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1、传感器原理及应用,课程名称：传感器原理及应用,主讲教师：唐文彦,实用传感器样品举例,传感器实际产品(1/7),传感器实际产品(2/7),传感器实际产品(3/7),传感器实际产品(4/7),传感器实际产品(5/7),传感器实际产品(6/7),传感器实际产品(7/7),第二章 电阻传感器,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。,第二章 电阻式传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式等。,电阻传感器常用来测量位移、力、压力、应变、 扭矩和加速度等非电量。,2-1 电位器式传感器,电位器是一个机电传感元件，它作
2、为传感器可以将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。,第二章 电阻式传感器,一、电位器式传感器的种类,线绕电位器 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活 动触点）调节阻值大小。 特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输 出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受 到影响，分辨力也较低。 合成膜电位器 由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面 上形成电阻膜。 特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性 度在1%左右（经修刻后
3、，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声 较大。 金属膜电位器 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制 成。 特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率 小、阻值较低（1K2K）。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,导电塑料电位器 由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成。 特点：耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大；阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。 导电玻璃釉电位器 以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻
4、材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。 特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电阻大。,第二章 电阻式传感器,光电电位器 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作 基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电 极（鉻合金或银）。 图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，
5、输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。 特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会 对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿 命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于 它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着 不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重 要场合仍得到应用。,第二章 电阻式传感器,二、线绕电位器式传感器工作原理及结构,图2 线绕电位器结构图,图3 线绕电位器实物图,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,三、线性线绕电位
6、器电输出特性,图中：Vi电位器输入电压； V0电位器输出电压； R电位器总电阻； L电位器总行程； x电刷行程； r电刷行程x处对应电阻； b骨架宽度； h骨架高度； t线绕节距； RL负载电阻。,第二章 电阻式传感器,视在分辨力,负载误差,第二章 电阻式传感器,由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：,第二章 电阻式传感器,若令负载系数mR/RL，行程比Xr/R=x/L，则有,可见相对负载误差在x=1/2L处有极值。 （负载误差最大）,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,设一根长为l，截面积为S，电阻系数为的电阻丝，其电阻值R为：,导线两端受到力F作用时,第二章 电阻式传感器,将上式
7、取对数再微分，则引起电阻值变化dR：,因,，,由材料力学可知： （径向变化）,，式中,泊松比,表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。,敏感栅常用下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,电阻应变片的灵敏度系数定义为：,（电阻丝应变片存在横向效应）,第
8、二章 电阻式传感器,图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图,纵向应变 造成电阻增加，横向应变 造成电阻减少。,第二章 电阻式传感器,经推导得：,n直线部分栅丝的数目； n-1弯角部分的个数。,可见 ，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。,三、电阻应变片温度误差及补偿,理想情况下， ，即应变片的输出电阻是 应变的一元函数；但实际上应变片输出电阻还和温 度有关，即 。,第二章 电阻式传感器,温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：,第二章 电阻式传感器,（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。,（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同,产生附加变形而引起电阻的变化，
9、其电阻增量表达式为：,第二章 电阻式传感器,温度补偿的方法,（1）采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿的方法，使得敏感栅与试件热膨胀系数相似。 （2）电桥补偿法（电路实现）。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,每一个桥臂电阻变化均是两部分：一部分是应变引起的；另一部分是温度引起的。,若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化相互抵消，且不在电桥输出中反映。,第二章 电阻式传感器,半桥连接,第二章 电阻式传感器,差动半桥连接,第二章 电阻式传感器,RW,RW,全桥连接,四、应变片的主要参数,1、几何尺寸：敏感栅基长、基
10、宽、应变片的基底长 和基底宽； 2、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻 (常 用120)； 3、绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值； 4、允许工作电流：最大的工作电流。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,五、应用举例,举例1：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,第二章 电阻式传感器,举例2：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,第二章 电阻式传感器,举例3：力传感器测量电路,调整Rg使电路满量程输出为010V,举例4：电阻应变仪,第二章 电阻式传感
11、器,基于双桥平衡法的静态应变仪,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,2-3 压阻式传感器,压阻式传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成。,特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和 集成化。,半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器,力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器,一、半导体压阻效应,第二章 电阻式传感器,压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变 化，这种现象称为压阻效应。,所有材料在某种程度都呈现压阻效应，但在半导体材料中，这种效应特别显著。,第二章 电阻式传感器,金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变 阻值变化,半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子 空穴和
12、电子的迁移。,加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。,第二章 电阻式传感器,半导体的电阻率 与载流子数 之积成反比。,e 电子电荷量。,应力作用于半导体时，同时使 和 发生变化，变化的大小和方向取决于半导体的类型、载流子浓度以及作用于半导体某一晶向上的压力。,第二章 电阻式传感器,这样,第二章 电阻式传感器,金属电阻丝的相对灵敏度系数为：,代入得到：,金属应变片, 基本不变,金属应变片,半导体应变片 变化,半导体应变片,第二章 电阻式传感器,常用的单晶硅材料是各向异性的，取向不同时特性不一样。取向用晶向来表示。,晶向是晶面的法线方向，用密勒指数表示。,密勒指数是在晶体x、y、z 轴上晶面截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。,压阻系数随晶向不同而异，晶向不同，压阻效应也明显不同。对P型硅来说，111晶向的相对灵敏度系数K111达150，而100晶向的K100只有10左右。,第二章 电阻式传感器,二、压阻器件的特性,1、温度性能,压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。,对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方法进行补偿。,2、线性度,对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测量范围内）。,
