L06传感器(基础,电阻)整理完.ppt

自动检测技术及仪表,Test & Measurement Technology and Automatic Instrumentation,CISTBUCT 2011,第部分 基础知识,第二章 检测元件 与检测技术,传感技术基础原理 电阻型检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件的分类、命名和表示 传感技术 自然规律、基础效应,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是指传感器中能直接感受（或响应）被 测量对象的部分。 在完成非电量到电量的变换时，并非所有的非电 量都能利用现有手段直接转换成电量，往往是将 被测量先变换为另一种易于变成电量的非电量， 然后再转换成电量。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 检测元件是仪表、检测系统的关键，决定了可测参数、被测量的可测范围、测量准确度、仪表的使用条件等。 敏感性：对被测量的敏感性 适用范围：环境温度、压力、外加电源等 测量范围：被测量不超过敏感元件规定的测量范围 输出特性：输出与被测量之间有明确的单调关系 其它：价格、易复制性、安全性、易安装等,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 特性,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 按转换原理分类 按输出信号的形式分类 按输入和输出的特性分类 按能量转换的方式分类 按材料分类,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输入量（被测对象）分类 物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器 物理量传感器又可分为：温度传感器、压力传感器、 位移传感器、 等等。 这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测 对象选择所需要的传感器。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 利用机械构件（如金属膜片等）在动力场或电磁场的 作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应 的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动 定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器 复合型传感器,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律，如虎克定律、欧姆 定律等）来实现非电量转换的。 它是以半导体、电介质、铁电 体等作为敏感材料的固态器件。 复合型传感器,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器 由结构型传感器和物性型传 感器组合而成的，兼有两者 的特征。例如，电阻式、电 感式、电容式、压电式、光 电式、热敏、气敏、湿敏、 磁敏传感器等等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按转换原理分类 结构型传感器 物性型传感器 复合型传感器 这种分类方法清楚地指明了传感器的原理，便于学习 和研究。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按能量转换的方式分类 有源型和无源型 有源型：也称能量转换型或发电型，它把非电量直接 变成电压量、电流量、电荷量等，如磁电式、压电式、 光电池、热电偶等。 无源型：也称能量控制型、能量传输型或参数型，它 把非电量变成电抗（电阻、电容、电感）等，或将被 测电量传输至检测装置。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按输出信号的形式分类 开关式、 模拟式和数字式 按输入和输出的特性分类 线性和非线性,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 无机材料检测元件 半导体材料检测元件 陶瓷材料检测元件 高分子材料检测元件 纳米材料检测元件 智能材料检测元件,检测元件 无机材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 半导体检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 陶瓷材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 高分子材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 纳米材料检测元件 气敏材料,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件 智能材料检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件 记忆合金 压电材料,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的分类 按材料分类 智能材料检测元件 记忆合金 压电材料 光纤传感器 MEMS/MOEMS,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 国标 GB7666 由“主题词四级修饰语”组成，即主题词传感器。 一级修饰语被测量， 包括修饰被测量的定语。 二级修饰语转换原理， 一般可后续以“式”字。 三级修饰语特征描述，指必须强调的传感器结构、性能、材料特征、敏感元件以及其它必要的性能特征，一般可后续以“型”字。 四级修饰语主要技术指标，如量程、精确度、灵敏度范围等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在有关传感器的统计报表、图书检索及计算机文字 处理等场合，传感器名称应采用正序排列。 传感器一级修饰语二级修饰语三级修饰语 四级修饰语。 示例：“传感器、位移、应变计式、100 mm”,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 在技术文件、产品说明书、学术论文、教材、书刊 等的陈述句中，传感器名称应采用反序排列 四级修饰语三级修饰语二级修饰语一级修饰 语传感器 示例：“100mm应变计式位移传感器” “100160dB电容式声压传感器”,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的命名 运用命名法时应注意 使用场合不同，修饰语的排序亦不同 传感器（主称） 四级修饰语组成全称。 在实际运用中，可根据产品具体情况省略任何一级 修饰语。但国标规定，传感器作为商品出售时，第 一级修饰语不得省略。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 从电路角度考虑，敏感元件就是信号(或信息)源。 对于大多数传感器，它都可以用具有两端口或四端口特征的电气元件足够精确地进行描述。