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壓阻式壓力傳感器
閱讀�6472時間�2016-10-28 16:14:33

壓阻式傳感器是壓力式傳感�的一�。壓阻式壓力傳感�又稱�(kuò)�硅壓力傳感器

原理

�(jié)�(gòu)如圖所��
其核心部分是一塊沿某晶�(如�1 0�)切割的N型的圓形硅膜片(見圖2�35(b))。在膜片上利用集成電路工藝方法擴(kuò)散上四個阻值相等的P型電�。用�(dǎo)線將其構(gòu)成平衡電橋。膜片的四周用圓硅環(huán)(硅杯)固定,其下部是與被測系統(tǒng)相連的高壓腔,上部一般可與大氣相�。在被測壓力P作用�,膜片產(chǎn)生應(yīng)力和�(yīng)�。膜片上各點的應(yīng)力分布由式(2�20)和式(2�21)給�。當(dāng)時,徑向�(yīng)力為零�。四個電阻沿�1 1 0〉晶向并分別在x=0.635r處的�(nèi)外排�,在0.635r之內(nèi)�(cè)的電阻承受的為正值,即拉�(yīng)力(見圖2�25(b)�,外�(cè)的電阻承受的是負(fù)�,即壓應(yīng)�。由于�1 1 0〉晶向的橫向為�0 0 1�,因��,代入式�2�29)內(nèi)外電阻的相對變化為式� 、——內(nèi)、外電阻上所承受徑向�(yīng)力的平均�。設(shè)計時,要正確地選擇電阻的徑向位置,使,因而使。使四個電阻接入差動電橋,初始狀�(tài)平衡,受力P后,差動電橋輸出與P相對�(yīng)。為了保證較好的測量線性度,要控制膜片邊緣處徑向應(yīng)�。而膜片厚度為h≥式� —�;膜片邊緣允許的徑向應(yīng)�?!鹤枋綁毫鞲衅饔捎趶椥栽c變換元件一體化,尺寸小,其固有頻率很高,可以測頻率范圍很寬的脈動壓�。固有頻率可按下式計算式� ——硅片的密度(kg/m2) 壓阻式壓力傳感器廣泛用于流體壓力、差�、液位等的測�。特別是它的體積�,最小的傳感器可�0.8mm,在生物�(yī)�(xué)上可以測量血管內(nèi)�、顱�(nèi)壓等參數(shù)�

�(yīng)�

壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用航�、航�、航�、石油化�、動力機(jī)�、生物醫(yī)�(xué)工程、氣�、地�(zhì)、地震測量等各個領(lǐng)�。在航天和航空工�(yè)中壓力是一個關(guān)鍵參�(shù),對靜�(tài)和動�(tài)壓力,局部壓力和整個壓力場的測量都要求很高的精�。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例�,用于測量直升飛機(jī)�(jī)翼的氣流壓力分布,測試發(fā)動機(jī)�(jìn)氣口的動�(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機(jī)翼的抖動等。在飛機(jī)噴氣�(fā)動機(jī)中心壓力的測量中,使用專門�(shè)計的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)�(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05%的配套硅壓力傳感�。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗中,壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞�(jìn)口處和發(fā)動機(jī)�(jìn)氣管道模型中。單個傳感器直徑�2.36毫米,固有頻率高�(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22%。在生物�(yī)�(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工�。已制成�(kuò)散硅膜薄�10微米,外徑�0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測量心血�、顱�(nèi)、尿道、子宮和眼球�(nèi)壓力的傳感器。圖3是一種用于測量腦壓的傳感器的�(jié)�(gòu)圖。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測�、真空測�、監(jiān)測和控制汽車�(fā)動機(jī)的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此�,在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技�(shù)和計算機(jī)的�(jìn)一步發(fā)�,壓阻式傳感器的�(yīng)用還將迅速發(fā)展�

