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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，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,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。
2、 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）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 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,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, 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
3、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；非金属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变化。,二、电阻应变片的结构,1.金属电阻应变片,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,体型,薄膜型,扩散型,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：将电阻的变化转换为电压输出。 (一) 直流电桥 空载电压： ,直流电源U,输 出 电 压,R
4、,等效电阻：,直流电桥,交流电桥,直流电桥平衡条件：,等臂电桥 输出对称电桥 电源对称电桥,1.直流电桥的电流输出 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,2.直流电桥的电压输出,如果直流电桥输出带运算放大器，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：
5、,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,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）等臂电桥双臂应变情况下,(三) 电桥的线路补偿,（1）初始平衡补偿 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
6、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,（一）测力与称重传感器,（二）压力传感器,补偿片,
7、工作片,膜片,应变片,插座,（三）加速度传感器,（四）位移传感器,第二节 固态压阻式传感器 -半导体传感器,压阻效应：固体受到作用力后，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，
8、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：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=热电阻,半导体热电阻
9、=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,优点： （1）电阻-温度变化具有良好的线性关系； （2）电阻温度系数大，故测量精度高；,（3）热容量小，反应速度快； （4）有较大的测量范围；200500； （5）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格较低。 （5）易于使用在自动测量和远距离测量中。,（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。 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
10、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，铜热电组的有两种分度号 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
11、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,二、热敏电阻,珠状,柱状,片状,热敏电阻的阻值与温度之间关系：,R0为温度为T0时的电阻，Rt为温度为T时的电阻。,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。,二、热电阻式传感器的应用,（三） 热 敏 电 阻 点 温 计,（四）热敏电阻热保护,（五） 热 敏 电 阻 液
12、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。 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。,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
13、素；（2）使用金属盐类催化剂。,（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,（二）氧化锌系气敏电阻,（三）氧化铁系气敏电阻,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。,（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。,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该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比, 一般用符号RH表示，是一个无量纲的量。 在实际使用中多使用相对湿度这一概念。,电阻-湿度 特性曲线,一、陶瓷 湿敏元件,ZnO-Cr2O3湿敏电阻,1.陶瓷湿敏电阻结构,2.湿敏电阻测量电路,二、氧化锂湿敏电阻,1.氧化锂湿敏电阻结构,2.相对湿度计测量电路,三、有机高分子湿敏电阻,