,M&T,AI 检测元件与检测技术,检测元件的表示 与传统的信息技术中常见的两端口或四端口元件相比，唯一的区别是敏感元件的特性依赖于物理的或化学的环境变量。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则 基础效应 热电效应、光磁电效应、磁效应、压电效应、应变 效应、电涡流效应、超导效应、集肤效应、多普勒 效应、物理现象等,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 守恒定律 包括能量、动量、电荷量等守恒定律。 这些定律是分析、研制新型传感 器时必须严格遵守的基本法则。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 场的定律 动力场的运动定律、电磁场的感应定律等，其作 用与物体在空间的位置及分布状态有关。 一般可由物理方程给出，这些方程可作为许多传 感器工作的数学模型。例如，利用静电场制成的 电容式传感器，利用电磁感应定律可制成的电感 （自感或互感）式传感器等等。 利用场的定律制成，可统称为结构型传感器。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 物质定律 表示各种物质本身内在性质的定律（如虎克定律、 欧姆定律），通常以这种物质所固有的物理常数 加以描述，其大小决定着传感器的主要性能。 半导体物质法则：压阻、热阻、光阻、湿阻等效 应，可分别制成压敏、热敏、光敏、湿敏等传感 器件； 压电晶体物质法则：压电效应，可制成压电式传 感器等等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 自然规律 统计法则 将微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这 些法则常常与传感器的工作状态有关。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 热电效应 塞贝克效应：热电势（温度电），热电偶 珀尔帖效应：接触电势（温度电），半导体制冷 汤姆逊效应：温差电势（温差电） 热电子发射效应：热电子，红外成像,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光电子发射效应：外光电效应 （光电），光电二极管、光 电倍增管及紫外线传感器等。 光电导效应：内光电效应（光 电阻），光敏电阻。 光伏特效应：内光电效应（光 电），光电池、光敏二极管、 光敏三极管和光敏晶闸管等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 光的热电效应：热释电（热电），红外人体传感器 塞曼效应：光通过磁场时光 谱离散（光磁光谱） 拉曼效应：单色光照射物质 时发出不同光谱（光光） 泡克尔斯效应：光通过压电 晶体时分成正常和异常光线 （光电光）,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 光磁电效应 克尔效应：光通过各种同性物质并在垂直方向加 电压时分成正常和异常光线（光电光） 法拉第效应：线偏振光通过磁性物质时偏振面旋 转（光磁电）,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 磁效应 霍尔效应：电流流过导体并在与电流垂直的方向加 磁场时在垂直方向产生电势的现象（磁电电）， 磁敏二极管、磁敏三极管等。 磁阻效应：导体在磁场中电阻 增加的现象（磁电电阻）， 磁敏电阻、磁头等。 磁致伸缩效应：强磁体加磁 场时产生变形（磁机械）,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 压电效应 压电效应是指强介质加压力时的极化现象，可产 生电位差（压力电），超声波换能器。 多普勒效应 当声源、光源及微波等波源与观测者之间有相对 运动时，观测到的频率发生谱移的现象 （运动频率）,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应 物理现象 热传导现象：热力学第一定律（热物性），热 敏电阻气体传感器、干湿球湿度传感器等。 热辐射现象：物体温度升高时产生光（电磁波） 辐射的现象（温度光），辐射高温计、红外探 测等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,传感技术基础 基础效应,第部分 基础知识,第二章 检测元件 与检测技术,传感技术基础原理 电阻型检测元件,M&T,AI 检测元件与检测技术,在传感器中，有一大类是通过电阻参数变化来实现非电量测量的目的。它们统称为电阻式传感器。 各种电阻材料，受被测量的作用，将产生电阻参数的变化。 位移、应变、压力、光、热等 电阻式传感器 电位计式、热电阻式、应变式、压阻式和光电式等,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻式检测元件 电阻是介质阻挡电流流动能力的大小。电阻的单位是欧姆，用符号“”表示。 电阻是一个线性元件。 通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电流与电阻两端的电压成正比 即它是符合欧姆定律：,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻式检测元件 一段长为 l（m），截面积为 A（mm2），电阻率 为 （mm2m-1）的导体（如金属丝），其电阻 为 电阻式检测元件分类 变 l 型 位移 变 型 温度、成份等 变 (l, A, ) 型 应变,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 电位器 线位移 角位移,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 电位器 当 A 恒定时， 与 l 为线性关系 适合于较大位移的测量 应用 电力传输线的故障检测 电阻触摸屏,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 热电阻 纯金属具有正的温度系数，可以作为测温元件 作为测温用的热电阻应具有下列要求 电阻温度系数大，以获得较高的灵敏度； 电阻率高，元件尺寸可以小； 电阻值随温度变化尽量是线性关系； 在测温范围内，物理、化学性能稳定； 材料质纯、加工方便和价格便宜等。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 热电阻 铂、铜、铁和镍是常用的热电阻材料,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 热电阻 金属热电阻 半导体材料的电阻率也随温度变化而变化。用半导体 材料制成的测温元件称为“热敏电阻”。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 热电阻 标称值 Pt100，0时电阻值为100 Cu50，0时电阻值为50 Cu100，0时电阻值为100 温度系数 响应时间 一般铂热电阻的时间常数为几秒至几十秒,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属材料的应变电阻效应 1856 年，英国物理学家发现金属丝的电阻随它所受机械变形（拉伸或压缩）的大小发生变化即电阻的应变效应。