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1、现代检测技术导论第三章 电参量检测3.1 电阻式传感器3.2 电感式传感器3.3 电容式传感器电参量检测系统的工作原理l电参量检测系统中的传感器属于能量控 制型传感器，传感器需要外加电源才能 工作。l主要有电阻式、电感式和电容式等。l工作原理：先由转换元件将被测量转换 为电参量（电阻、电感、电容等），然 后由转换电路进一步转换为电压或电流 信号后输出。l电阻式传感器是通过转换元件将被测量 转变为电阻值，通过转换电路将电阻值 转换为电信号，通过测量电信号达到测 量非电量的目的。l主要有电位器式、电阻应变式、压阻式 、热电阻式、磁电式、光敏电阻式等l可以用来测量位移、形变、压力、加速 度、温度等3
2、.1 电阻式传感器3.1.1电位器式传感器l把机械位移转换成与其成一定函数关系的电阻l可用于测量线位移、角位移和液位等l结构：电位器由电阻器和电刷两部分组成l原理：当电刷触电C在电阻器RAB上移动时，AC间的 阻值会发生变化。且RAC与触点的直线位移或角位移成 一定的函数关系。l特点：结构简单、受环境因素（温湿度、电磁干扰等）影响 小、稳定性好、输出信号大易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性特性曲线呈阶梯状阶梯误差、分辨率低、耐磨性差l由弹性元件、电阻应变片和测量电路构 成l当弹性元件感受到被测量（力）时，其 表面产生形变，粘贴在弹性元件表面的 电阻应变片的阻值随之发生变化，通过 电桥进一
3、步将电阻的变化转换为电压或 电流的变化l通过检测电压或电流的变化实现测量的 目的3.1.2 应变式传感器l应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力 或压力）作用时，产生机械形变，机械形变会导致 阻值的变化，这种因形变使阻值发生变化的现象称 为“应变电阻效应”应变片的基本结构l金属应变片主要有丝式、箔式等l箔式电阻应变片采用照相制版或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（1-10um ）制在绝缘基地上制成，易于批量制造传递应变性能好、横向效应小、散热性能好、允许通 过电流大l温度误差和补偿l产生温度误差的因素：电 阻温度系数，材料热膨胀l温度补偿可分为自补偿和 电桥补偿法电桥补偿法R1和RB为特性一致的
4、应变 片，其中， R1为工作应变 片，B为补偿应变片，他们 处于同一温度场中，且仅 R1承受应变。当温度变化T时， R1和RB因温度变化引起的阻值变 化相同，电桥仍处于平衡状态若此时有应变，则工作应变片电阻R1有新的增量 R1 R1K，而补偿应变片不承受应变，电阻不变， 则电桥的输出为：可见，电桥输出只与轴向应变有关，而与温度变化 无关。l电阻应变片的测量l电桥平衡条件当R1R4=R2R3，即R1/R2=R3/R4时电桥处于平衡状态，U0=0l不平衡电桥的工作原理当4个桥臂均接入应变片，且都有变化时当R1=R2=R3=R4=R时因为Ri Ri ，忽略高阶增量单臂桥： R1为应变片，R2 、R3
5、、R4为固定电阻差动半桥：R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻R1受拉， R2受压差动全桥：R1、R2 、R3、R4均为应变片R1 、R4受拉， R2 、R3受压l电阻应变片式传感器的应用l结构形式：柱式、悬臂梁式等l柱（筒）式力传感器布片：围绕柱（筒）轴线均匀分布，纵向横向各贴4 片应变片组桥：纵向对称的R1和R3串联，R2和R4串联，横向的R5 和R7串联，R6和R8串联，并置于电桥相对桥臂上纵向对称两两串接为了减小偏心载荷和弯矩的影响， 横向贴片作温度补偿用l悬臂梁式力传感器R1和R2贴在悬臂梁的上表面，R3和R4贴在悬臂梁的下 表面接成全桥时， R1和R2接在对边， R3和R4接在
