《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第2章 电阻式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术 教学课件 ppt 作者 魏学业 第2章 电阻式传感器（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 热电阻式传感器,电阻式传感器就是利用材料的电阻值随外界条件变化而实现参数测量的。如电阻式温度传感器是利用导体的电阻值随温度变化的原理来测温的，传感器电阻值的变化体现了温度的变化。又如应变电阻式传感器在外力或位移等发生化时，引起应变片的变形，从而使其电阻值发生变化，电阻值的变化体现了外力或位移的变化。,电阻式传感器,热电阻式传感器 铂热电阻 铜热电阻 常用连接方式 热敏电阻传感器 热敏电阻的分类及特性 热敏电阻的应用 应变式传感器 应变式传感器工作原理 电阻应变片的结构 应变片的误差及补偿,以金属铂作感温元件，再与内引线和保护管一起，就组成了铂热电阻温度传感器。它通常还与外部测量电路、控
2、制装置及机械装置连接在一起构成温度传感器。 这种传感器主要有两种形式：Pt100和Pt10。Pt100和Pt10的电阻值在0时分别为100和10，它们的测温范围均为-200850。 Pt10是用较粗的金属铂丝制成的，耐温性能优于Pt100，主要用于650以上的测温。由于金属铂是贵金属，Pt10的成本较Pt100高，所以在测量低于650以下的温度时，以Pt100为主，另外Pt100的分辨率比Pt10的分辨率大10倍。,热电阻式传感器 铂热电阻,铂热电阻的电阻值和温度的关系，在-2000的范围内：,在0850的范围内：,热电阻式传感器 铂热电阻,热电阻式传感器 铜热电阻,铜热电阻温度传感器是利用金
3、属铜的电阻值随温度变化的原理制成的。主要的铜热电阻有：温度为0时，电阻值为50的Cu50和电阻值为100的Cu100。铜热电阻按其保护管结构形式分为装配式（可拆卸）和铠装式（不可拆卸，内装铜电阻）。 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，线性好，制成的传感器的灵敏度也高，且价格也低。但其电阻率低，电阻体的体积大，响应慢，稳定性差，在测量精度要求不是很高，测量的温度较低时经常用。,热电阻式传感器 铜热电阻,铜热电阻在-50150的使用范围内，其电阻值与温度的关系可表示为：,热电阻式传感器 常用连接方式（两线制）,两线制的测温电桥，（a）为示意图，（b）为等效电路图。从（b）图中，引线电阻RW和Rt一起
4、构成测量电阻，即测量电阻为Rt+2RW。由于引线电阻的阻值随环境而变化，且随离现场的距离而变化，因此也就影响了Rt的测温精度。,热电阻式传感器 常用连接方式（三线制）,为了消除两线制中引线电阻的影响，人们设计了三线制连接方法，如图所示。这种连接方法，由于在邻臂中也引入了一个电阻RW，因此可以部分消除两线制中引线电阻的影响。,热敏电阻是一种阻值随着温度的变化而变化的半导体电阻器，由半导体电阻器件制成的传感器称为热敏电阻传感器，通常由单晶、多晶半导体材料制成,热敏电阻传感器, 按结构及形状分类圆片形（片状）、圆柱形（柱形）、圆圈形（垫圈形）等多种热敏电阻器。 按温度变化的灵敏度分类高灵敏度型（突变
5、型）、低灵敏度型（缓变型）热敏电阻器。 按受热方式分类直热式热敏电阻器、旁热式热敏电阻器。 按温度变化特性分类正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）、负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）和突变型负温度系数（Critical Temperature Resistor，CTR）热敏电阻传感器。,热敏电阻传感器 分类,热敏电阻传感器 特性,NTC、PTC和CTR型热敏电阻的特性如图，半导体热敏电阻就是利用这种性质来测量温度的。由于PTC和CTR型热敏电阻一般是用于温度开关控制中，而只有NTC热敏电阻才真
6、正用于温度测量中。,热敏电阻传感器 热敏电阻的特点, 灵敏度较高：其电阻温度系数要比金属电阻大100倍以上，能检测出10-6的温度 变化。 工作温度范围宽：常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355，但大部分器件工作于-25125。 体积小，使用方便：能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的 温度。 易加工成复杂的形状，可大批量生产，易于集成。 稳定性好、过载能力强。,热敏电阻传感器 应用,NTC热敏电阻可以应用于仪表、家用电气设备，以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温度测量与控制。 PTC广泛应用于彩色电视机消磁电
7、路、电冰箱压缩机启动电路及过热或过电流保护等电路中。 CTR的阻温跃变特性在温度探测和控制、电路的过热保护、建筑物的火灾报警、致冷设备、振荡器、无触点开关等方面都得到了广泛的应用。,热敏电阻传感器 应用,图中电路适用于家用空调、恒温箱等电热设备。其使用温度范围是050，测控温精度为0.5。 测控原理图如图2-4所示，图中A1A3为运算放大器，RT为PTC感温探头，RP1用于微安表A的调零，RP2用于调节微安表A的满量程值。,应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起敏感元件的阻值变化
