长江大学感测技术PPT第四章 阻抗型传感器

1、2020/7/7,1,第四章 阻抗型传感器,电子信息学院 杨 友 平,2020/7/7,2,.1 电阻式传感器 .1.1 电位器式传感器 一、组成原理 图1-1,二、输入输出特性 1线性特性线性电位器,式中L触点行程 x触点位移,2非线性特性非线性电位器 非线性函数,2020/7/7,3,4.1.1 电位器式传感器,图-1-1电位器式传感器工作原理,2020/7/7,4,三、结构形式,2非接触式光电电位器 图412 四、用途： 测量位移； 测量可转化为位移的其他非电量。,2020/7/7,5,图-1-2光电电位器原理图,2020/7/7,6,4.1.2 电阻式应变传感器和固态压阻式传感器 一、

2、电阻式应变传感器 （一）应变电阻效应应变使电阻变化 1、应变：图4-1-3,纵向线应变 横向线应变 泊松比 面应变 体应变,2020/7/7,7,2、导体电阻及其变化 金属材料 半导体材料 压阻系数 E弹性模量 3、应变效应表达式： （应变材料的灵敏系数）： 金属材料 约1.02 半导体材料 约50100,2020/7/7,8,4.1.2 应变式传感器和压阻式传感器,图4-1-3导体受拉伸后的参数变化,2020/7/7,9,（二）电阻应变片 1、组成结构图4-1-4,3、安装粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致） 4、应变片灵敏系数应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比,试件表

3、面纵向线应变 试件表面横向线应变,纵向灵敏系数， 横向灵敏系数,横向效应系数,应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数,2020/7/7,10,图1-4应变片的基本结构,2020/7/7,11,图1-5丝式应变片与箔式应变片 (a)电阻丝式应变片(b)箔式应变片,2020/7/7,12,（三）应变电桥 1、电阻传感器电桥的近似公式 图311中令 在 的条件下，电桥开路输出电压可近似为,非线性误差近似为,结论： 1）如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除； 2）非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高

4、电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。 3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。,2020/7/7,13,2、应变电桥接入应变片的电桥 1）单应变片工作： 2）双应变片工作： 一片受拉，另一片受压，即1=x，2=-x， 一片承受纵向应变x，即1=x，另一片承受横向应变y，即2=y。因y=- x，(为泊松比)，,3) 四应变片工作： 两片受拉，另两一片受压1=3=x，2=4=-x， 两片承受纵向应变x，另两片承受横向应变y1=3=x，2=4=y，y=-x(为泊

5、松比)，,2020/7/7,14,（四）温度误差及其补偿 1、温度误差产生原因 应变电阻随温度变化,试件材料与应变法的线膨胀系数不一致,产生电阻变化为,总的电阻变化为,2020/7/7,15,图-6应变片的温度误差,2020/7/7,16,3、补偿温度误差的办法 补偿块法 图1-7,差动电桥法 如果两应变片型号参数、所处环境温度及所粘贴材料均相同，只要将两应变片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。,2、温度误差的危害产生应变测量误差即“虚假视应变” 温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为,2020/7/7,17,图1-7补偿块法原理,2020/7/7,18

6、,二、固态压阻式传感器 （一）半导体压阻效应应力使半导体电阻率变化,（二）固态电阻式传感器 特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件， 优点：无须粘贴，便于传感器的集成化 缺点：易受温度影响。需温度补偿或在恒温条件下使用。 （三）温度误差及其补偿 1、温度误差产生原因 1电阻随温度变化（电桥输出）零位漂移 2温度压阻系数（电桥输出）灵敏度漂移 2、温度补偿电路图4-1-8 1零位温漂补偿：RP起补偿作用；RS起调零作用 2灵敏度温漂补偿二级管V；压降随温度升高而下降。,2020/7/7,19,图1-8温漂补偿电路,2020/7/7,20,4.1.3 热电阻和热敏电阻 一、热电阻

7、金属电阻 1电阻温度特性 （正温度特性） 近似公式： 一般 故 近似线性 电阻温度系数 百度电阻比： 一般为100、50两种 分度表温度t与电阻阻值Rt的对照数据表。,2对热电阻材料的要求 温度特性的线性度好 温度系数大且稳定 电阻率大 物理化学性能稳定,2020/7/7,21,3常用热电阻 W（100） 测温范围 价格 温度系数 铂电阻 1.391 -200650 昂贵 高 低 铜电阻 1.425 -50150 低廉 差 高 二、热敏电阻半导体电阻 1、类型 图4-1-9 特性曲线 PTC Positive temperature coefficient CTC critical tempe

