量 2 力的测量 3 转矩测量
3
4.1 压力的测量
4.1.1压力的基本概念 4.1.2常用压力检测技术 4.1.3压力检测仪表的校准 4.1.4动态压力检测管道 4.1.5压力检测仪表的选择与安装
4.1.2 常用压力检测仪表
波 纹 管 式
波 纹 管
单
圈
弹
簧
弹
管
簧
管
式
多
圈
弹
簧
管
0～10-3
0～103
0～10-1
0～106
0～10-2
0～105
10-2～ 10-1
10～ 102
－
102～ 103
－
10～ 102
18
4.1.2 常用压力检测仪表
（2） 弹簧管压力计 弹簧管式压力计是工业生产上应用很广泛的一种直读式测压仪 表，以单圈弹簧管结构应用最多。其一般结构如图4-4所示。
平 薄 膜
薄波 膜纹 式膜
挠 性 膜
表4-2 弹性元件的结构和特性
示意图
压力测量范围 kPa
最小
最大
输出特性
0～10
0～105
动态性质
时间常 数/s
自振 频率
/Hz
10-5～ 10-2
10～ 104
0～10-3
0～103
10-2～ 10-1
10～ 102
0～10-5
0～102
10-2～1 1～102 17
下（例如压力p2），求出另一压力值：
p p1 p2 gh p1 p2 gh
(4-3)
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4.力计
单管压力计如图4-2(b)所示。当大容器一侧通入被测压力p1，
管一侧通入大气压p2时，满足下列关系
pp 1 p 2 hg (h 1 h 2) (1 D d 2 2)h 1g
6
4.1.1压力的基本概念
这几种表示法的关系如图4-1所示。
工程上按压力随时间的变化关系还有静态压力和动态压力之分。
7
4.1.1压力的基本概念
3. 压力的计量单位
压力是力和面积的导出量。在国际单位制中，取力的单位为 牛顿，面积单位为米2，则压力单位为牛顿/米2，用符号N/m2 表示；压力单位又称为帕斯卡或简称帕，符号为Pa。1Pa＝ 1N/m2。因帕单位太小，工程上常用kPa(103Pa)和MPa (106 Pa) 表示。我国已规定帕斯卡为压力的法定单位。 目前工程技术部门仍在使用的压力单位有工程大气压、物理 大气压、巴、毫米水柱、毫米汞柱等。
1-弹簧管；2-扇形齿 轮；3-拉杆；4-底座； 5-中心齿轮；6-游丝； 7-表盘； 8-指针； 9接头；10-弹簧管横 截面；11-调节开口槽
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4.1.2 常用压力检测仪表
工作过程：被测压力由接口引入，使弹簧管自由端产生位移， 通过拉杆使扇形齿轮逆时针偏转，并带动啮合的中心齿轮转 动，与中心齿轮同轴的指针将同时顺时针偏转，并在面板的 刻度标尺上指示出被测压力值。
(4-1)
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4.1.1压力的基本概念
2. 压力的表示方法
绝对压力——以完全真空(绝对压力零位)作参考点的压力称 为绝对压力 大气压力——由地球表面大气层空气柱重力所形成的压力称 为大气压力 表压力—— 以大气压力为参考点，大于或小于大气压力的 压力称为表压力 差压(压差)——任意两个压力之差称为差压