第2章电阻传感器

第二章电阻式传感器 一 电阻应变式传感器二 固态压阻式传感器三 热电阻式传感器四 气敏电阻五 湿敏电阻 第二章电阻式传感器 电阻式传感器的测量原理 将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化 再经过转换电路变成电信号输出 第一节电阻应变式传感器 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器 除可用于测量力参数外 还可用于测量加速度 振幅等其他物理量 一 电阻应变效应 一 电阻应变效应当导体或半导体材料在外力作用下发生机械变形时 其电阻值也发生变化的物理现象称为电阻应变效应 取一根长度为L 截面积为S 电阻率为 的金属丝 未受力时其电阻R为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力 或压力 时 上式中 r l都将发生变化 从而导致电阻值R发生变化 例如金属丝受拉时 l将变长 r变小 均导致R变大 又如 某些半导体受拉时 将变大 导致R变大 K0 电阻应变片的灵敏度 电阻应变片应变 即长度相对变化量 L L 工作原理 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化 求导数 金属应变片的电阻R为 代入 有 金属丝 即 即 2 1 由材料力学 在弹性范围内 金属丝受拉力时 沿轴向伸长 沿径向缩短 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中 材料的泊松比 负号表示应变方向相反 材料的应变 以 取代和 得 有 对金属材料 导电率不变 对半导体材料 导电率变化较大 1 应变 在材料力学中 l l称为电阻丝的轴向应变 也称纵向应变 是量纲为1的数 通常很小 常用10 6表示之 例如 当 为0 000001时 在工程中常表示为1 10 6或 m m 在应变测量中 也常将之称为微应变 对金属材料而言 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1 10 3 即1000 m m 否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂 2 应变灵敏度系数 K0 K0表示单位应变所引起的电阻相对变化 其大小由两个因素影响 1 2 表示由几何尺寸改变所引起的变化 l l 表示材料的电阻率 随应变所引起的变化 对于金属材料 以前者为主 K0略微不同 一般为2左右 而对半导体材料而言 以后者为主 由于其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以灵敏度比金属材料大几十倍 二 电阻应变片的结构 1 金属电阻应变片 薄膜式应变片 薄膜式应变片的敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属 合金薄膜制成的 其厚度一般在0 1 m以下 实际上 通常是将薄膜式应变片与传感器的弹性体制成一个不可分割的整体 亦即在传感器弹性体的应变敏感部位表面上首先沉积形成很薄的绝缘层 然后在其上面沉积薄膜应变片的图形 然后再覆上一层保护层 由于薄膜式应变片与传感器的弹性体之间只有一层超薄绝缘层 厚度仅为几个纳米 很容易通过弹性体散热 因此允许通过比其他种类应变片更大的电流 并可以获得更高的输出和更佳的稳定性 用应变片测量时 将其贴在被测对象表面上 当被测对象受力变形时 应变片也随同变形 其电阻值发生相应变化 通过转换电路转换为电压或电流的变化 2 半导体应变片 压阻效应 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时 它的电阻率将会发生变化 这种物理现象称之为压阻效应 半导体应变片的分类 体型 薄膜型 扩散型 半导体应变片 44页习题一 三 应变片的粘贴技术 应变片的检查与选择试件的表面处理底层处理贴片固化粘贴质量检查引线焊接与组桥连接 四 测量电路 作用 将电阻的较小变化转换为电压输出 直流电桥 交流电桥 一 直流电桥 按四臂电阻阻值分为 等臂电桥 输出对称电桥和电源对称电桥 按接入应变片数量分为 单臂电桥 双臂电桥 半桥形式 和全桥形式 输出方式电桥的输出方式有电流型和电压型两种 主要根据负载情况而定 1 电流输出型当电桥的输出信号较大 输出端又接入电阻值较小的负载如检流计或光线示波器进行测量时 电桥将以电流形式输出 如图所示 负载电阻为Rg 由图可得 应用有源 端口网络定理 戴维南定理 电流输出电桥可以简化成下图所示的电路 图中E 相当于电桥输出端开路电压Uab R 为网络的入端电阻 流过负载Rg的电流为 戴维南定理 任何一个有源二端网络都可以用一个电动势为E的理想电压源和内阻串联的电源来等效代替 等效电源的电动势就是有源二端网络的开路电压 等效电源的内阻等于有源二端网络中所有电源均除去 将各个理想电压源短路 即各电动势为零 将各个理想电流源开路 及其电流为零 后所得到的无源网络a b两端之间的等效电阻 当Ig 0时 电桥平衡 故电桥平衡条件为R1R3 R2R4或 当电桥负载电阻Rg等于电桥输出电阻时 即阻抗匹配时 有 这时电桥输出功率最大 电桥输出电流为 输出电压为 当桥臂R1为与被测量有关的可变电阻 且有电阻增量 R时 略去分母中的 R项则 对于输出对称电桥 