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    力傳感器金屬應變片和半導體應變片的原理與區

    發布時間:2023-08-07 08:28人氣:

    應變片是測力傳感器的核心部件,應變片主要有金屬應變片和半導體應變片兩種,我們來講一講兩種應變片的工作原理與區別和優缺點。金屬電阻應變片的工作原理是利用導體形變引起阻值的變化(金屬應變效應);而半導體應變片是利用半導體電阻率變化引起電阻的變化(壓阻效應)
    滄正壓力傳感器CAZF-LS19.1
     
    金屬應變片的優點包括:制作方便,溫度穩定性和可重復性好等;主要缺點:靈敏度低,橫向效應等;
    半導體應變片的優點包括:靈敏度高,機械滯后小,橫向效應小和體積小等;主要缺點:溫度穩定性差、靈敏度系數非線性大。
    金屬應變片實物圖
     
    金屬應變片與半導體應變片在工作原理上的不同在于電阻變化的原因不同:
     
    金屬應變片是導體的形狀變化從而引起阻值相應的變化。
     
    半導體應變片是半導體的電阻率發生變化從而引起電阻相應的變化。
     
    金屬電阻應變片是利用金屬材料電阻值隨受力情況發生變化的特性來測量物體的形變程度。具體來說,當外力作用于金屬電阻應變片時,其電阻值會發生微小變化,通過檢測電阻值的變化就可以計算出物體的形變程度。金屬電阻應變片適用于測量較小的形變范圍,例如彈性形變。
     
    半導體應變片是利用半導體材料在力的作用下發生形變時,其電學性質發生變化的特性來測量物體的形變程度。具體來說,當外力作用于半導體應變片時,其電學特性會發生微小變化,通過檢測這種變化就可以計算出物體的形變程度。與金屬電阻應變片不同,半導體應變片適用于測量較大的形變范圍,例如塑性形變。
     
    (1)力傳感器金屬電阻應變片通常由線性變化的導體材料制成,如常見的銅、錫、鎳等。這些導體材料被夾在兩個絕緣基底之間并維持一定的張力,以確保應變片使用時可以以線性方式響應外力的變化。除了導體和絕緣材料,應變片還包括導線連接器,并可能帶有電路板、保護外殼或傳感器等附屬部件。金屬電阻應變片能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化。電阻應變片是由Φ=0.02-0.05mm的康銅絲或鎳鉻絲繞成柵狀(或用很薄的金屬箔腐蝕成柵狀)夾在兩層絕緣薄片中(基底)制成。用鍍銀銅線與應變片絲柵連接,作為電阻片引線。電阻應變片有多種形式,常用的有絲式和箔式。
    箔式應變片和絲式應變片構成原理圖
     
    (2)利用半導體單晶硅的壓阻效應制成的一種敏感元件,又稱半導體應變片。壓阻效應是半導體晶體材料在某一方向受力產生變形時材料的電阻率發生變化的現象(見壓阻式傳感器)。半導體應變片需要粘貼在試件上測量試件應變或粘貼在彈性敏感元件上間接地感受被測外力。利用不同構形的彈性敏感元件可測量各種物體的應力、應變、壓力、扭矩、加速度等機械量。
     
    (3)半導體應變片與電阻應變片相比,具有靈敏系數高(約高 50~100倍)、機械滯后小、體積小、耗電少等優點。P型和N型硅的靈敏系數符號相反,適于接成電橋的相鄰兩臂測量同一應力。早期的半導體應變片采用機械加工、化學腐蝕等方法制成,稱為體型半導體應變片。它的缺點是電阻和靈敏系數的溫度系數大、非線性大和分散性大等。這曾限制了它的應用和發展。自70年代以來,隨著半導體集成電路工藝的迅速發展,相繼出現擴散型、外延型和薄膜型半導體應變片,上述缺點得到一定克服。半導體應變片主要應用于飛機、導彈、車輛、船舶、機床、橋梁等各種設備的機械量測量。

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