传感器 (2)ppt课件

1、第第2 2章章 电阻式传感器及其信号调理电阻式传感器及其信号调理 2.1 2.1 电阻应变片电阻应变片 2.2 2.2 其它电阻式传感器其它电阻式传感器2.3 2.3 电阻式传感器的信号调理电阻式传感器的信号调理n电阻式传感器的根本原理是根据某种物理、化学或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量的电丈量。n电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。n2.1 电阻应变片n2.1.1 电阻应变片的义务原理应变效应n电阻应变片基于金属资料的应变效应。因形变而使其阻值发生变化的景象称为电阻应

2、变效应。n对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为n n两边进展微分运算，求得其电阻相对变化 ALRdAdAldlRdR图图2-1 2-1 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化n轴向线应变或纵向线应变n n面应变n n负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方向相反。n n综合得ldll22rdAdrAr rdrldlrdr/0)/21 ()21 (KllllllRRn2.1.2 电阻应变片的构造、种类n1 电阻应变片的构造n电阻应变片的构造如以下图，由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。图图2-2 2-2 金属电阻应变片的构造金属电阻应变片的构造 n2 电阻应变

3、片的种类n按敏感栅的构造方式，金属电阻应变片可分为丝式、箔式、薄膜式等。图图2-3 2-3 金属应变片的构造方式金属应变片的构造方式 n2.1.3 电阻应变片的主要特性n1 灵敏系数n灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比。n电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系数是不一样的,缘由：n(1) 试件的形变是经过剪力传到敏感栅上的。n(2) 栅丝沿长度方向接受纵向应变时，应变片弯角部分接受横向应变，其截面积变大，那么应变片直线部分电阻添加时，弯角部分的电阻值减少，也使应变片的灵敏度下降。n2 横向效应n横向效应：沿应变片轴向的应变 必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变

4、片轴向的横向应变 也会引起其电阻的相对变化。n3 机械滞后，零漂及蠕变n应变片安装在试件上以后，经过实验，在一定的温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内，作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种景象称为应变片的机械滞后。n产活力械滞后的缘由，主要是金属丝、粘结剂和基底在接受机械应变后都留有剩余变形。xyn零漂：已粘贴的应变片，在温度坚持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移。n蠕变：已粘贴的应变片，在温度坚持恒定时，接受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化。n在应变片

5、义务时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两工程的都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间丈量时其意义突出。n4 温度效应n环境温度变化时，会引起粘贴到试件上的电阻应变片阻值的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变，即产生了虚伪应变，这种景象称为温度效应。n温度改动引起电阻变化的主要要素有二：其一是应变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝资料与试件资料的线膨胀系数不同。n5 应变极限n指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值不超越一定数值时的最大真实应变数值。普通规定此差值为10，即指示应变数值为真实应变的90时的真实应变值称为应变片的极限。n6 电阻应变片的动

6、态呼应特性n动态应变是以应变波的方式在试件中传播的，它的传播速度V与声波一样。图图2-4 2-4 应变波应变波 n2.1.4 电阻应变片的粘贴技术n应变片的粘贴步骤如下：n(1) 应变片的检查与选择。n(2) 试件的外表处置。n(3) 底层处置。n(4) 贴片。n(5) 固化。n(6) 粘贴质量检查。n(7) 引线焊接与组桥连线。 n2.1.5 电阻应变片的典型运用举例n电阻应变片主要有以下两种运用方式：n1) 被丈量为应变n2) 被丈量为除应变外的其他非电量n力可以经过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固支梁等构外型式的敏感器转换为应变。n如图2-5所示为实心轴，经过资料力学知识的推导，可得轴向应

