传感器原理及应用习题

第四章 阻抗型传感器.1 电阻式传感器.1.1 电位器式传感器一、组成原理二、输入输出特性1线性特性线性电位器xLRxUx式中 L触点行程x触点位移 角 位 移线 位 移2非线性特性非线性电位器非线性函数)(fRxU三、结构形式2非接触式光电电位器 图 412（c）五、用途：测量位移；测量可转化为位移的其他非电量4.1.2 电阻式应变传感器和固态压阻式传感器一、电阻式应变传感器（一）电阻应变效应应变使电阻变化1应变：图 4-1-3 纵向线应变 ld/横向线应为 泊松比rldr/面应变 2/A体应变 )1(LlVd2导体电阻及其变化ALRdd)21(金属材料 )(cv半导体材料 压阻系数 E弹性模量Ed3应变效应表达式： 0KR（应变材料的灵敏系数）：00/K金属材料 约 1.0221)()21(0 c半导体材料 约 50100E（二）电阻应变片1、组成结构图 4-1-43、安装粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致）4、应变片灵敏系数应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比RK/yxkxxH)1(k试件表面纵向线应变 试件表面横向线应变xy)0(xy纵向灵敏系数， 横向灵敏系数xkyk横向效应系数xyH/应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数0)1(kHkxx5、温度误差的产生及危害1）温度误差产生原因 应变电阻随温度变化)(0tRt tRt0 tKRt0/试件材料与应变法的线膨胀系数不一致)1(0tlLsst)1(0tlLggttllsgstgt )(0tlsg02）温度误差的危害产生应变测量误差即“虚假视应变”温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为 ttksgt )( tksg)(二、固态压阻式传感器（一）半导体压阻效应应力 使半导体电阻率变化 d（二）固态电阻式传感器特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件，优点：无须粘贴，便于传感器的集成化缺点：易受温度影响。4.1.3 热电阻和热敏电阻一、热电阻金属电阻1电阻温度特性 （正温度特性）Rt近似公式： )1(320ctt 一般 故 近似线性32ct(0t电阻温度系数 百度电阻比：一般为 100、50 两种0R分度表温度 t 与电阻阻值 Rt 的对照数据表。2对热电阻材料的要求温度特性的线性度好温度系数大且稳定电阻率大物理化学性能稳定3常用热电阻W（100） 测温范围 价格 温度系数铂电阻 1.391 -200650 昂贵 高 低铜电阻 1.425 -50150 低廉 差 高二、热敏电阻半导体电阻1、 类型图 4-1-7 PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature coefficientNTC常用于温度测量和温度补偿PTC、CTC常用作开关元件2结构及符号图 4-1-83NTC 热敏电阻电阻温度特性)1(00TBeR因为 2/d )(1(020TBeRdT)2R所以 2/结论：1温度系数比热电阻大几十倍2非线性比热电阻严重伏安特性图 4-1-10 应根据允许功能确定电流4.1.4 气敏电阻一、工作原理半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化；接触氧化性气体，电阻接触还原性气体，电阻浓度越大，电阻变化越大用途：气体识别，浓度检测二、材料与组成1材料S nO2 应用最广2组成 气敏电阻体加热器 3电路符号 图 4117旁热式图 4117(a)(b)直热式图 4117(c)4.1.5 湿敏电阻一、氯化化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。二、半导瓷湿敏电阻特性的结构1湿敏特性 正特性 湿度电阻负特性 湿度电阻2典型结构 烧结型 正湿敏特性涂复膜型 负湿敏特性三、高分子膜湿敏电阻是采用人工合成的有机高分子膜作为湿敏材料的电阻式湿度传感器(1)碳湿敏电阻（2）聚苯乙烯磺酸锂湿敏电阻4.1.6 电阻传感器接口电路一、电桥电路（一）惠斯顿电桥 图-1-42、电桥开路输出电压：恒压源供电时 )(43214321 ZEZZEU恒流源供电时 )(4321I表 4-1-1 列出了这几种情况下电桥输出电压的计算公式。