2.3.5 压阻式加速度传感器

压阻式加速度传感器的原理结构如图2－39所示。它采用〈100〉晶面的N型硅单晶作为悬臂梁。在其根部沿〈110〉和〈110〉晶向各扩散两个P型电阻，并接成电桥。当悬臂梁自由端的质量块受加速度作用时，悬臂梁受弯矩作用产生应力，其方向为梁的长度方向。从而使四个电阻中两个电阻的应力方向与电流一致，另两个电阻的应力方向与电流垂直。

当加速度作用于悬臂梁自由端质量块时，悬臂梁受到弯矩作用产生应力，其应变ε为

式中： σ 为应力； E 为杨氏模量； L 为悬臂梁长度。

压阻式加速度传感器用来测量振动加速度时，其固有频率按下式计算：

式中： E 为材料的弹性模量。只要正确选择尺寸和阻尼，就可以用来测量低频加速度。例如图2－39所示的一量程为100m／s ² 的加速度传感器，其参数如下：

l ＝1cm， b ＝0.3cm， h ＝0.015cm，质量块 m ＝0.76g，固有频率 f ₀ ＝100Hz。当使用6V的恒压源供电时，满量程输出为60mV；其体积约为5mm×5mm×12mm；质量只有1.5g。

压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其可测量低频加速度。它除了航空部门用于飞行器风洞试验和飞行试验等多种过载与振动参数的测试外，在工业部门可用于发动机试车台各段振动参数的测试。特别是对于从零赫兹开始的低频振动，是前述压电式加速度传感器难于测得的。在高速自动绘图仪的笔架上装有消振器，其核心元件就是两只小型压阻式加速度传感器。它在感受抖动信号后可以进行前置控制，从而有效地消除了抖动。在建筑行业，可用它来监测高层建筑在风力作用下顶端的晃动，以及大跨度桥梁的摆动。在体育运动和生物医学等部门，也需要大量的小型加速度传感器。随着自动化技术和微处理机技术深入到各个领域，对低频振动和过载测试的需要日益广泛。这将促使微小型压阻式加速度传感器更快地发展，得到更广泛的应用。

习 题

1.何谓电阻式传感器？主要分为哪几种？它们在输出的电信号上有何不同？

2.什么叫电阻应变效应？什么叫压阻效应？

3.金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？何为金属的电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？

4.试比较金属丝电阻应变仪与半导体应变仪的相同点与不同点？

5.何为直流电桥？若按桥臂工作方式不同，可分为哪几种？各自的输出电压及电桥灵敏度如何计算？

6.一台采用等强度梁的电子秤，如图2－40所示，在梁的上下两面各贴有两片灵敏系数均为 k ＝2的金属箔式应变片做成秤重传感器。已知梁的 L ＝100mm， b ＝11mm， h ＝3mm，梁的弹性模量 E ＝2.1×10 ⁴ N／mm ² 。将应变片接入直流四臂电路，供桥电压 U _sr ＝6V。试求：

（1）秤重传感器的灵敏度（V／kg）？

（2）当传感器的输出为68mV时，物体的荷重为多少？

7.图2－41为应变式力传感器的钢质圆柱体弹性元件，其直径 d ＝40mm，钢的弹性模量 E ＝2.1×10 ⁵ N／mm ² ，泊松比 μ ＝0.29，在圆柱体表面粘贴四片阻值均为120Ω、灵敏系数 K ＝2.1的金属箔式应变片（不考虑应变片的横向灵敏度），并接入惠斯顿电桥。若供桥电压 U _sr ＝6V（DC），试求：该力传感器的灵敏度（V／N）？