7、变和径向应变分别为 AEFlAEFr图图2-5 2-5 实心轴力敏感器实心轴力敏感器 图2-6所示为采用实心轴力敏感器的电阻应变式力传感器，是经过将应变片粘贴到受力的实心轴力敏感器上而构成的。 图图2-6 2-6 应变式力传感器表示图应变式力传感器表示图 n2.2 其它电阻式传感器n2.2.1 压阻式传感器n半导体资料遭到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种景象称为“压阻效应。 dn设E为半导体资料的弹性模量n n同样，由电阻定律表达式可推出半导体资料压阻效应的定量表达式n n对于半导体资料 ，因此EAFsKERdRRR)21()21 (EsKERRn根据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类

8、是利用半导体资料的体电阻制成粘贴式应变片，制构成半导体应变式传感器。另一类是在半导体资料的基片上用集成电路工艺制成分散电阻，作为丈量传感元件，亦称分散型压阻式传感器。n压阻式传感器的优点是：n灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于丈量；n分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；n元件有效面积可做得很小，故频率呼应高；n可丈量低频加速度与直线加速度。n压阻式传感器的最大缺陷是温度误差较大。n2.2.2 热电阻n利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器，按采用的电阻资料可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。n制造温度敏感元件的电阻资料要满足以下要求：n要有尽可以

9、大而且稳定的电阻温度系数；n电阻率大，以便在同样灵敏度下减小元件尺寸；n电阻温度系数要坚持单值，并且最好是常数，以保证电阻随温度变化的线性关系；n性能要稳定，在电阻的运用范围内，其物理、化学性能根本坚持不变。n广泛运用的热电阻资料有铂、铜、镍、铁等。 n1 铂热电阻传感特性n铂易于提纯，复制性好；n在氧化性介质中，甚至高温下，其物理化学性质极其稳定；n但在复原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中复原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改动了它的电阻与温度的关系。n铂电阻温度计的运用范围是-200-850。n铂热电阻曾经规范化,常用分度号为PT100n当温度在-200-0范围内时，铂热电阻和温

10、度的关系为n n 当温度在0-850范围内时，铂热电阻和温度的关系为n n式中 t 摄氏温标下的温度值；nRtt时的阻值；R00时的阻值；nA常数， B常数，nC常数，)100(1 320ttCBtAtRRt)1 (20BtAtRRt313.90802 10C725.802 10C1244.27350 10Cn2 铜热电阻传感特性n铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价钱低，而且易于提纯；n但存在着电阻率小，机械强度差等弱点。n铜热电阻曾经规范化,常用分度号为0n铜热电阻在-50150的运用范围内，其电阻值与温度的关系近似线性关系，可表示为n式中 Rt温度为t时的阻值；nR0温度为0时的阻值；n电

11、阻温度系数，)1 (0tRRt314.25 10C314.2810C图图2-92-9热电阻的构造热电阻的构造 3 热电阻的构造热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体主要组成部分为电阻丝、引出线、骨架等。n2.2.3 热敏电阻n热敏电阻是利用半导体资料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。n1 传感特性n热敏电阻可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻、临界温度系数CTR型热敏电阻三种。图图2-11 2-11 热敏电阻的传感特性热敏电阻的传感特性 n2 伏安特性n静态情况下热敏电阻上的端电压与经过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。图图2-12 2-12 热敏电

12、阻的伏安特性热敏电阻的伏安特性 n3 主要参数n1标称电阻值RHn2耗散系数n3电阻温度系数n4热容n5能量灵敏度n6时间常数n7额定功率n热敏电阻有以下优点：n灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大，普通是金属的十几倍；n体积小、热惯性小、构造简单。可根据不同要求，制成各种外形；n化学稳定性好，机械性能好，价钱低廉，寿命长。n热敏电阻的缺陷是复现性和互换性差，非线性严重。图图2-13 2-13 利用热敏电阻丈量流量利用热敏电阻丈量流量 n2.2.4 气敏电阻n半导体气敏电阻是用氧化锌、氧化锡等金属氧化物资料制造的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。n1 根本构造n直热式气敏电阻元件制

