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1、第第2 2章章 电阻式传感器及其信号调理电阻式传感器及其信号调理 2.1 2.1 电阻应变片电阻应变片 2.2 2.2 其它电阻式传感器其它电阻式传感器2.3 2.3 电阻式传感器的信号调理电阻式传感器的信号调理n电阻式传感器的基本原理是依据某种物理、化学或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量的电测量。n电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。n2.1 电阻应变片n2.1.1 电阻应变片的工作原理应变效应n电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应
2、变效应。n对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为n n两边进行微分运算，求得其电阻相对变化 图图2-1 2-1 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化n轴向线应变或纵向线应变n n面应变n n负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方向相反。n n综合得n2.1.2 电阻应变片的结构、种类n1 电阻应变片的结构n电阻应变片的结构如图所示，由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。图图2-2 2-2 金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 n2 电阻应变片的种类n按敏感栅的结构形式，金属电阻应变片可分为丝式、箔式、薄膜式等。图图2-3 2-3 金属应变片的结构形式金属
3、应变片的结构形式 n2.1.3 电阻应变片的主要特性n1 灵敏系数n灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比。n电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系数是不相同的,原因：(1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。(2) 栅丝沿长度方向承受纵向应变时，应变片弯角部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使应变片的灵敏度下降。n2 横向效应n横向效应：沿应变片轴向的应变 必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变 也会引起其电阻的相对变化。n3 机械滞后，零漂及蠕变n应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的温度下，
4、在零到某一指定应变之间的应变范围内，作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象称为应变片的机械滞后。n产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和基底在承受机械应变后都留有残余变形。n零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移。n蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化。n在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测
5、量时其意义突出。n4 温度效应n环境温度变化时，会引起粘贴到试件上的电阻应变片阻值的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变，即产生了虚假应变，这种现象称为温度效应。n温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。n5 应变极限n指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定此差值为10，即指示应变数值为真实应变的90时的真实应变值称为应变片的极限。n6 电阻应变片的动态响应特性n动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度V与声波相同。图图2-4 2-4 应变波应变波 n2.1.4
6、电阻应变片的粘贴技术n应变片的粘贴步骤如下：n(1) 应变片的检查与选择。n(2) 试件的表面处理。n(3) 底层处理。n(4) 贴片。n(5) 固化。n(6) 粘贴质量检查。n(7) 引线焊接与组桥连线。 n2.1.5 电阻应变片的典型应用举例n电阻应变片主要有以下两种应用方式：n1) 被测量为应变n2) 被测量为除应变外的其他非电量n力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固支梁等结构型式的敏感器转换为应变。n如图2-5所示为实心轴，通过材料力学知识的推导，可得轴向应变和径向应变分别为 图图2-5 2-5 实心轴力敏感器实心轴力敏感器 图2-6所示为采用实心轴力敏感器的电阻应变式力传感器，是
7、通过将应变片粘贴到受力的实心轴力敏感器上而构成的。 图图2-6 2-6 应变式力传感器示意图应变式力传感器示意图 n2.2 其它电阻式传感器n2.2.1 压阻式传感器n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”。 n设E为半导体材料的弹性模量n n同样，由电阻定律表达式可推出半导体材料压阻效应的定量表达式n n对于半导体材料 ，因此n依据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片，制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。n压阻式传感器的优点是：灵敏
8、度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；元件有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度与直线加速度。n压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。n2.2.2 热电阻n利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器，按采用的电阻材料可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。n制作温度敏感元件的电阻材料要满足以下要求：要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；电阻率大，以便在同样灵敏度下减小元件尺寸；电阻温度系数要保持单值，并且最好是常数，以保证电阻随温度变化的线性关系；性能要稳定，在电阻的使用范围内，其物理、化学性能基本保持不变。n
