自动检测技术第2章--电阻式传感器课件

1、 第一节 电阻应变式传感器第二节 固态压阻式传感器第三节 热电阻式传感器第四节 气敏电阻第五节 湿敏电阻第二章 电阻式传感器 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。测量电路 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。第一节 电阻应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，

2、将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小A（取负号）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为：式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示A/A为电阻丝的截面积相对变化量, 因 由材料力学, 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：式中: -材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 -材料的应变 所以：从上式中提出，得：材

3、料的灵敏度系数K0取决于两个因素：（1）材料几何尺寸的改变。（2）应变引起的电阻率改变。结论：金属材料主要受前者影响；非金属材料主要受后者影响！ K0为灵敏度系数单位应变能引起的电阻变化。二、电阻应变片的结构1.金属电阻应变片 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。2.半导体应变片体型薄膜型扩散型半导体应变片三、应变片的粘贴技术应变片的检查与选择试件的表面处理底层处理贴片固化粘贴质量检查引线焊接与组桥连接 四、测量电路 作用：将电阻的变化转换为电压输出。 (一) 直流电桥 空载电压： 直流电源U输

4、出电压R等效电阻：直流电桥交流电桥直流电桥平衡条件：等臂电桥输出对称电桥电源对称电桥1.直流电桥的电流输出 如果直流电桥带一个具有内阻Rg的负载,将输出电流Ig，电流输出电路及其等效电路: (E=U0) 由等效电路可求得Ig、Ug的一般表达式: *当阻抗匹配即Rg=R时,Ig、Ug表达式可简化为: 设R1为应变电阻，当电阻增加R时，由Ig简化算式： 得输出电流为：即（2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有（1）阻抗匹配的输出对称电桥（3）阻抗匹配的等臂电桥，有2.直流电桥的电压输出如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻Rg,输出电流Ig0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：对于输出对称电桥（右图

5、）即 对于电源对称电桥 对于等臂电桥 直流电桥实用电路等臂电桥全桥工作电路特征：四个电阻相同四个电阻全为应变电阻（两个被拉长，两个被压短）与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍！ (二) 交流电桥交流电桥采用正弦交流电源U，电源频率取被测应变频率的510倍。各桥臂采用应变片或定值精密无感电阻。 在频率较高时，必须考虑分布电容的影响。 如：Z1Z2 Z3Z4设正弦交流电源则输出交流电压交流电桥平衡条件：或（1）等臂电桥单臂应变情况下（2）等臂电桥双臂应变情况下(三) 电桥的线路补偿 1、零点补偿 对平衡位置（零点）的改变进行的补偿。 如果某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻

6、进行补偿，以满足电桥的初始平衡条件。补偿电阻2、温度补偿a.补偿片补偿b.热敏电阻补偿补偿应变片置于相同现场温度不受力受力工作应变片热敏电阻调零如图中R2、R4桥臂的总温度系数低,可采用高温度系数的RT进行补偿3、弹性模量补偿 弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。 对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿。温度补偿调零弹性模量补偿 分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的应变增大，测量电路输出会增大。 加上RE之后，由于RE升温增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温引起的输出增大。 五、电阻应变式传感器的应用（一）测力与称重传感器（二）压力传感

7、器 补偿片工作片膜片应变片插座（三）加速度传感器质量块应变梁应变片阻尼液密封垫接线板底座（四）位移传感器弹簧插头座应变片等宽悬臂梁调整螺钉顶杆第二节固态压阻式传感器 固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、体积小和便于批量生产等特点，因此得到了广泛的应用。由于它克服了半导体应变片存在的问题并能将电阻条、补偿线路、信号转换电路集成在一块硅片上，甚至将计算处理电路与传感器集成在一起，制成了智能型传感器，这是一种具有发展前途的传感器。设半导体材料的压阻系数为 ，材料受到的应力为，有一、固态压阻式传感器的工作原

8、理与结构对于半导体材料，其电阻率的变化为： 在弹性变形限度内，压阻效应是可逆的，当应力消失时，硅片的电阻会恢复原来数值。 注意：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同。二、压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器的结构如图所示。传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。膜片上的四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出的电压与膜片两边压力差成正比。三、压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器采用硅悬臂梁结构，在硅悬臂梁的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，扩散四个性能一致的电阻，如图所示。 当