13、造工艺简单、本钱低、功耗小，可在较高回路电压下运用，可制成价钱低廉的可燃气体泄漏报警器。 图图2-14 2-14 直热式气敏电阻直热式气敏电阻 n2 义务原理n烧结型SnO2气敏元件是外表电阻控制型气敏元件。图图2-152-15半导体气敏电阻的传感特性表示图半导体气敏电阻的传感特性表示图n2.2.5光敏电阻n1 传感原理内光电效应n光敏电阻的阻值与其遭到的光的照度有关。无光照时，光敏电阻阻值很高，有光照时，其阻值大大下降，光照越强其阻值越低；光照停顿，又恢复高阻外形。其根据是半导体资料所具有的光电导效应。图图2-16 2-16 内光电效应表示图内光电效应表示图n2 光敏电阻的种类n(1) 检测

14、紫外光的光敏电阻n(2) 检测可见光的光敏电阻n(3) 检测红外光的光敏电阻n3 光敏电阻的根本特性n(1)光谱特性n光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图图2-17 2-17 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性n2 光照特性n光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。图图2-18 2-18 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性n(3) 伏安特性n光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。图图2-19 2-19 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性n4) 频率特性n频率特性指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的呼应

15、特性。 图图2-20 2-20 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 n(5) 温度特性n温度特性指光敏电阻义务特性受温度的影响。图图2-21 2-21 光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性 n2.2.6 磁敏电阻n磁敏电阻的阻值随磁场强度的变化而变化。图图2-22 InSb2-22 InSb磁敏电阻的根本构造磁敏电阻的根本构造 图图2-23 InSb2-23 InSb磁敏电阻的特性曲线磁敏电阻的特性曲线为提高磁敏电阻的阻值，往往采用曲折型构造图图2-24 2-24 曲折型构造磁敏电阻曲折型构造磁敏电阻磁敏电阻直接丈量的非电量是磁感应强度。假设某种非电量可以借助敏感元件转换为磁感应强度，那么也

16、可用磁敏电阻完成该非电量的检测。例如，可采用磁敏电阻检测位移、角度、电流、电功率等。n2.3 电阻式传感器的信号调理n2.3.1 惠斯登电桥n1 直流电桥与交流电桥n在人工静态应变丈量中可采用平衡电桥，经过对调理臂电阻的手动调理，使电桥到达平衡，用调理臂电阻的阻值表示被测应变值。n电桥有直流电桥与交流电桥之分。n2 直流电桥n 时，称为等臂电桥；n ， ( )时，称为输出对称电桥。n ， ( )时，称为电源对称电桥。1234RRRRR12RRR340RRR0RR14RRR230RRR0RRn电桥输出电压为n电桥平衡条件为31423112341234()()scacbcRR RR RRUUUUU

17、URRRRRRRR3121242121234()scRR RRRRUURRRRRR3124RRRR图图2-262-26单臂义务电桥单臂义务电桥RRUUSC4图图2-27 2-27 双臂电桥双臂电桥图图2-28 2-28 四壁电桥四壁电桥RRUUSC2RRUUSCn3 3 交流电桥交流电桥n交流电桥的普通方式如图交流电桥的普通方式如图2-302-30所示。所示。图图2-30 2-30 交流电桥的普通方式交流电桥的普通方式 与分析直流电桥的分析方法、结论表达方式完全一样。同理也可推出交流供电的单臂、全桥时的表达式。交流电桥初始调平衡更为复杂些，普通既有电阻预调平衡，也有电容预调平衡。n2.3.2

18、丈量放大电路n1 实际运算放大电路分析n目前集成运算放大器在开环增益和输入电阻上大多可以接近理想运算放大器。在普通放大电路的设计中采用虚短和虚断的概念是允许的。n对于交流放大电路，主要关怀的是交流信号的幅值。多级放大电路的各级之间普通有隔直措施，此时主要关注的是电路的频率特性。图图2-31 2-31 输入电流的影响分析输入电流的影响分析理想运算放大器两输入端的输入电流为零，实际运算放大器两输入端的输入电流却不可以为零。图图2-32 2-32 改良的反相和同相放大器改良的反相和同相放大器图图2-33 2-33 输入失调电压影响分析输入失调电压影响分析对差动输入放大器进展讨论。输出电压中存在一个数