9、广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。 n1 铂热电阻传感特性n铂易于提纯，复制性好；n在氧化性介质中，甚至高温下，其物理化学性质极其稳定；n但在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变了它的电阻与温度的关系。n铂电阻温度计的使用范围是-200-850。n铂热电阻已经标准化,常用分度号为PT100n当温度在-200-0范围内时，铂热电阻和温度的关系为 当温度在0-850范围内时，铂热电阻和温度的关系为 n式中 t 摄氏温标下的温度值；Rtt时的阻值；R00时的阻值；A常数， B常数，C常数，n2 铜热电阻传感特性n铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，
10、价格低，而且易于提纯；n但存在着电阻率小，机械强度差等弱点。n铜热电阻已经标准化,常用分度号为0n铜热电阻在-50150的使用范围内，其电阻值与温度的关系近似线性关系，可表示为式中 Rt温度为t时的阻值；R0温度为0时的阻值；电阻温度系数，图图2-92-9热电阻的结构热电阻的结构 3 热电阻的结构热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体主要组成部分为电阻丝、引出线、骨架等。n2.2.3 热敏电阻n热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。1 传感特性n热敏电阻可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻、临界温度系数CTR型热敏电阻三种。图图2-1
11、1 2-11 热敏电阻的传感特性热敏电阻的传感特性 n2 伏安特性n静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。图图2-12 2-12 热敏电阻的伏安特性热敏电阻的伏安特性 n3 主要参数n（1）标称电阻值RHn（2）耗散系数n（3）电阻温度系数n（4）热容n（5）能量灵敏度n（6）时间常数n（7）额定功率n热敏电阻有以下优点：n灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大，一般是金属的十几倍；n体积小、热惯性小、结构简单。可根据不同要求，制成各种形状；n化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，寿命长。n热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重。图图2-13 2-13 利
12、用热敏电阻测量流量利用热敏电阻测量流量 n2.2.4 气敏电阻n半导体气敏电阻是用氧化锌、氧化锡等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。n1 基本结构n直热式气敏电阻元件制作工艺简单、成本低、功耗小，可在较高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。 图图2-14 2-14 直热式气敏电阻直热式气敏电阻 n2 工作原理n烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。图图2-152-15半导体气敏电阻的传感特性示意图半导体气敏电阻的传感特性示意图n光敏电阻n1 传感原理内光电效应n光敏电阻的阻值与其受到的光的照度有关。无光照时，光敏电阻阻值很高，有光照时，其
13、阻值大大下降，光照越强其阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。其依据是半导体材料所具有的光电导效应。图图2-16 2-16 内光电效应示意图内光电效应示意图n2 光敏电阻的种类n(1) 检测紫外光的光敏电阻n(2) 检测可见光的光敏电阻n(3) 检测红外光的光敏电阻n3 光敏电阻的基本特性n(1)光谱特性n光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图图2-17 2-17 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性n（2） 光照特性n光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。图图2-18 2-18 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性n(3) 伏安特性n光敏电阻的
14、伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。图图2-19 2-19 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性n（4) 频率特性n频率特性指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。 图图2-20 2-20 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 n(5) 温度特性n温度特性指光敏电阻工作特性受温度的影响。图图2-21 2-21 光敏电阻的温度特性光敏电阻的温度特性 n2.2.6 磁敏电阻n磁敏电阻的阻值随磁场强度的变化而变化。图图2-22 InSb2-22 InSb磁敏电阻的基本结构磁敏电阻的基本结构 图图2-23 InSb2-23 InSb磁敏电阻的特性曲线磁敏电阻的特性曲
15、线为提高磁敏电阻的阻值，往往采用曲折型结构图图2-24 2-24 曲折型结构磁敏电阻曲折型结构磁敏电阻磁敏电阻直接测量的非电量是磁感应强度。若某种非电量能够借助敏感元件转换为磁感应强度，则也可用磁敏电阻完成该非电量的检测。例如，可采用磁敏电阻检测位移、角度、电流、电功率等。n2.3 电阻式传感器的信号调理n2.3.1 惠斯登电桥n1 直流电桥与交流电桥n在人工静态应变测量中可采用平衡电桥，通过对调节臂电阻的手动调节，使电桥达到平衡，用调节臂电阻的阻值表示被测应变值。n电桥有直流电桥与交流电桥之分。n2 直流电桥n 时，称为等臂电桥；n ， ( )时，称为输出对称电桥。n ， ( )时，称为电源