壓阻式傳感器的應(yīng)變與溫度交叉靈敏度分�

�(yīng)變與溫度交叉靈敏度計算公式的給出
壓阻式傳感器是在圓形硅膜片上�(kuò)散出四個電�,這四個電阻接成惠斯登電橋。假�(shè)四個擴(kuò)散電阻的起始電阻都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力作用時,兩個電阻的阻值增�,增加量為ΔR,兩個電阻的阻值減�,減小量為ΔR;另外由于溫度影響,使每個電阻都有ΔRT的變化量。若電橋的供橋電壓為U,則它的輸出電壓為:
式中:πL—壓阻系�(shù);E—電阻半�(dǎo)體材料的彈性模�;S=πL·E—傳感器的靈敏度�
根據(jù)四個電阻本身的溫度特�,設(shè)它們的溫度系數(shù)為�,則�
�(dāng)傳感器受�(yīng)變ε和溫度T的作用,則由泰勒公式在初始應(yīng)變�0和環(huán)境溫度T0下將�(4)展開得:
靈敏�,當(dāng)不考慮溫度影響�,該項為常值;SεT=USα,定義為�(yīng)變與溫度的交叉靈敏度�
第三�、第四項及以后各項為溫度變化項,忽略掉ΔT的高階項,溫度與傳感器的輸出呈線性關(guān)�,令ST=USεα,定義為傳感器的溫度靈敏度。忽略掉高階�,式(6)又可寫為�
很顯然,考慮交叉靈敏度的非線性方�(7)與線性近似的方程(8)相比,求得的�(yīng)變和溫度與實際值較為接�;但�(dāng)被測量變化較小時,由�(8)可獲得足夠精確的�,且用線性方程近似求解可充分利用較為成熟的線性方程組的數(shù)值方法理�,使問題大大簡化,因此式(8)在實際應(yīng)用中仍具有重要意�,而參量變化較大時,忽略交叉靈敏度對于求解精度影響較大�
交叉靈敏度分�
由交叉靈敏度公式SεT=USα可知�
交叉靈敏度既與傳感器�(yīng)變片自身的壓阻系�(shù)、彈性模�、溫度系�(shù)有關(guān),又與電橋的供電電壓有關(guān),因此應(yīng)變和溫度同時作用于傳感器�,傳感器的輸出不是應(yīng)變和溫度單獨作用時產(chǎn)生的輸出量的簡單迭加,還存在著熱力學(xué)和力�(xué)量的相互作用,這個作用反映為交叉靈敏度,其大小反映了這種相互作用的程��
實際�,交叉靈敏度反映了在不同�(yīng)變時,溫度靈敏度不是一個常�(shù),而是隨著�(yīng)變的變化而變�,交叉靈敏度的大小描述了溫度靈敏度偏離常�(shù)的程度。實驗中通過在不同應(yīng)變下測量溫度靈敏�,作出ST-ε曲線,該曲線的斜率便反映了交叉靈敏度的大小�
計算實例
以IC Sensors公司的S17-30A型傳感器為例,結(jié)合A/D�(zhuǎn)換器AD7731把模擬量�(zhuǎn)換成�(shù)字量�6�16�(jìn)制原碼,再把16�(jìn)制的原碼送入AT89c52單片�(jī),由單片�(jī)送出原碼值。實驗中以標(biāo)�(zhǔn)壓力作為輸入,測取不同溫度條件下16�(jìn)制的原碼�,實驗數(shù)�(jù)如表1所��

由表1中的�(shù)�(jù),利用方�(7)�(jìn)行計算。首先在同一溫度不同壓力條件�,然后再在同一壓力不同溫度條件下借助MATLAB語言分別解矩陣得�

Sε,ST計算�(jié)果與傳感器自身的技�(shù)指標(biāo)非常接近,而交叉靈敏度SεT的技�(shù)指標(biāo)只能通過上述方法或類似方法求��
�(jié)�
利用上述方法借助方程(8)求出Sε,ST,通過對比可知,忽略交叉靈敏度將會帶來很大的誤�,該方法同樣適用于其他半�(dǎo)體傳感器�

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