8、rature coefficient NTC negative temperature coefficient NTC常用于温度测量和温度补偿 PTC、CTC常用作开关元件,2020/7/7,22,4.1.3 热电阻和热敏电阻,图1-9热敏电阻典型特性,2020/7/7,23,图1-10 热敏电阻的结构及符号 (a)结构 (b)符号 1探头2引线3壳体,2结构及符号图4-1-10,2020/7/7,24,图1-11 热敏电阻的结构形式 a)圆片型 ，b)薄膜型，c)柱 型，d)管型，e)平板型，f)珠型，g)扁型，h) 垫圈型，i)杆型,2020/7/7,25,3NTC热敏电阻 电阻温度特性,

9、结论：1温度系数比热电阻大几十倍 2非线性比热电阻严重,因为,所以,2020/7/7,26,图1-12热敏电阻伏安特性,伏安特性图4-1-12应根据允许功能确定电流,2020/7/7,27,4.1.4 气敏电阻 一、工作原理 图3、图4 半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化： 接触氧化性气体，电阻 接触还原性气体，电阻 浓度越大，电阻变化越大 用途：气体识别，浓度检测 二、材料与组成 1、材料SnO2应用最广 2、组成： 气敏电阻体；加热器 3、结构： 烧结型；薄膜型；厚膜型,2020/7/7,28,图4-1-13半导体气敏电阻元件的结构 (a)烧结型元件；(b)薄膜型元件；(c)厚膜元件,4.

10、1.4 气敏电阻,2020/7/7,29,图4 N型半导体气敏电阻的阻值变化,2020/7/7,30,图5SnO2气敏电阻测量电路 (a)QM-N5测量电路；（b）TGS812测量电路；（c）TGS109测量电路,4、电路符号 图4115,旁热式 图4115(a)(b) 直热式 图4115(c),气敏电阻Rs与负载电阻RL分压电路,2020/7/7,31,图6气敏电阻测量电路,气敏电阻电桥电路,2020/7/7,32,4.1.5 湿敏电阻 一、氯化化锂湿敏电阻 是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。 氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液

11、将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。 二、半导瓷湿敏电阻 1湿敏特性： 正特性 湿度电阻 负特性 湿度电阻 2典型结构 烧结型 正湿敏特性 涂复膜型 负湿敏特性 三、高分子膜湿敏电阻 是采用人工合成的有机高分子膜作为湿敏材料的电阻式湿度传感器 (1)碳湿敏电阻；（2）聚苯乙烯磺酸锂湿敏电阻,2020/7/7,33,图4-1-7 烧结型湿敏电阻结构,4.1.5 湿敏电阻,2020/7/7,34,图18不平衡测湿电桥方框图,2020/7/7,35,图19欧姆定律回路测湿电路,2020/

12、7/7,36,电流表电流 湿敏电阻 Rd校满电阻与xmax%RH对应的Rx相等。 湿度RxIx 注意：1不能使用电压表，因电压表内阻r很大，电压表读数为,几乎不随湿度改变. 2湿敏电阻必须用交流式换向直流供电，不能用单向电流供电.,2020/7/7,37,.2 电容式传感器 4.2.1基本原理与结构类型 一、原理 1平行平面电容 单层介质 s极板覆盖面积 多层介质 2平行曲面形（同轴圆筒形）电容 L覆盖长度 当时 ， （x0时，ln x展成幂级数，取第一项， ，令 ，所以 ） 二、结构类型：变极距、变面积、变介质,2020/7/7,38,4.2.1 基本原理与结构类型,图2-1变极距型电容传感

13、器,动极板上移,差动式,2020/7/7,39,图2-2线位移式变面积型结构,单一式,差动式,2020/7/7,40,图2-3变面积型差动式结构,2020/7/7,41,图2-4线位移式变介质型差动结构,2020/7/7,42,4.2.3 等效电路分析,图2-5电容传感器的等效电路,结论：1、激励频率 通常 2、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行标定。,2020/7/7,43,4.2.4 接口电路选择 尽可能使输出电压或频率与被测非电量成线性关系。 一、比例运算电路,1、恒电流激励电路 图35（a） 应用于单一变极距式电容传感器 2、恒电压激励电路 图35（b） 应用于变面积式和变介质

14、式电容传感器 3、恒电压激励差动电路 图35（c） 应用于变面积差动式电容传感器,二、交流电桥 1、电阻平衡臂电桥 图3-1-6（a） 2、变压器电桥 图3-1-6（b） 开路（ZL时）输出电压都为 应用于变极距差动式电容传感器,2020/7/7,44,三、差动脉冲调宽电路 图36 变极距差动式电容传感器接入差动脉冲调宽电路图36得 设被测量为振动位移 ，代入上式得 。显然，低通滤波器应允许频率为fx的被测非电信号通过，为了滤去方波基波及其谐波而且允许频率为fx的被测非电信号通过，一般选取截止频率fh为 ,2020/7/7,45,4.3 电感式传感器 4.3.1 自感式传感器 一、工作原理 1