16、对称电桥。n电桥输出电压为n电桥平衡条件为图图2-262-26单臂工作电桥单臂工作电桥图图2-27 2-27 双臂电桥双臂电桥图图2-28 2-28 四壁电桥四壁电桥n3 3 交流电桥交流电桥n交流电桥的一般形式如图交流电桥的一般形式如图2-302-30所示。所示。图图2-30 2-30 交流电桥的一般形式交流电桥的一般形式 与分析直流电桥的分析方法、结论表达形式完全相同。同理也可推出交流供电的单臂、全桥时的表达式。交流电桥初始调平衡更为复杂些，一般既有电阻预调平衡，也有电容预调平衡。n2.3.2 测量放大电路n1 实际运算放大电路分析n目前集成运算放大器在开环增益和输入电阻上大多可以接近理想
17、运算放大器。在一般放大电路的设计中采用虚短和虚断的概念是允许的。n对于交流放大电路，主要关心的是交流信号的幅值。多级放大电路的各级之间一般有隔直措施，此时主要关注的是电路的频率特性。图图2-31 2-31 输入电流的影响分析输入电流的影响分析理想运算放大器两输入端的输入电流为零，实际运算放大器两输入端的输入电流却不可能为零。图图2-32 2-32 改进的反相和同相放大器改进的反相和同相放大器图图2-33 2-33 输入失调电压影响分析输入失调电压影响分析对差动输入放大器进行讨论。输出电压中存在一个数值为ZfZ1(Ui+-Ui-)的项，该项正比于差分输入信号，是差动放大器期望的输出结果。但是在输
18、出结果中还存在始终等于同相输入Ui+的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈非线性关系。n图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚断的概念，得到Uo的表达式为n令Z2Z1，Z3=Zf n输出与差分输入之间的线性关系。图图2-34 2-34 差动放大器的标准设计差动放大器的标准设计n2 测量放大电路的基本要求与类型n基本要求：n输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；n稳定的放大倍数；n低噪声；n低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；n足够的带宽和转换速率(无畸变地放大瞬态信号)；n高共模输入范围(如达几百伏)和高共模抑制比；n可调的闭环增益；n线性度好、精度高；n成本低。 n按测量放大电路
19、的结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。n3 典型测量放大电路的工作原理n当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出信号弱、输出阻抗大时，一般运放已不能胜任，在这种情况下可用仪器放大器对差值信号进行放大。n仪器放大器输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比高，适于在高共模电压的背景下对微小差值信号进行放大。n（1）仪器放大器的工作原理n图是仪器放大器的原理图。由运算放大器A1和A2构成第1级，由运放A3构成第级。各运放一般是高性能放大器。图图2-
20、35 2-35 三运放仪器放大器原理图三运放仪器放大器原理图n4 单片集成测量放大器n近年来，利用线性集成电路先进工艺而设计制成的单片集成测量放大器。图图2-36 AD6122-36 AD612集成测量放大器内部电路结构集成测量放大器内部电路结构图图2-37 AD6122-37 AD612集成测量放大器和测量电桥的接线图集成测量放大器和测量电桥的接线图图图2-38 AD521R2-38 AD521R、S S端的连接端的连接a)a)接有远距离负载接有远距离负载 b) b)输出端接有跟随器输出端接有跟随器n2.3.3 多功能传感信号调理电路AD693nAD693是ADI公司推出的一种单片信号调理器
21、，它具有高精度、多功能的特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活；n可用做小信号U/I转换器，还可作为各种传感器(例如铂热电阻、热电偶、电阻应变片测量电桥)的信号调理器。nAD693适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。nAD693的同类产品为AD694，AD694适合接收高电平输入信号，但芯片内部没有备用放大器。n1 AD693的性能特点n内含可编程输入放大器、U/I转换器和多路输出式基准电压源。n输出电流有三种形式：4mA20mA(单极性)，020mA(单极性)，12mA8mA(双极性)。n输入电压范围和电流零点均可单独调节，二者互不影响。用户可根据需要灵活设计输入电压范围。n高精
22、度。n利用芯片中的备用放大器，可对由铂热电阻(PRTD)、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生的信号进行调理(包括缓冲、放大、与其他信号进行组合等)。n带Ptl00型PRTD接口，配铂热电阻时的测温误差为0.5。n利用外部电阻可选配不同类型的热电偶并设定最高测量温度。n具有过电流保护和反向过电压保护功能。nAD693通常由环路电源供电，特殊情况下也可由本地电源单独供电。n2 AD693的工作原理nAD693采用DIP20陶瓷封装或LCCC20扁平封装，其引脚排列及内部电路框图如图2-39所示。n（1）可编程输入放大器n输入放大器有两个作用，一是进行缓冲放大，二是用来设定输入电压范围。图图2-39
23、AD6932-39 AD693的引脚排列及内部电路框图的引脚排列及内部电路框图（a a） (b) (c) (d) (b) (c) (d)图图2-40 2-40 设定不同输入电压范围的设定不同输入电压范围的4 4种电路种电路n电路如(a)图所示，当P1、P2端开路时，Al的电压增益Kv=2倍。这又可分为以下两种情况：对应于4mA20mA输出电流范围，输入电压范围UI=060mV：对应于020mA输出电流范围，UI=075mV。n电路如(b)图所示，将P1、P2端短路时，Kv=1倍。当输入60mV电压时，可得到满度为20mA的电流范围。n电路如(c)图所示，在P1与6.2V REF引脚之间接上外部
24、增益电阻RGl，可设定小于30mV的输入电压范围。假定用户所期望的输入电压最大值为S，利用下式可计算出RGl的电阻值：n电路如(d)图所示，在P1、P2之间接上增益电阻RG2，可将输入电压最大值设定在30mV60mV之间。RG2的电阻值由下式确定：n n一般要RG2200。n（2）U/I转换器nU/I转换器属于跨导放大器，U/I转换器内部还有一个限流比较器，能将环路电流限制在25mA以下。n（3）基准电压及精密分压器n芯片内部有高稳定度的带隙基准电压源和经过激光修正的精密电阻分压器。利用基准电压源可为U/I转换器提供偏置电压，用来调节输出电流的零点，还可用做外部传感器的激励。校准偏置电流的电路如图2-41所示：图图2-41 2-41 校准偏置电流的电路校准偏置电流的电路校准12mA偏置电流时，Rzl，Rz2的计算公式分别为n（4）备用放大器及输出级n备用放大器(A2)是专为扩展AD693的功能而设置的一个辅助放大器，可对传感信号进行U/I转换或T/I转换，把被测量(电压，温度等)转换成4mA20mA的电流信号，以便于远距离传输。