8、，通过转换电路将其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式传感器可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。,应变式传感器,应变式传感器 工作原理,图中所示的是一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为,为电阻丝的电阻率；L为电阻丝的长度；S为电阻丝的截面积。,应变式传感器 工作原理,当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长 ，横截面积相应减小 ，假设电阻率将因晶格发生变形等因素而增加 ，电阻值变为,应变式传感器 工作原理,应变式传感器 工作原理,，,定义：,应变式传感器 工作原理,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：
9、,式中：为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。,应变式传感器 工作原理,灵敏度系数，即单位应变能引起的电阻值变化：,应变式传感器 工作原理,灵敏度系数，即单位应变能引起的电阻值变化：,应变式传感器 电阻应变片的结构（金属电阻应变片）,金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示。,应变式传感器 电阻应变片的结构（金属应变片）,（1）敏感栅： 敏感栅感受应变，并将应变转变为电阻的变化。 （2）基底： 基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质，并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用。 （3）粘结剂： 粘结剂用于敏感栅与基底、基
10、底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。 （4）覆盖层： 覆盖层具有保护应变片的作用。 （5）引线： 引线用于连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,应变式传感器 电阻应变片的结构（金属丝式应变片）,丝式应变片如图所示。它是一根金属丝按图示形状弯曲后用胶黏剂贴于衬底，衬底用纸或有机聚合物等材料制成，电阻丝的两端焊有引线。,应变式传感器 电阻应变片的结构（金属箔式应变片）,箔式应变片的结构如图所示。箔式应变片是在绝缘基底上，利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.0030.01mm。,应变式传感器 电阻应变片的结构（金属膜应变片）,薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基
11、片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。缺点是具有负电阻温度系数，温度稳定性差。,应变式传感器 半导体应变片,半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体应变片的结构如图所示。,应变式传感器 应变片的误差及补偿,由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。应变片电阻温度系数的变化会产生应变片温度误差，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：,Rt为温度为t 时的电阻值；R0
12、为温度为t0时的电阻值；0为温度为t0时金属丝的电阻温度系数；t为温度变化值。当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为,应变式传感器 温度补偿,为了消除温度误差，可采用多种补偿措施。温度补偿主要有电桥补偿和应变片自补偿两大类，电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。,应变式传感器 温度补偿,电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿，左图所示是电桥补偿法的原理图。,应变式传感器 温度补偿,电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿，图2-10（a）所示是电桥补偿法的原理图。设R1为工作应变片，RB为补偿应变片。由电桥的原理可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关
13、系可实现对温度的补偿。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为,由上式可知，R3和R4为常数，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反，利用这一基本关系可实现对温度的补偿。,应变式传感器 温度补偿,应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件。 在应变片工作过程中，保证R3= R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的性能和初始电阻值R0 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场中。,应变式传感器 温度补偿,电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿，图2-10（a）所示是电桥补偿法的原理图。设R1为工作应变片，RB为补偿应变片。由电桥的原理可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为,由上式可知，R3和R4为常数，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反，利用这一基本关系可实现对温度的补偿。,
