【正文】 出。 例 沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測 例 機器人握力測量 汽車衡 稱重系統(tǒng) 應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、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。量程 2~， 耗電量 ≤10mA，有公制 /英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。 投入式液位計 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。 投入式液位計外形（續(xù)） 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 光柱 顯示器 橡膠 背壓管 投入 式液位 傳感器 投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。 例題 :L=100mm l=80mm h=20mm,b=10mm E=2*104 N/mm2 [σ] =2022㎏ /㎝ 2, u=4v, k=2 求 : Fmax,vo 解 :1. 2. )(13331*2*2 0 0 0 010*6 16 ][ 22m a x NbhLF ??? ?)(10*6410*20*10*280*6*1333884*244)(4)(4324432144332211VEKURRRRRRRRUVOMAX??????????????????????62 bhFL??傳感器技術(shù) 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點 ： ?應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)變片 — 應(yīng)變變效應(yīng)與應(yīng)變片結(jié)構(gòu)； ——應(yīng)變片電阻相對變化量與應(yīng)變的關(guān)系 。 ?應(yīng)變傳感器 — 彈性元件 （ 被測試件 ） +應(yīng)變片 +測量電路：力傳感器 ?壓阻效應(yīng)與壓阻式應(yīng)變片 壓阻效應(yīng)； 電阻相對變化量與應(yīng)變的關(guān)系 。 ? 壓阻傳感器 固態(tài)式 ， 片式 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點 ： 傳感器技術(shù) ?二者特點與區(qū)別： ?半導(dǎo)體壓力傳感器靈敏度比金屬大 100倍以上 ， 但穩(wěn)定性差 ， 精度低些 ， 補償復(fù)雜 。 ?金屬應(yīng)變的傳感器 — 穩(wěn)定性好 、 精度高 ， 但靈敏度低些 。 高精度測量最要使用金屬應(yīng)變片 。 測量電路：直流單臂 、 半橋 、 全橋分析方法與特性 。 ?電橋電路 — 平衡條件： R1R4=R2R3； 應(yīng)變片布置：相對臂極性相同 ， 相鄰臂極性相反 。 ?溫度影響及其補償方案 。 金屬應(yīng)變片：單絲 、 雙絲 、 電路補償 壓阻式：零點補償串并聯(lián) 、 靈敏度補償：串二極管 第 2章 應(yīng)變式傳感器 本章要點 ： 傳感器技術(shù) ?應(yīng)用 ? 構(gòu)成力傳感器 ?壓力傳感器 測量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度、振動、液位、重量等非電量參數(shù) 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 擴散硅壓阻式傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同其特性不一樣。而取向是用晶向表示的，所謂 晶向 就是晶面的法線方向。 晶體基本知識： 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 晶向 、 晶面的表示方法 結(jié)晶體是具有多面體形態(tài)的固體，由分子、原子或離子有規(guī)則排列而成。這種多面體的表面由稱為 晶面 的許多平面圍合而成。晶面與晶面相交的直線稱為 晶棱 ，晶棱的交點稱為 晶體的頂點 。為了說明晶格點陣的配置和確定晶面的位置，通常引進一組對稱軸線，稱為 晶軸 ，用 X、 Y、 Z表示。 C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 硅為立方晶體結(jié)構(gòu)，就取立方晶體的三個相鄰邊為 X、 Y、 Z。在晶軸 X、 Y、 Z上取與所有晶軸相交的某晶面為單位晶面，如圖所示。 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 此晶面與坐標(biāo)軸上的截距為 OA、 OB、 OC。已知某晶面在 X、 Y、 Z軸上的截距為 OAx、OBy、 OCz， 它們與單位晶面在坐標(biāo)軸截距的比可寫成 : 式中 ， p、 q、 r為沒有公約數(shù) (1除外 )的簡單整數(shù) 。 為了方便取其倒數(shù)得 : 式中 ， h、 k、 l也為沒有公約數(shù) （ 1除外 ） 的簡單整數(shù) 。 依據(jù)上述關(guān)系式 ， 可以看出截距 OAx、 OBy、 OCz的晶面 ， 能用三個簡單整數(shù) h、 k、 l來表示 。 h、 k、 l稱為 密勒指數(shù) 。 rqpOCOCOBOBOAOA zyx :::: ?lkhpppOCOCOBOBOAOAzyx::1:1:1:: ?? C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 C Z O B A X Y 1 1 晶體晶面的截距表示 而晶向是晶面的法線方向，根據(jù)有關(guān)的規(guī)定， 晶面 符號為 (hkl)， 晶面全集 符號為 {hkl}，晶向符號為 [hkl]， 晶向 全集 符號為 〈 hkl〉 。晶面所截的線段對于 X軸， O點之前為正， O點之后為負(fù)；對于 Y軸， O點右邊為正， O點左邊為負(fù)；對于 Z軸，在 O點之上為正， O點之下為負(fù)。 依據(jù)上述規(guī)定的晶體符號的表示方法，可用來分析立方晶體中的晶面、晶向。在立方晶體中，所有的原子可看成是分布在與上下晶面相平行的一簇晶面上，也可看作是分布在與兩側(cè)晶面相平行的一簇晶面上，要區(qū)分這不同的晶面，需采用密勒指數(shù)來對晶面進行標(biāo)記。晶面若在 X、 Y、 Z軸上截取單位截距時，密勒指數(shù)就是 1。故晶面、晶向、晶面全集及晶體全集分別表示為 (1 1 1)、 [1 1 1]、 {1 1 1}、 〈 1 1 1〉 。 