表 4-1-1 中 表示被测非电R量 x 引起的传感器电阻的变化， 表示温度引起的传感器电阻的变化，e 表示不考虑温TR度影响时的非线性误差。表 4-1-1 传感器电桥几种工作情况的对比传感器电桥的工作情况 恒压源供电 恒流源供电图 4-1-15(a) TRZ1432 RREUTT21412eR RRIUTT41)(414e图 4-1-15 (b) TRZ3142 REUTT21212e RRIUTT21)(21e图 4-1-15(c) TRZ1243 REUT0e RIUT20e图 4-1-15 (d) TRZ3142 REUT10e IU0e（iiiRZ）4,321当 时ii 43214E 4321RUe3、几点结论：1）由于温度引起的电阻变化是相同的，因此，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；2）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传感器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。4）恒流源供电时单臂电桥和差动半桥的温度误差都比恒压源供电时小，恒流源供电时差动全桥在理论上无温度误差。4、应变电桥将四个电阻应变片接入图 4114(a) 电路构成应变电桥。设这四个应变片的型号相同，粘贴处的应变分别为 因应变电阻的变化 ，故应变电桥的输出,32iiR电压近似为 43214RREU将（4119）式即 代入上式得),(,iki43214E例题 采用上下两个如图（b）所示的电位器式传感器，构成一个圆形电桥电路。随转动轴转动的绝缘连杆的两端装有电位器的滑臂且作为电压输出端。两电位器的连接端作为电桥电源端。设电位器的电阻为 R，其圆弧长为 L，圆弧半径为 r，即绝缘连杆长 2r。试导出电桥输出电压与转角的关系式。解：圆形电桥电路如图 T41 所示。其等效电路如图 4115(c)所示，图 T41 902)2( 0000 LrURRU测量范围为/（二）有源电桥电桥输出电压 U0与传感器电阻相对变化 成线性关系R图16(a) 02ER图16(b) 图16(c) 201UR图16(d) 2oSE二、分压电路将传感器电阻与负载电阻串连，通过测量负载电压也可测量引起传感器电阻变化的非电量。 图17 CLRLSU三、电阻电流转换电路将电阻传感器与电流表串连，通过测量流过传感器的电流来求得引起传感器电阻变化的非电量。图18电流表电流 湿敏电阻4213RVIxxRd校满电阻与 xmax%RH 对应的 Rx 相等。湿度R xI x注意：1不能使用电压表，因电压表内阻 r 很大，电压表读数为几乎不随湿度改变VrUxx 3321210 2湿敏电阻必须用交流式换向直流供电，不能用单向电流供电四、电阻频率转换电路将电阻传感器的电阻作为 RC 正弦振荡器或 RC 方波发生器中的电阻，通过测量产生的正弦波或方波频率或周期，就可测得引起传感器电阻变化的非电量。图19（a）为正弦型 21521)(CRfx图19(b)为方波型 12lnlnxxRTf21R.2 电容式传感器4.2.1 基本原理与结构类型4.2 电容式传感器4.2.1 原理与结构类型一、原理1平行平面电容单层介质 s极板覆盖面积dC多层介质 s212平行曲面形（同轴圆筒形）电容L覆盖长度)/ln(2rRC当 时，rRLrC2)(x0 时，ln x 展成 n 级数，取第一项， ，令 ，所以1lnxrrRrR)(2)/ln(1二、结构类型：变极距、变面积、变介质4.2.2 输入输出特性一、变极距型1、单一式图 4-2-1（a）初始时 00/dsc动极板上移 0001)(dcds2、差动式图 4-2-1（b） )1/(0sc/002drc/2121二、变面积型1 线位移式：单一式 图 4-2-2（a）初始时 dlbc00移动 后 l)1()(00lcl差动式 )1(0lc)(02l2角位移式（差动结构）扇形结构图 4-2-3（a）初始时 0202021 )()( drRdrRsc转动 后 )1()(2)( 001 cdrRc所以 )(02021柱面形结构 图 4-2-3（b） 公式同上三、变介质型（差动式） 图 4-2-4初始时 )(20021dlc介质（