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属材料的应变电阻效应 应力（stress） 连续体内部截面的一侧施于另一侧上单位面积的作用力。 应力矢量沿它所作用的微元平面的法向投影称为法向应力或正应力。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属材料的应变电阻效应 应变（strain） 连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。 三种最简单的应变 线应变 即物体内任一点处单位长度的长度增加量。线应变又称为相对伸长； 角应变 体应变,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属材料的应变电阻效应 应变（strain） 连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。 三种最简单的应变 线应变 角应变 即物体内任一点处两互相垂直方向的角度减小量。角应变又称为切应变或剪切应变。 体应变,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属材料的应变电阻效应 应变（strain） 连续体在体内应力作用下发生的形状和大小的相对变化。 三种最简单的应变 线应变 角应变 体应变 即物体内任一点处单位体积的体积增加量；,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝的应变电阻效应 当它受到轴向力 F 拉伸或压缩时，其 A、l、 均发生变化，导体的电阻也随之发生变化 令 x = dl/l 导体轴向 应变，y = dr/r 导体 径向应变。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝的应变电阻效应 由材料力学知道，在金属丝弹性范围内，沿其长度方向拉伸时，轴向应力 x 与径向应力 y 之间存在关系 y = x 勃底特兹明（）通过试验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有关系 d/ = CdV/V 金属材料电阻率的相对变化与应力的关系,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝的应变电阻效应 金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是金属材料的应变效应。 Km 称为金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数) 金属丝材料的应变电阻效应以尺寸变化为主，一般 Km = 1.84.8,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂 敏感栅通常是由轴向纵栅（检测应变方向） 和圆弧横栅两部分组成。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 敏感栅、基底、引线、盖片、粘合剂,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 横向效应和横向效应系数 H,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 横向效应和横向效应系数 H 应变片承受单向应力时，其表面处于平面应变状态中， 即轴向（拉伸）和横向（收缩），其纵栅和横栅各自 主要感受横向应变和轴向应变，从而引起应变片总电 阻的变化。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 横向效应和横向效应系数 H 在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。应变片即感受轴向应变，又同时受横向应变影响使灵敏系数及相对电阻比都减少的现象，称 为横向效应。 = y/x 双向应变比，H = Ky/Kx 双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 温度效应 应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。 上式为应变片（无应力作用时）的温度效应；用应变形式表示，称为相对的热输出，即,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 金属丝电阻应变片 温度效应 应变片电阻相对变化与其材料的电阻温度系数、线膨胀系数有关，由温度变化引起的应变片电阻变化的现象。 热输出 前部分为热阻效应所造成，后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 半导体材料的应变电阻效应 史密斯(C. S. Smith)等学者很早就发现，对半导体施加应力时，半导体的电阻率会发生改变，这种现象称为压阻效应。 半导体压阻效应一个很重要的特点 是效应的各向异性。 当单晶硅受到一定的应力时，其电 阻率随应力变化具有线性关系。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的静态特性 灵敏系数（灵敏度指标） 横向效应和横向效应系数 H 机械滞后 蠕变和零漂 应变极限 频率响应（工作频率） 响应时间（时间常数） 疲劳寿命 N,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的静态特性 蠕变和零漂 应变片在恒温恒载条件下，输入信号恒定时，应变片指示应变值随时间单向变化的特性称为蠕变。 试件空载（无输入信号）时，应变片指示应变值仍随时间变化的现象称为零漂。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的静态特性 应变极限 应变片的线性特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。在恒温条件下，使非线性误差达到 10% 时的真实应变值，称为应变极限 lim。,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的静态特性 疲劳寿命 N 疲劳寿命 N 是指粘贴在试件上的应变片，在恒幅交变应力作用下，连续工作直至疲劳损坏时的循环次数。 疲劳寿命和应变片的取材、工艺和焊接、粘贴质量等因素有关，一般要求 N = 105107 次。,M&T,AI 检测元件与检测技术,静态与动态特性,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自补偿应变片 - 双丝自补偿应变片 桥路补偿法,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自补偿应变片 - 双丝自补偿应变片 桥路补偿法,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件 应变片的热输出补偿方法 热输出的补偿方法就是消除 t 对测量应变的干扰。 温度自补偿法 通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 - 单丝自补偿应变片 - 双丝自补偿应变片 只能在选定的试件上使用 桥路补偿法,M&T,AI 检测元件与检测技术,电阻型检测元件