压阻传感器在验潮仪中的应用

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1、压阻传感器在验潮仪中的应用阮锐天津海洋测绘研究所天津市河西区友谊路40号300061摘要压阻传感器由于其灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化、使用方便，而获得广泛的应用，因此目前的压力验潮仪产品中大都采用这种传感器。本文阐述了压阻传感器的工作原理，及在验潮仪应用中该传感器电源的选择对精度的影响．介绍了几种典型的测量放大电路，并对温度补偿实现方法进行了探讨。关键词压阻传感器验潮仪目前，潮汐测量广泛使用的验潮仪主要有浮子式、声学式和压力式三种类型，它们各有自己的特点。但前两种形式的验潮仪对测量环境的要求较高，浮子式验渐仪必须安放在验潮井中，须打井建站

2、，辅助费用较高．且不机动灵活，它适用于岸边的长期定点验潮：而声学式验潮仪必须咀海岸作为依托，测量水深较浅。这两种验潮仪对于离岸较远的验潮点均不便使用。而压力式验潮仪所适用的范围广阔，它不需要打井建站，不但适用于沿岸．码头，而且对于远离岸边及较深海域的验潮．且无论是短期还是长期验潮，它都能胜任。压力式验潮仪在压力传感器技术有了长足发展之后才得以发展。目前最具代表性的压力传感器是固态压阻传感器，它是发展非常迅速的一种传感器，它于七十年代初期开始发展，但只是近几年，随着双面光刻技术、各项异性腐蚀技术、热匹配技术、硅扩散技术和集成电路技术的飞速发展，使压阻传感器才有了～次飞跃，使它在众多

3、的压力传感器中豆得尤为出众，太有替代其他类型压力传感器之势。国内外现已涌现出许多形式的半导体型压阻传感器。目前，压力式验潮仪的压力传感器大都采用压阻传感器，这种传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的，由于这种传感器具有的显著优点，因而获得日益广泛的应用。本文对压阻传感器在验潮仪中的几个有代表性、且在不断发展的新技术作～介绍和讨论。一、工作原理单晶硅材料的一大特点是其具有压阻效应，即单晶硅材料在受到力的作用时．其电阻率会发生变化．这种现象即称为压阻效应。由欧姆定律可知，导体或半导体材料的电阻可用下式表示：R=此，A式中：口——导体电阻值；p——电阻率：￡——导体长度；A——导

4、体截厩积。t当电阻材料的截面为圆形时，其电阻公式为：927R=p—兰一(2)兰D24式中：口——导体直径。对于电阻应变丝其电阻丝伸长或缩短会改变电阻值，当电阻丝被拉伸时，￡伸长dL，』则缩小洲．p在受力作用下也会产生电阻率的变化dp。因而电阻值的变化嘏可用下式表示dR=_删&4．-[(Ldp[(Ldp+衄)-2皿警(3)2删．+衄)一2皿詈1‘3’以式(2)除式(3)可得：旦苎：些一2竺+坐(4)RLdP上式可改写为：面dR／R=1+2肛+面ap／p(5)dL?L1dLjL式中弘一箬，即泊舭如咀￡=‘譬表示轴向相对变形，％=差表示应变丝灵敏系数，，则式(5)可写成：Ko=1+犁十

5、竽㈤式中l+2口为一常数，一般在1．6左右．望笔生是由导电率变1：匕引起的，对大多数电阻丝来说也是常数，故置。一般为常数，因此可写成扛击+等，即些R=e．K。(7)(7)式表明电阻的变化与其轴向变形成正比，这也就是压阻应变的原理·二、供电电源对精度的影响压阻传感器是在硅片上扩散出四个桥臂电阻．一般将其连接成惠斯顿电桥，为使电桥灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减小的电阻对接，供电采用两种方式：恒压源和恒流源供电。(一)恒压源供电假定4只扩散电阻阻值均为R．且它们电阻的温度系数相同，当硅甚片发生变形时，其中一对电阻的阻值均变为R+AR，另一对电阻阻值均变为R一△R，而由于温

6、度变化而使每个电阻产生的电阻变化为d而那么由图1可得出：UE图1恒压源供电电路U．：竺g!墨±垒墨!垒墨￡!一旦￡!墨二垒墨±垒墨￡2”R—AR+△R，+詹+△R+△R，五+A詹+△启，+詹一△露+△詹，整理后得：￡，。=u。而AR_‘s)由式(8)可看出．电桥输出品一方面与dR／R成正比，另～方面又与电桥供电电压雎成正比，即电桥的输出电压除了与被测量成正比外，还与电桥输入电压％的大小和精度有关。同时电桥输出电压如还与温度有关，当温度变化时，电桥输出电压如与d盎成非线性关系，所以采用恒压源供电时，不能消除温度的影响。(=)恒流濠供电恒流源供电时，由图2可看出，当硅芯片发生变形时，

7、假设电桥两个支路的电阻相等，即每?‘条支路上的～个电阻阻值增加A见而另一个电阻阻值减少d见那么通过每条支路的电流也相等，且都等于I。／2。因而可得：图2恒流源供首电路砜=圭州胄+脯+衄，)一圭“R一蛔+醇)‘经整理得：Uo=“从(9)电桥的输出与电阻的变化4R成正比，也与电源电流成正比．即输出与恒流源的电流大小与精度有关。但是电桥的输出与温度无关，不受温度的影响，这是恒流源的优点。实际使用中，采用哪种电源供电，还要看实际的工作条件}及}帔要求。由于稳压电源较通用，市售商品很多，因