传感器知识复习

传感器知识复习 自动化学院宋海鹰 1 电阻应变传感器工作原理 概述 高精度电子汽车衡 动态电子秤 上海卢浦大桥通车应变试验 金属应变片结构 网状敏感栅 高阻金属丝 金属箔基片 绝缘材料盖片 保护层 金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应即 导体产生机械形变时它的电阻值发生变化 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变 当外力去除后 物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变弹性元件 具有弹性应变特性的物体 应用 广泛用于力 力矩 压力 加速度 重量等参数的测量 1 1电阻应变传感器工作原理 应变效应 电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时 其电阻值相应发生变化 这种现象称为 应变效应 一根金属电阻丝 在其未受力时 原始电阻值为 当电阻丝受到拉力F作用时 将伸长 l 横截面积相应减小 A 电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了 从而引起电阻值变化量为 式中 dL L 长度相对变化量 用应变 表示为 电阻相对变化量 电阻应变片种类 常用的电阻应变片有两种 金属电阻应变片半导体应变片 1 金属电阻应变片 金属丝式 0 012 0 050mm金属丝 康铜 镍铬合金 贵金属 做敏感栅金属箔式用光刻腐蚀工艺 照相制版制作成厚0 003mm 0 010mm的金属箔栅金属箔式应变片散热条件好 可做成任意形状 应用广泛 2 半导体电阻应变片 半导体电阻应变片的工作原理主要基于半导体材料的压阻效应 半导体敏感元件产生压阻效应时其电阻率的相对变化与应变力间的关系为 因此对于半导体应变片来说 其灵敏系数为 式中 半导体材料的压阻系数 半导体材料的所受应变力 E 半导体材料的弹性模量 半导体材料的应变 应变片安装在自由膨胀的试件上 如果环境温度变化 应变片的电阻也会变化 这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差 应变片温度误差来源有两个 1 应变片本身电阻温度系数 0影响 2 试件材料的线膨胀系数 g影响 1 应变片温度误差 1 2电阻应变片的温度误差及补偿 2 温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法 1 2电阻应变片的温度误差及补偿 g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数 由上式可知 当R3和R4为常数时 R1和R2对电桥输出电压Uo的作用方向相反 利用这一基本关系可实现对温度的补偿 1 2电阻应变片的温度误差及补偿 测量方法 当被测试件不承受应变时 R1和R2又处于同一环境温度为t的温度场中 调整电桥参数使之达到平衡 此时有 工程上 一般按R1 R2 R3 R4选取桥臂电阻 1 2电阻应变片的温度误差及补偿 温度补偿的实现 当温度升高或降低 t t t0时 两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等 电桥仍处于平衡状态 即 应变的测量 被测试件有应变 的作用 则工作应变片电阻R1又有新的增量 R 1 R1K 而补偿片因不承受应变 故不产生新的增量 此时电桥输出电压为 可见 电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变 有关 而与环境温度无关 1 3电阻应变片测量电路 一 直流电桥 图3 5直流电桥 当RL 时 电桥输出电压为 1 直流电桥平衡条件 当电桥平衡时 Uo 0 则有 R1R4 R2R3 或 电桥平衡条件 欲使电桥平衡 其相邻两臂电阻的比值应相等 或相对两臂电阻的乘积应相等 电桥平衡条件 应变片工作时 电阻值变化很小 电桥相应输出电压也很小 一般需要加入放大器进行放大 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多 所以此时仍视电桥为开路情况 当受应变时 若应变片电阻变化为 R 其它桥臂固定不变 电桥输出电压Uo 0 则电桥不平衡 输出电压为 2 电压灵敏度 1 3电阻应变片测量电路 减小和消除非线性误差的方法 半桥电路 全桥电路 半桥差动 在试件上安装两个工作应变片 一个受拉应变 一个受压应变 接入电桥相邻桥臂 该电桥输出电压为 若 R1 R2 R1 R2 R3 R4 则得 可知 Uo与 R1 R1成线性关系 无非线性误差 而且电桥电压灵敏度KU E 2 是单臂工作时的两倍 全桥差动 电桥四臂接入四片应变片 即两个受拉应变 两个受压应变 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上 若 R1 R2 R3 R4 且R1 R2 R3 R4 则 结论 全桥差动电路不仅没有非线性误差 而且电压灵敏度为单片工作时的4倍 1 3电阻应变片测量电路 引入原因 由于应变电桥输出电压很小 一般都要加放大器 而直流放大器易于产生零漂 因此应变电桥很多采用交流电桥 由于供桥电源为交流电源 引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性 即相当于两只应变片各并联了一个电容 2 交流电桥 检测技术 2热电阻 热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的 热电阻广泛用来测量 200 850 范围内的温度 少数情况下 低温可测量至1K 高温达1000 标准铂电阻温度计的精确度高 作为复现国际温标的标准仪器 工业上广泛用来测量中低温区 200 800oC 一 金属热电阻 热电阻 热电阻 电阻体 最主要部分 绝缘套管 接线盒 检测技术 电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母 石英或陶瓷塑料支架上 