6、对边l金属电阻应变片性能稳定、测量精度高，但灵敏度系 数低、阻值小l半导体应变片灵敏度系数是金属应变片的几十倍，在 微变测量中应用广泛l半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应l压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会 发生变化，这种现象称为“压阻效应”l半导体应变片的特点： 优点：灵敏度系数大，横向效应和机械滞后小 缺点：非线性大，温度稳定性差3.1.3 压阻式传感器l测量电路与温度补偿4片应变片组成全桥其中，一对对角电阻受拉，另一对对角电阻受 压，电桥输出电压最大l电桥供电采用恒压源或恒流源对于恒压源设4个桥臂由于应变引起的电阻变化为R，由于温度 变化引起的电阻变化为Rt，桥路输
7、出受到环境温度变化的影响，但由于Rt R，影 响甚微对于恒流源桥路输出与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比， 与温度无关，消除了环境温度的影响l半导体电阻式传感器的应用l压阻式气体压力传感器核心是一块圆形硅膜片，膜片四周用一个圆环（硅杯 ）固定 在膜片上利用集成电路工艺制作4个阻值相等的电阻 ，用低阻导线连接成平衡电桥膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高 压腔，一个是与大气相通的低压腔当膜片两边存在压力差时，膜片产生形变，膜片上各 点产生应力4个电阻的配置位置按膜片上的径向应力和切向应力的 分布情况：当r=0.635r0时，径向应力为零；当r0.635r0时，径向应力为压力设计时
8、，根据应力分布，合理安排电阻位置，组成差动 电桥，可输出较高电压 沿径向对称于0.635r0两侧制作4个电阻，其中、R1、R4 接于电桥对角线上，R2、R3接于电桥另一对角线上当膜片两边存在压力差时，膜片上各点产生应力，电阻 在应力作用下阻值发生变化，电桥失衡，产生电压输出输出的电压与膜片两边的压力差成正比l热电阻传感器是利用导体或半导体的电 阻随温度变化的特性而制成的温度敏感 元件l测温范围主要在中低温区（200 630）l主要金属热电阻和半导体热敏电阻两大 类3.1.4 热电阻传感器l铂热电阻优点：物理、化学性能及其稳定，测温精度高缺点：温度系数小，不能在还原性介质中使用热电特性铂热电阻使
9、用范围200630A、B、C为与纯度有关的常数工业用铂热电阻有Pt100 （R0=100欧姆） Pt1000 （R0=1000欧姆）Pt500 （R0=500欧姆） l铜热电阻在测量精度要求不高且温度较低的场合可使用 铜热电阻 铜热电阻使用范围50150热电特性工业用铜热电阻有Cu50 （R0=50欧姆） Cu100 （R0=100欧姆）适用于在无水分及非腐蚀性介质中使用l热电阻的结构由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒组成电阻体由电阻丝和电阻支架组成电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、 石英或陶瓷塑料支架上l半导体热敏电阻半导体与金属有完全不同的导电机理。由于半导体中参与导电
10、的载流子比金属中的自由电子的 密度小得多。所以半导体的电阻率大。随温度的升高， 一方面半导体的价电子受热激发产生新的电子空穴对 ，使载流子数增加，电阻率减小； 另一方面，半导体载流子运动速度升高，阻碍载流子 定向运动能力增强，电阻率增大。因此，半导体热敏电阻有正温度系数（PTC）热敏电阻 和正温度系数（NTC）热敏电阻l热电特性：半导体热敏电阻的温度系数远高于 金属丝的温度系数半导体热敏电阻的阻值与温度关系 近似成指数规律l伏安特性：加在热敏电阻两端的电 压与流过的电流之间的关系当流过热敏电阻的电流较小时，其 伏安特性符合欧姆定律当电流增大到一定值时，电流引起 热敏电阻自身温度升高，出现负阻
11、特性使用时，应尽量减小流过它的电流 ，减少自热效应的影响l热敏电阻传感器的应用：测量电流采用电桥为了减小引线电阻带来的误差 ，常采用三线制或四线制测量 电路l三线制测量电路热敏电阻一端接一根引线，连 接电桥的一个臂；另一端接两 根引线，分别接于干路（电源 ）和电桥的另一个臂采用恒流源或恒压源供电由于电桥相邻的那个臂增加了 相同的导线电阻，差动输出后 ，可消除导线电阻的影响R、R0、Rtr消除了导线电阻的影响l四线制测量电路热敏电阻两端各接两根引线两根引线通过电阻接于恒流源另两根接于运算放大器的输入 端热敏电阻将温度的变化转换为 电阻的变化，流过热敏电阻的 恒定电流将电阻变化转换为电 压的变化，
