第2章+电阻传感器.ppt

1、第二章 电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理是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。,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.滞后和蠕变都较小，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。,第一节 电阻应变式传感器,一、电阻应变效应,二、电阻应变片的结构,三、应变片的粘贴技术,四、测量电路,五、电阻应变式传感器的应用,主要内容,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒

2、定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,机械滞后、零漂及蠕变,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆的变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。,对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。,产生的原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。,如果在一定温度下，使应变片承

3、受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。,产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。,一、电阻应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为电阻应变效应。 取一根长度为L，截面积为A，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R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（取负号）, 电阻率将改变, 故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示,A/A为电阻丝的截面积相对变化量, 因,所以,由材料力学, 在弹性范围内, 金属丝受拉

4、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,实验证明，应变片的电阻相对变化量R R与材料的应变的关系在很大范围内是线性的，从上式中提出 ，得, 材料的灵敏度系数K0取决于两个因素 （1）材料几何尺寸的改变。见上式中的 项。 （2）应变引起的电阻率改变。见上式中的 项。 结论：金属材料的 主要受前者影响；半导体材料主要受后者影响！,K0为灵敏度系数-单位应变能引起的电阻相对变化。,二、电阻应变片的结构,1.金属电阻应变片,有丝式、箔式、薄膜式三种结构。 金属丝（一般是合金，电阻率较高，直

5、径约0.02mm）式应变片使用最早，有纸基、胶基、纸浸胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于大批量、一次性试验。 目前箔式应变片应用较多。箔式应变片中的箔栅（敏感栅）是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 金属薄膜应变片是采

6、用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,常用应变片的形式,金属应变计,2.半导体应变片：利用半导体的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。,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，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。,将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片,利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件而制成,将P型杂质扩散到N型硅单晶体基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形

7、成了扩散型半导体应变片,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：测量电阻的微小变化。,直流电桥,交流电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。,等臂电桥 输出对称电桥 电源对称电桥,(一) 直流电桥,

8、直流电源U,输 出 电 压,R,等效电阻：,直流电桥平衡条件：,空载电压：,1.直流电桥的电流输出：电桥输出信号较大，输出端又接入电阻值较小的负载如检流计进行测量时，电桥以电流形式输出 如果直流电桥带一个具有内阻Rg的负载,将输出电流Ig. 电流输出电路及其等效电路:,(E=U0),由等效电路可求得Ig、Ug的一般表达式:,*当阻抗匹配即Rg=R时,Ig、Ug表达式可简化为:,设R1为应变电阻，当电阻增加R时，由Ig简化算式：,得输出电流为：,即,（2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有,（1）阻抗匹配的输出对称电桥,（3）阻抗匹配的等臂电桥，有,输出与输入呈线性关系,2.直流电桥的电压输出,如果直

9、流电桥输出端接运算放大器，负载电阻Rg,输出电流Ig0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：,（单臂）对于输出对称电桥（右图）,即,对于电源对称电桥,对于等臂电桥,输出与输入呈线性关系,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）,与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍！,(二) 交流电桥,交流电桥采用正弦交流电源U，电源频率取被测应变频率的510倍。 各桥臂采用应变片或定值精密无感电阻。 在频率较高时，必须考虑分布电容的影响。 如：,等。,设正弦交流电源,则输出交流电压,交流电桥平衡条件：,或,（1）等臂电桥单臂应变情况下,（2）等臂

10、电桥双臂应变情况下,2,2,双臂差动比单笔工作灵敏度提高一倍,(三) 电桥的线路补偿,（1）初始平衡补偿（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.热敏电阻补偿,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,（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，同样受力引起的应变增大，测量

11、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。,五、电阻应变式传感器的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,（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,（

12、三）加速度传感器,（四）位移传感器,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,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外力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）,汽车衡称重系统,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器 （共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子

13、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2500N.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。 半导体压阻式传感器分类,粘贴式应变片,扩散硅型压阻传感器,特点：灵敏系数大，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。,本节介绍扩散硅型压阻传感器,设半导体材料的压阻系数为 ，材料

14、受到的应力为， 有,一、工作原理与结构,对于半导体材料，其电阻率的变化为：,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：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同。,压阻效应传感器的核心-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

15、：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,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,投入式液位计,投入式液位传感器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理。,投入式液位计外形（续）,压阻式

16、固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999； 分辨率： 1；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120或其他阻值； 测量点数：8/16点；,电阻应变仪（续）,右图所示的静动态 应变仪技术指标： 量程：110000 频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3% 零点飘移：- /：0.1- /24小时：0.5 灵敏度变化：- /：0.05%- /24小时：0.3% 信噪比：52dB,（参考东方振动和噪声技

17、术研究所资料）,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,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=热电阻,半导体热电阻=热敏电阻,热电阻传感器-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：温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,作为测温用的热电阻应该具有一下特性： （1）电阻-

18、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； 表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化 （3）电阻率（是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率 ）高，热容量小，反应速度快； 系统在某一过程中，温度升高（或降低）1所吸收（或放出）的热量 （4）在测量范围内具有稳定的物理和化学性质。 （5）材料质量要纯，复现性好，价格便宜。 在不同测量条件下，如不同的方法，不同的观测者，在不同的检测环境对同一被检测的量进行检测时，其测量结果一致的程度。,（一）铂（Pt）电阻,铂易于提纯，物理化学性质稳