对于电源对称电桥 对于等臂电桥 由以上结果可以看出 三种形式的电桥 当 R R时 其输出电流都与应变片的电阻变化率即应变成正比 它们之间呈线性关系 2 电压输出型当电桥输出端接有放大器时 由于放大器的输入阻抗很高 所以可以认为电桥的负载电阻为无穷大 这时电桥以电压的形式输出 输出电压即为电桥输出端的开路电压 其表达式为 直流电桥平衡条件 R1 R2 R4 R3 R1 R2 R4 R3 或 单臂电桥输出电压与电源电压的关系是 Uo U 4 R R 直流电桥实用电路 U 4 K 直流电桥实用电路 等臂电桥全桥工作电路 特征 四个电阻相同四个电阻全为应变电阻 两个被拉长 两个被压短 与单臂电桥相比 灵敏度扩大4倍 44页习题4 5 单臂电桥 Uo U 4 K 4 4 2x10 6 2x10 6V 习题6 单臂电桥 Uo R1R3 R2R4 R1 R2 R3 R4 U R1 R R3 R2 R R4 R1 R R2 R R3 R4 U 200 R 100 x200 x3 K R 100 x3 15mV 三 电桥的线路补偿 1 零点补偿对平衡位置 零点 的改变进行的补偿 如果某一对桥臂电阻的乘积较小 可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补偿 以满足电桥的初始平衡条件 补偿电阻 2 温度补偿 a 补偿片补偿 b 热电阻补偿 如图中R2 R4桥臂的总温度系数低 可采用高温度系数的RT进行补偿 R1 R2 R4 R3 3 弹性模量补偿 弹性材料受环境影响 如升温变软 弹性模量减小 老化变硬 弹性模量增大等 对于升温变软 可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿 分析 当弹性材料升温变软 受同样力引起的应变 增大 测量电路输出会增大 加上RE之后 由于RE升温增大 电桥电路供电电压减小 补偿了升温引起的输出增大 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器 应变式传感器有下列优点 1 精确度高 线性度好 灵敏度高2 滞后较小 寿命高3 容易与二次仪表相匹配实现自动检测4 结构较简单 体积较小应用灵活5 工作稳定 保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外 还可用于测量加速度 振幅等其他物理量 五 电阻应变式传感器的应用 五 电阻应变式传感器的应用 一 测力与称重传感器 二 压力传感器 补偿片 工作片 膜片 应变片 插座 波纹膜片波纹管膜盒 三 加速度传感器 四 位移传感器 基于电阻应变式传感器数字电子秤的设计分四个模块 数据采集及放大模块 模数 A D 转换模块 自动换档模块 显示模块 应变式力传感器 应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F 应变式荷重传感器外形及受力位置 续 F F 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 汽车衡 汽车衡 汽车衡称重系统 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离显示 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 吊钩秤 便携式 应变式数显扭矩扳手 可用于汽车 摩托车 飞机 内燃机 机械制造和家用电器等领域 准确控制紧固螺纹的装配扭矩 量程2 500N m 耗电量 10mA 有公制 英制单位转换 峰值保持 自动断电等功能 第二节固态压阻式传感器 半导体传感器 压阻效应 半导体受到作用力后 电阻率就要发生变化 这种现象叫压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强 特点 灵敏度系数大 分辨率高 动态响应快 体积小 温度范围宽 便于批量生产 易于集成化 智能化 一 工作原理与结构 在弹性变形限度内 压阻效应是可逆的 当应力消失时 硅片的电阻会恢复原来数值 注意 晶体在不同的取向上 压阻效应数值不同 固态压阻式传感器的核心 硅膜片 二 压阻式压力传感器 三 压阻式加速度传感器 四 压阻式传感器的应用 因为压阻式传感器具有灵敏度高 动态响应快 体积小 温度范围宽 便于批量生产 易于集成化 智能化的优点 在航空 航海 石油 化工 机械 兵器 医疗等各方面获得广泛应用 机械 实时检测各种机器设备 生产线的气液压力等航空 飞机发动机压力 物体加速度等兵器 枪炮膛内压力 爆炸压力 冲击波压力等医疗 测量心脑血管 颅内 尿道 眼球内压力等其他 自来水管网压力检测震动检测过山车加速度检测等 第三节热电阻式温度传感器 热电阻传感器 分类 金属热电阻 简称热电阻 半导体热电阻 简称热敏电阻 测量原理 利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变的物理现象进行温度检测 一 热电阻 对制作热电阻的材料的要求 1 电阻 温度变化具有良好的线性关系 2 电阻温度系数大 便于精确测量 3 电阻率高 热容量小 反应速度快 4 在测量范围内具有稳定的物理和化学性质 5 易提纯 易加工 价格便宜 一 铂电阻 铂热电阻的特点是精度高 稳定性好 性能可靠 所以在温度传感器中得到了广泛应用 常被用作复现温标的基准器 铂热电阻的特性方程 