支架起支撑和绝缘作用 作为热电阻的材料要求 电阻温度系数要大 以提高热电阻的灵敏度 电阻率尽可能大 以便减小电阻体尺寸 热容量要小 以便提高热电阻的响应速度 在测量范围内 应具有稳定的物理和化学性能 电阻与温度的关系最好接近于线性 应有良好的可加工性 且价格便宜 使用最广泛的热电阻材料是铂和铜 金属热电阻 检测技术 检测技术 1 铂热电阻 薄膜型及普通型铂热电阻 检测技术 小型铂热电阻 2 铜热电阻 应用 测量精度要求不高且温度较低的场合测量范围 50 150 优点 温度范围内线性关系好 灵敏度比铂电阻高 容易提纯 加工 价格便宜 复制性能好 检测技术 缺点 易于氧化 一般只用于150 以下的低温测量和没有水分及无侵蚀性介质的温度测量 与铂相比 铜的电阻率低 所以铜电阻的体积较大 铜电阻的阻值与温度之间的关系为 其中 为铜的温度系数 4 25 4 28 10 3 二 热电阻的测量电路 工业广泛使用 200 500 范围温度测量 在特殊情况下 测量的低温端可达3 4K 甚至更低 1K左右 高温端可测到1000 温度测量的特点 精度高 适于测低温 传感器的测量电路 经常使用电桥 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造成的测量误差 常采用三线制或四线连接法 检测技术 检测技术 热电阻与检测仪表相隔一段距离 因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响 热电阻内部引线方式有二线制 三线制和四线制三种 检测技术 两线制电桥电路及等效电路 为计算简单 令R1 R2 R3 R RW r 则 检测技术 三线制电桥电路及等效电路 检测技术 3 四线制 实验室用 高精度测量 热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结而成 一般测温范围 50 300 优点 1 热敏电阻的温度系数比金属大 4 9倍 2 电阻率大 体积小 热惯性小 适于测量点温 表面温度及快速变化的温度 3 结构简单 机械性能好 缺点 线性度较差 复现性和互换性较差 热敏电阻 检测技术 二 热敏电阻 检测技术 检测技术 检测技术 MF12型NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻 热敏电阻外形 检测技术 MF58型热敏电阻 其他形式的热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 热敏电阻的分类 按结构可分为直热式和旁热式 按温度特性可分为正温度系数 负温度系数和临界温度系数 正温度系数热敏电阻器 电阻值随温度升高而增大的热敏电阻器 简称PTC热敏电阻 负温度系数热敏电阻器 电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器 简称NTC热敏电阻 临界温度系数热敏电阻器 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低3 4个数量级 即具有很大负温度系数 简称CTR热敏电阻 检测技术 检测技术 热敏电阻用于电热水器的温度控制 热敏电阻的应用 检测技术 热敏电阻用于CPU的温度测量 检测技术 热敏电阻体温表 概述 3 电容式传感器 概述 电容式传感器典型应用 电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量 广泛用于位移 振动 角度 加速度以及压力 差压 液面 料位 成份含量等方面的测量 特点 结构简单 体积小 分辨率高 可实现非接触式测量 动态响应好 能在高温 辐射和强振动等恶劣条件下工作 电容量小 功率小 输出阻抗高 负载能力差 易受外界干扰产生不稳定现象 概述 传统电容式传感器主要用于位移 振动 角度 加速度等机械量精密测量 现在逐渐应用于压力 压差 液面 成份含量等方面的测量 电容式传感器的特点是 电容器容量小几十 几百微法 具有高输出阻抗 静电引力小 极板间 工作所需作用力很小 可动质量小 具有高的固有频率动态响应特性好 功率小 本身发热影响小 可以进行非接触测量 电容传感器 电容器基础知识 平板电容器 柱形电容器 一 电容传感器工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 其电容量为 电容极板间介质的介电常数 0 r 0为真空介电常数 r为极板间介质相对介电常数 A 两平行板所覆盖的面积 d 两平行板之间的距离 固定三个参量中的两个 可以做成三种类型的电容传感器 变面积型 变间隙型 和变介电常数型 改变A d 三个参量中的任意一个量 均可使平板电容的电容量C改变 电容式传感器的结构 变极距型传感器 变极距型传感器 电容式传感器的结构 变面积型传感器 变面积型传感器 电容式传感器的结构 变介质型传感器 3 1变面积型电容式传感器 电容改变量与水平位移成线性关系 初始电容 当动极板移动 x 1 直线位移型 电容改变量与角位移呈线性关系 3 1变面积型电容式传感器 3 1变面积型电容式传感器 结论 变面积式电容传感器灵敏度K为常数 输出特性为线性 适合大位移测量 3 2变介质型电容式传感器 因为各种介质的相对介电常数不同 所以在电容器两极板间插入不同介质时 电容器的电容量也就不同 这种传感器可用来测量物位或液位 测量厚度 也可测量位移 3 2变介质型电容式传感器 电容增量与被测液位的高度成线性关系 1 液体介质的介电常数 空气的介电常数 H 电极板的总长度 d D 电极板的内 外径 可用来测量纸张 绝缘薄膜等的厚度 也可用来测量粮食 纺织器 木材或煤等非导电固体介质的湿度 3 3变极距型电容式传感器 1 动极板2 定极板 简化 近似直线关系 由C0式可以看出 在d0较小时 对于同样的 d变化所引起的 C可以增大 从而使传感器灵敏度提高 但d0过小 容易引起电容器击穿或短路 为此 极板间可采用高介电常数的材料 云母 塑料膜等 作介质 3 3变极距型电容式传感器 g 云母的相对介电常数 g 7 0 空气的介电常数 0 1 d0 空气隙厚度 dg 云母片的厚度 一般极板间距在25 20