19、定，电阻率较大，能耐较高温度，所以铂热电阻在温度传感器中得到了广泛应用。 铂热电阻的特性方程： 在0650的温度范围内: 在-2000的温度范围内:,Rt和R0分别为t和0时铂电阻值; A、 B和C为常数。,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,薄膜型及普通型铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,铂电阻温度显示、变送器,（二）铜电阻 由于铂是贵重金属,

20、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: R0为0时电阻值，为温度为0 时的电阻温度系数，铜热电组的有两种分度号 Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,铜电阻丝,骨架,铜引出线,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,铜热电阻线性较好,测温范围小，价格便宜, 但易氧化, 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，不宜氧化，在腐蚀性介质或较高温度下可以工作，但价格昂贵。,表2-2 热电阻的主要技术性能,热电阻的外形结构,接线盒,热电阻,固定螺纹,引线方式有两线制、 三线制和

21、四线制, 两线制引线电阻对测量影响大, 精度低。三线制可以减小连接导线的电阻因温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除误差。工业上多采用三线制，而四线制则常用于标准铂热电阻的引出线上。,分类： 根据电阻值的温度特性分为：负温度系数（negative temperature coefficient, NTC）和正温度系数（positive temperature coefficient , PTC）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。常作为控温报警器。 根据结构分

22、为：珠状、柱状、片状、薄膜状等形式。,珠状,柱状,片状,二、热敏电阻：利用半导体制成的敏感元件，特点是电阻率随温度变化显著。,下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？,图各种热敏电阻的特性曲线 1突变型NTC 2负指数型NTC 3线性型PTC 4突变型PTC,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。（由于热接点具有一定的热容量，热接点从介质中吸热量后,加热自身、使温度提高到稳定值需要一定的时间。即热接点的温度变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化。热电偶的这种现象称为热惯性。 ） 热敏电阻缺点：电阻随温度变化曲线为

23、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。,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,贴片式NTC热敏电阻,MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻,MF5A-3型热敏电阻,（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）,KPD/MF5E薄膜系列NTC热敏电阻， 应用在电脑、打印机、家用电器等,非标热敏电阻,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD显示屏,热敏电阻体温表,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,热敏电阻用于电热水器的温度控制,

24、二、热电阻式传感器的应用：有两种形式，一种是将热敏元件与被测物体相接触，它们之间经过热交换后达到热平衡时热敏元件的电阻值反应了被测物体的温度；一种是将流过恒定电流的热敏元件置于被测气体或液体等介质中，介质中的某些参数将影响热敏元件与介质之间的热交换和热平衡，利用这一原理达到测量介质的某些参数的目的。,引线方式为：三线制式,（三） 热 敏 电 阻 点 温 计,热敏电阻适合做点温计，因为其体积小，响应速度快,选择量程,使电流计满量程,（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:利用湿度与大气导热率之间的关系作为测量原理的，现已用于空调机湿度控制，或制

25、成便携式绝对湿度表、直读式露点计、相对湿度计、水分计等,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, 当被气体吸附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元件和气敏传感器-通过电阻率变化监视气体浓度、成分。 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。 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。,第四节 气敏电阻,一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气

26、体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件 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，氧离子缺位，当遇到易于失去电子的可燃性气体时，电子从气体分子向半导体迁移，半导体的载流浓度增加，电导率增加）和P型半导体（氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等，阳离子缺位，当遇到可燃性气体时，电导率减小）,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。气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程，并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用

27、）。,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。,气敏电阻的灵敏度与温度的关系 （电导率的变化所引起的负载上得到的电压）,（一）氧化锡系气敏电阻 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 在100300范围内电导率变化很大。,二、常用气敏电阻,直热式,旁热式,旁热式,（二）氧化锌系气敏电阻：属于N型金属氧化物半导体，通过掺杂而获得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体敏感，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷、烟雾等有较高的灵敏度。,（三）氧化铁系气敏电阻：当与还原性气体接触时，转化为 四氧化三铁，电阻率迅速降低，对烷类气体特

28、别灵敏。,表2-4 几种国产气敏电阻的主要特性,在图中，气敏电阻在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。 这种特性较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警，被广泛用于煤炭、石油、化工、家居等各种领域。,观 察 和 分 析,部分气敏电阻外形,酒精传感器,酒精传感器技术指标,工作电压 DC3V（2A5电池）；工作电流 120mA； 使用环境 温度： 045； 相对湿度：95%RH ；预热时间 10秒（初次预热18秒）；测试时间 8秒；测量范围 0.001.00mg/L； 报警浓度 0.24mg/L；准确度 10% F.S,酒后驾车测试仪散件,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,煤矿瓦斯报警器,汽车尾气分析,有毒气体传感器的使用,三、气敏电阻的应用,音频振荡器,（二）矿灯瓦斯报警器,检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，瓦斯气体超过设定点时，V1、V2导通，V3、V4振荡，继电器动作，报警灯闪烁。,Q