12、输入到差动运放， 放大后输出输出与导线电阻无关l典型应用：温度控制lRt负温度系数热敏电阻低于设定温度Rt阻值大VT1 、VT2导通继电器线圈 K得电、LED点亮触点K1吸合电热丝加热高于设定温度Rt阻值小VT1 、VT2截止继电器线圈 K失电、LED熄灭触点K1断开电热丝断电l光敏电阻传感器是基于半导体光电效应制成的敏感元件l光敏电阻的结构在玻璃基板上均匀涂上一层半导体材料（硫化镉等）， 然后在半导体两端装上电极，封装在塑料壳体内为了增大光照面积，获得更高的灵敏度，一般采用梳状 结构3.1.5 光敏电阻传感器l无光照时，光敏电阻的阻值很大，在兆欧级以 上，将光敏电阻接入电路，电路的暗电流很小
13、l当受到一定波长范围的光照射时，其阻值急剧 下降，可达千欧级一下，电路中的电流增大l选用时，光敏电阻的暗电阻越大、亮电阻越小 ，性能越好l光敏电阻有很高的灵敏度和很好的光谱特性， 光谱响应从紫外一直到红外，广泛应用于防盗 报警和火灾报警中l伏安特性：一定的光照下，光敏电阻两端的电压与电流 之间的关系，称为伏安特性在给定偏压下，光照度越大，光电流越大当光照一定时，偏压越大，光电流也越大，且没有饱和 现象但使用时，要注意所加偏压不能大于最大工作电压l光照特性：光敏电阻的光电流（亮电流和暗电 流之差）与光通量（光照度）之间的关系光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作检测 元件一般作为开关式传感器，如被
14、动式人体红外检 测、路灯开关l光谱特性：光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称 为光谱特性l不同材料，峰值波长不同，光谱特性不同硫化镉的峰值波长在可见光区硫化铅的峰值波长在红外光区l使用时应根据光源性质选择合适的光电器件l温度特性：作为半导体器件的光敏电阻，受温度影响较 大温度升高暗电流和灵敏度下降峰值波长随温度上升向波长短的方向移动使用时，为了提高灵敏度或保持光谱特性（能够接受红 外辐射），需要采取降温措施l电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量的 变化转换为线圈的自感或互感变化的器件l常用来测量位移、压力、振动、应变、流量、 比重等l按原理可分为自感式、互感式等l优点：结构简单、工作可靠，
15、灵敏度高、线性 好、精度高、性能稳定，输出电阻小、输出功 率大，抗干扰能力强，适用于恶劣环境l缺点：频响低，不宜快速动态测量3.2 电感式传感器l结构：自感式传感器由线圈、铁心和活动衔铁组成铁心和衔铁由导磁材料（如硅钢片或坡莫合金）制成线圈绕在铁心上，并加交流激励l工作原理：铁心与衔铁之间有空气隙，当衔铁上下移动时，气隙改变，磁路磁阻发生变化，从而引起线圈自感的变化自感量的变化与衔铁位置有关，只要测出自感量的变化，就能获得衔铁位移量的大小3.2.1 自感式传感器l自感式传感器基本特征方程：当线圈的匝数N确定后，只要气隙或气隙截面积S0发 生变化，电感即发生变化，即L=f(，S0)因此电感式传感
16、器结构形式上有变气隙式和变面积式在圆筒型线圈中放圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，电 感量也发生变化，可构成螺线管式电感传感器。l为了减小非线性误差，提高灵敏度，常采用差动式变气 隙传感器差动电感传感器的结构特点是两个完全对称的简单电感 传感元件合用一个活动衔铁测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上 下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动从而使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变 化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量 减小，形成差动l与简单式电感传感器相比 ，差动式电感传感器灵敏度提高一倍非线性误差由/减小 为(/)2克服温度等外界共模影响l电感式传感器测量电路l变压器电桥电路(Z=jwL)：Z1、Z2是自感传感器的两个线 圈的阻抗，另两