15、、组成：铁芯线圈 活动街铁 2、自感 式中 故 因为 所以 ，所以 所以 3、原理：被测量变化Rm变化L变化 类型：1、变所隙式 变化L变化 2、变面积式 A变化L变化 3、螺管插铁式 变化L变化,二、输入输出特性 1变气隙式自感传感器; 2变面积式自感传感器; 3螺管插铁式自感传感器.,2020/7/7,46,图3-1 单一式自感传感器,0=(0.1-0.5)mm;=(0.1-0.2) 0,单一式 图4-3-1（a）,2020/7/7,47,图32差动式自感传感器 (a)变隙型；(b)变截面型；(c)螺管型,差动式 图4-3-2,(a),(b),(c),2020/7/7,48,图3-3 自感

16、传感器的等效电路 L线圈电感；Rc线圈铜耗电阻；Re铁心涡流损耗电阻； Rh(f)磁滞损耗电阻；C线圈的寄生电容,三、等效电路图3-3,结论：1、应选择激励频率， 最好选择能使品质因数最高的最佳激励频率。,2、更换连接电缆时，须重新进行校准。,2020/7/7,49,四、接口电路选择 尽可能使输出电压、电流或频率与被测非电量成线性关系。 1、变压器电桥 图316(b),1）单一式 L2=L0（固定电感）,2）差动式：,结论：1、差动式比单一式灵敏度提高一倍 2、差动式可消除非线性,2、差动电感脉冲调宽电路图328 适用于差动自感传感器,2020/7/7,50,3、比例电路（与图325相似）适用

17、于单一式自感传感器,图中L0为固定电感，其值等于自感传感器LX的初始值。,2020/7/7,51,4.3.2 互感式传感器 一、互感与自感,紧耦合时 所以,二、互感式传感器（差动变压器）组成原理,差动变压器也有变气隙式、变面积式和螺管式三种类型。,2020/7/7,52,2、差动变压器工作原理,图差动变压器及其等效电路,2020/7/7,53,图3-5各种差动变压器的结构示意图 (a)、(b)、(c)变气隙式；(d)、(e)变面积式；(f)螺管式,3、各种差动变压器的结构示意图,2020/7/7,54,图3-6型铁芯变气隙型差动变压器,三、输出特性,2020/7/7,55,图3-7灵敏度与激励

18、频率的关系,结论：应选取合适的较高的激励频率，以保持灵敏度不变。,2020/7/7,56,图3-8差动变压器使用的桥路,四、测量电路,2020/7/7,57,图3-9差动整流电路,电流输出 电压输出 全波整流 图4-3-9（a） 图4-3-9（c） 半波整流 图4-3-9（b） 图4-3-9（d）,差动输出,注意点： 1）整流二极管方向与输出电流方向一致。 2）电位器用于输出调零。,2020/7/7,58,图直流差动变压器电路,2020/7/7,59,4.3.3压磁式传感器 是利用铁磁物质的压磁效应工作的传感器 一、压磁效应 1、“磁致伸缩效应”铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或者缩短

19、，这种现象称为“磁致伸缩效应”。 2、“压磁效应”铁磁物质在外界机械力(拉、压、扭)作用下，磁导率发生变化，外力取消后，磁导率复原，这种现象称为“压磁效应” (又称磁弹性效应)。 铁磁材料的相对磁导率变化与机械应力之间有如下关系：,二、基本结构型式 1、组成： 压磁元件（由硅钢片粘叠而成闭合的磁路） 线圈（绕制在压磁元件上）。 2、类型：,2020/7/7,60,1）自感型压磁传感器压磁元件上若只绕上一组线圈 图43-11,图3-1自感型压磁传感器结构型式,2020/7/7,61,图3-12互感型压磁传感器的结构形式,2）互感型压磁传感器压磁元件上同时绕制激励绕组和输出绕组 图3-12,2020/7/7,62,图3-13压磁式传感器工作原理,3）常用的互感型压磁传感器图3-13,2020/7/7,63,图3-14压磁式传感器测量电路,三、测量电路 图3-14,2020/7/7,64,4.3.4 电涡流式传感器,图315电涡流强度与X/R关系曲线,一、电涡流效应 1、电涡流的产生：成块金属置于交变磁场中或在固定磁场中运动，金属导体内产生环形感应电流电“涡流”。 2、电涡流的强度与分布 图315,强度,一般取X/R=(0.05-0.15)mm,2020/7/7,65,图6电涡流区的形成,分布区域在金属导体靠近激励线圈一侧