在0 650 的温度范围内 在 200 0 的温度范围内 Rt和R0分别为t 和0 时铂热电阻阻值 A B和C为常数 忽略系数B C 上式变为 阻值与温度近似为线性的 铂热电阻的结构 采用的是无感绕法 即双绕法 铂热电阻的分度号 目前我国规定工业用铂热电阻有R0 10 和R0 100 两种 它们的分度号分别为Pt10和Pt100 其中以Pt100为常用 不同分度号有相应分度表 即Rt t的关系表 实际测量中 只要测得热电阻的阻值Rt 便可从分度表上查出对应的温度值 铂热电阻Pt100分度表 二 铜电阻由于铂是贵重金属 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合 可采用铜热电阻测温 测量范围 50 150 铜热电阻在测量范围内电阻值与温度的关系 为铜热电阻的电阻温度系数 铜热电组有两种分度号Cu50 R0 50 和Cu100 R100 100 铜电阻丝 骨架 铜引出线 铜热电阻线性好 测温范围小 价格便宜 易氧化 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作 铂热电阻线性好 测温范围较大 价格昂贵 不宜氧化 在腐蚀性介质或较高温度下可以工作 热电阻的外形结构 a 圆片型热电阻b 柱型热电阻c 珠型热电阻d 铠装型e 厚膜型f 图形符号1 热敏电阻 2 玻璃外壳 3 引出线 4 紫铜外壳 5 安装孔 热电阻的外形 结构及符号 薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻 防爆型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻 二 热敏电阻 珠状 柱状 片状 热敏电阻的温度特性 R0为温度为T0时的电阻 Rt为温度为T时的电阻 1 热敏电阻外形 MF12型NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻 2 其他形式的热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58型热敏电阻 带安装孔的热敏电阻 大功率PTC热敏电阻 热敏电阻优点 电阻温度系数大 灵敏度高 热惯性小 反应速度快 体积小 结构简单 使用方便 寿命长 易于远距离测量 热敏电阻缺点 电阻随温度变化曲线为非线性 且同一型号电阻的产品特性参数有较大差别 难于互相代换 即互换性差 热敏电阻的分类 1 PTC PositiveTemperatureCoeffiCient 是指具有正温度系数的热敏电阻 可专门用作恒定温度传感器 2 NTC NegativeTemperatureCoeffiCient 是指随温度上升电阻呈指数关系减小 具有负温度系数的热敏电阻 广泛用于测温 控温 温度补偿等方面 3 CTR CritiCalTemperatureResistor 具有负电阻突变特性 在某一温度下 电阻值随温度的增加激剧减小 具有很大的负温度系数 称为临界温度热敏电阻 用于控温报警等 电桥的两线制接法 二 热电阻式传感器的应用 图示为电桥三线制接法 作用是消除环境温度附加误差 三 热敏电阻点温计 四 热敏电阻热保护 五 热敏电阻液位传感器 六 热敏电阻湿度传感器 一 气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物半导体 当吸附气体时这些材料的电阻率会发生变化 利用这个原理可以制成气敏传感器 通过电阻率变化监视气体浓度 主要用于工业上天然气 煤气 石油化工等部门的易燃 易爆 有毒 有害气体的监测 预报和自动控制 金属氧化物半导体分N型半导体 氧化锡 氧化铁 氧化锌 氧化钨等 和P型半导体 氧化钴 氧化铅 氧化铜 氧化镍等 第四节气敏电阻 气敏电阻的检测灵敏度受温度影响很大 在常温下输出信号微弱 升温后电导率变化明显 因此气敏元件在使用时需要加温 提高对某些气体成分的选择性和灵敏度的方法 1 渗入微量的铂 银 金等元素 2 使用金属盐类催化剂 一 氧化锡系气敏电阻 二 常用气敏电阻 二 氧化锌系气敏电阻 烟雾报警器 三 氧化铁系气敏电阻 酒精检测传感器探头 酒精检测仪内部电路 三 气敏电阻的应用 二 矿灯瓦斯报警器 检出瓦斯气体时 气敏电阻减小 V1 V2导通 V3 V4振荡 报警灯闪烁 英文名称 minegas定义 矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的有害气体 三 一氧化碳报警器 检出CO气体时 气敏电阻RQ减小 V5 V6 V7导通 振荡电路振荡 声音报警 酒精测试仪 呼气管 家庭用煤气报警器 家庭用液化气报警器 一氧化碳传感器 其他气体传感器 NH3传感器 甲烷传感器 二 氧浓度传感器氧浓度传感器外形 可用于汽车尾气测量 汽车尾气分析 有毒气体传感器的使用 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致其电阻率变化的特性制成的电阻元件 湿度是指大气中的水蒸气含量 通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法 第五节湿敏电阻 绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量 一般用符号AH表示 相对湿度是指被测气体中蒸气压和