19、值为ZfZ1(Ui+-Ui-)的项，该项正比于差分输入信号，是差动放大器期望的输出结果。但是在输出结果中还存在不断等于同相输入Ui+的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈非线性关系。n图2-34为改良的差动放大电路。利用虚短和虚断的概念，得到Uo的表达式为n令Z2Z1，Z3=Zf n输出与差分输入之间的线性关系。3233231iifioU ZUZZZU ZUZZZ1()oiifUUUZZ图图2-34 2-34 差动放大器的规范设计差动放大器的规范设计n2 丈量放大电路的根本要求与类型n根本要求：n输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；n稳定的放大倍数；n低噪声；n低的输入失调电压和输入失调电流以

20、及低的漂移；n足够的带宽和转换速率(无畸变地放大瞬态信号)；n高共模输入范围(如达几百伏)和高共模抑制比；n可调的闭环增益；n线性度好、精度高；n本钱低。 n按丈量放大电路的构造原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。n3 典型丈量放大电路的义务原理n当传感器的义务环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出信号弱、输出阻抗大时，普通运放已不能胜任，在这种情况下可用仪器放大器对差值信号进展放大。n仪器放大器输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂小，时间漂移小，因此稳定性好。它的共模抑制比高，适于在高共模电压的

21、背景下对微小差值信号进展放大。n1仪器放大器的义务原理n图2.45是仪器放大器的原理图。由运算放大器A1和A2构成第1级，由运放A3构成第级。各运放普通是高性能放大器。图图2-35 2-35 三运放仪器放大器原理图三运放仪器放大器原理图n4 单片集成丈量放大器n近年来，利用线性集成电路先进工艺而设计制成的单片集成丈量放大器。图图2-36 AD6122-36 AD612集成丈量放大器内部电路构造集成丈量放大器内部电路构造图图2-37 AD6122-37 AD612集成丈量放大器和丈量电桥的接线图集成丈量放大器和丈量电桥的接线图图图2-38 AD521R2-38 AD521R、S S端的衔接端的衔

22、接a)a)接有远间隔负载接有远间隔负载 b)b)输出端接有跟随器输出端接有跟随器n2.3.3 多功能传感信号调理电路AD693nAD693是ADI公司推出的一种单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其用途非常广泛，运用也非常灵敏；n可用做小信号U/I转换器，还可作为各种传感器(例如铂热电阻、热电偶、电阻应变片丈量电桥)的信号调理器。nAD693适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。nAD693的同类产品为AD694，AD694适宜接纳高电平输入信号，但芯片内部没有备用放大器。n1 AD693的性能特点n内含可编程输入放大器、U/I转换器和多路输出式基准电压源。n输出电流有三种

23、方式：4mA20mA(单极性)，020mA(单极性)，12mA8mA(双极性)。n输入电压范围和电流零点均可单独调理，二者互不影响。用户可根据需求灵敏设计输入电压范围。n高精度。n利用芯片中的备用放大器，可对由铂热电阻(PRTD)、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生的信号进展调理(包括缓冲、放大、与其他信号进展组合等)。n带Ptl00型PRTD接口，配铂热电阻时的测温误差为0.5。n利用外部电阻可选配不同类型的热电偶并设定最高丈量温度。n具有过电流维护和反向过电压维护功能。nAD693通常由环路电源供电，特殊情况下也可由本地电源单独供电。n2 AD693的义务原理nAD693采用DIP20陶瓷封装或LCCC20扁平封装，其引脚陈列及内部电路框图如图2-39所示。n1可编程输入放大器n输入放大器有两个作用，一是进展缓冲放大，二是用来设定输入电压范围。图图2-39 AD6932-39 AD693的引脚陈列及内部电路框图的引脚陈列及内部电路框图a a (b) (c) (d)(b) (c) (d)图图2-40 2-4