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 若晶面與任一晶軸 平行 ，則晶面符號中相對于此軸的指數(shù)等于零，因此與 X軸相交而平行于其余兩軸的晶面用 (1 0 0)表示，其晶向為 [1 0 0]；與 Y軸相交面平行于其余兩軸的晶面為 (0 1 0)，其晶向為 [0 1 0]；與 Z軸相交而平行于 X、 Y軸的晶面為 (0 0 1)，晶向為 [0 0 1]。同理，與 X、 Y軸相交而平行于 Z軸的晶面為 (1 1 0)，其晶向為 [1 1 0]；其余類推。硅立方晶體內(nèi)幾種不同晶向及符號如圖。 (110) [110] [100] (100) (111) [111] [100] 單晶硅內(nèi)集中不同晶向與晶面 （ b） （ a） X Y Z 晶向、晶面的表示方法 第 2章 應(yīng)變式傳感器 對于同一單晶，不同晶面上原子的分布不同。如硅單晶中， (1 1 1)晶面上的原子密度最大， (1 0 0)晶面上原子密度最小。各晶面上的原子密度不同，所表現(xiàn)出的性質(zhì)也不同，如 (1 1 1)晶面的化學(xué)腐蝕速率為各向同性，而 (1 0 0)晶面上的化學(xué)腐蝕速率為各向異性。 單晶硅是各向異性的材料 ， 取向不同 ， 則壓阻效應(yīng)也不同 。 硅壓阻傳感器的芯片 ， 就是選擇壓阻效應(yīng)最大的晶向來布置電阻條的 。 同時利用硅晶體各向異性 、腐蝕速率不同的特性 ， 采用腐蝕工藝來制造硅杯形的壓阻芯片 。 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 壓阻系數(shù)的定義 半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化 ， 而電阻率的相對變化與應(yīng)力成正比 ， 二者的比例系數(shù)就是壓阻系數(shù) 。 即 : ???????Edd ??????????????????????444444111212121112121211000000000000000000000000????????????單晶硅的壓阻系數(shù)矩陣為 : 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 多向應(yīng)力作用在單晶硅上，由于壓阻效應(yīng)，硅晶體的的電阻率變化，引起電阻的變化，其相對變化 dR/R與應(yīng)力的關(guān)系如下式。在正交坐標(biāo)系中，坐標(biāo)軸與晶軸一致時，有 式中 ζl——縱向應(yīng)力； ζt——橫向應(yīng)力； ζs——與 ζl、 ζt垂直方向上的應(yīng)力； πl(wèi)、 πt、 πs——分別為 ζl、 ζt、 ζs相對應(yīng)的壓阻系數(shù) ， πl(wèi)表示應(yīng)力作用方向與通過壓阻元件電流方向一致時的壓阻系數(shù) ，πt表示應(yīng)力作用方向與通過壓阻元件電流方向垂直時的壓阻系數(shù) 。 l l t t s sdRR? ? ? ? ? ?? ? ? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 當(dāng)坐標(biāo)軸與晶軸方向有偏離時 ， 再考慮到 πsζs， 一般擴散深度為數(shù)微米 ， 垂直應(yīng)力較小可以忽略 。 因此電阻的相對變化量可由下式計算 : 式中 πl(wèi)、 πt值可由縱向壓阻系數(shù) π1 橫向壓阻系數(shù) π1剪切壓阻系數(shù) π44的代數(shù)式計算 ， 即 : 式中 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； l m n2——橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； π1 π1 π44——單晶硅獨立的三個壓阻系數(shù) ， 它們由實測獲得數(shù)據(jù) 。 l l t tdRR ? ? ? ???? ? ? ?2 2 2 2 2 211 11 12 44 1 1 1 1 1 12l l m l n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2 2 2 2 212 11 12 44 1 2 1 2 1 2t l l m m n n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦 . 1 2 2 2hlh k l???1 2 2 2kmh k l???1 2 2 2lnh k l??? 壓阻式應(yīng)變片的基本工作原理 第 2章 應(yīng)變式傳感器 式中 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； l m n2——橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； π1 π1 π44——單晶硅獨立的三個壓阻系數(shù) . ? ? ? ?2 2 2 2 2 211 11 12 44 1 1 1 1 1 12l l m l n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2 2 2 2 212 11 12 44 1 2 1 2 1 2t l l m m n n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?表 23 π1 π1 π55的數(shù)值（ 1011m2/N） 晶體 導(dǎo)電 類型 電阻率 π11 π12 π44 Si P + + Si N 從上表中可以看出，對于 P型硅， π44遠大于 π11和 π12，因而計算時只取 π44；對于 N型硅， π44較小， π11最大， π12≈π11 /2 ，因而計算時只取π11和 π12。 l m n1——壓阻元件縱向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； l m n2——橫向應(yīng)力相對于立方晶軸的方向余弦； π1 π1 π44——單晶硅獨立的三個壓阻系數(shù) . ? ? ? ?2 2 2 2 2 211 11 12 44 1 1 1 1 1 12l l m l n m n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2 2 2 2 212 11 12 44 1 2 1 2 1 2t l l m m n n? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?晶體 導(dǎo)電 類型 電阻率 π11 π12 π44 Si