9、悬臂梁自由端的质量块受外界加速度作用时，将感受到的加速度转变为惯性力，使悬臂梁受到弯矩作用，产生应力。这时硅梁上四个电阻条的阻值发生变化，使电桥产生不平衡，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。四、固态压阻式传感器的应用 在机械工业中，压阻式压力传感器可用于测量冷冻机、空调机、空气压缩机的压力和气流流速，以监测机器的工作状态。 在航空工业中，压阻式压力传感器用来测量飞机发动机的中心压力。在进行飞机风洞模型试验中，可以采用微型压阻式传感器安装在模型上，以取得准确的实验数据。 在兵器工业中，可用压阻式压力传感器测量枪炮膛内的压力，也可对爆炸压力及冲击波进行测量。 压阻式压力传感器还广泛用于医疗事业

10、中，目前已有各种微型传感器用来测量心血管、颅内、尿道、眼球内的压力。 随着微电子技术以及电子计算机的发展，固态压阻式传感器的应用将会越来越广泛。第三节热电阻式传感器一、热电阻 热电阻是利用导体的电阻率随温度而变化这一物理现象来测量温度的。几乎所有的物质都具有这一特性，但作为测温用的热电阻应该具有以下特性：）电阻值与温度变化具有良好的线性关系。）电阻温度系数大，便于精确测量。）电阻率高，热容量小，反应速度快。）在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质。）材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。 根据以上特性，最常用的材料是铂和铜，在低温测量中则使用铟、锰及碳等材料制成的热电阻。（一）铂电阻 铂易于

11、提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，因此用铂电阻作为复现温标的基准器。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可用下式表示：式中：为温度为时的电阻值；0 为温度为时的电阻值；、B、C为常数。（二）铜电阻 铂是贵重金属，因此在一些测量精度要求不高，测温范围较小的情况下，普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。 铜电阻的阻值与温度间的关系为：式中：为温度为时的电阻值；0为温度为时的电阻值；为温度为时的电阻温度系数。工业用热电阻温度计的结构如图所示。二、热敏电阻 热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件，其特

12、点是电阻率随温度而显著变化。热敏电阻因其电阻温度系数大、灵敏度高等特点得到广泛地应用。 热敏电阻的阻值与温度之间的关系可以用下式表示：式中：T为温度为时的电阻值；0 为温度为0时的电阻值；为常数，由材料、工艺及结构决定。热敏电阻的热电特性曲线和外形结构如图所示。三、热电阻式传感器的应用（一）热电阻温度计 通常工业测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响，常采用图示的三导线四分之一电桥电路。（二）热电阻式流量计（三）热敏电阻的应用1、半导体点温计2、热敏电阻用于热保护 利用热敏电阻可以对特定的温度进行监视，例如可以监测电机绕组的过热状态。将珠状阻

13、体装在电机绕组间，通过长导线引出，当电枢绕组温度过高时，就会发出警报或自动切断电源。3、液面位置传感器 用作液面位置传感器用的热敏电阻通以电流将引起自身发热。当处于两种不同介质中，电阻的散热条件不同，流过的电流也不同。通过电流表的指示可以反映液面的水平位置。4、热敏电阻湿度传感器下图是采用热敏电阻所制成的湿度计。 一、气敏电阻的工作原理 气敏电阻的材料是金属氧化物半导体, 当被气体吸附时这些材料的电阻率会发生变化，利用这个原理可以制成气敏元件和气敏传感器。通过电阻率变化监视气体浓度。主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。 金属氧化物半导体

14、分N型半导体（氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等）和P型半导体（氧化钴、 氧化铅、氧化铜、氧化镍等） 第四节 气敏电阻 气敏电阻的检测灵敏度受温度影响很大，在常温下输出信号微弱，升温后电导率变化明显。 提高对某些气体成分的选择性和灵敏度的方法：（1）渗入微量的铂、银、金等元素；（2）使用金属盐类催化剂。低温高温低温高温加热电路测量电路气敏元件注意：气敏元件要加温使用！ （一）氧化锡系气敏电阻 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, 在100300范围内电导率变化很大。二、常用气敏电阻SnO2加热丝兼电极2加热丝兼电极1SnO2加热丝引线2引线1电极1电极2SnO2薄膜电极1电极2加热1加热2

15、网罩电极1电极SnO2加热陶瓷座电线引脚整体结构（二）氧化锌系气敏电阻圆形绝缘基板ZnO涂层电极加热丝催化剂隔膜（三）氧化铁系气敏电阻r-Fe203加热丝r-Fe203双层网罩加热电极加热电极气敏元件电极三、气敏电阻的应用（一）气敏电阻检漏报警器预热开关工作开关气敏电阻气敏输出电压 检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压增大，V1触发V2，报警灯亮，音频振荡电路也自激振荡声音报警。（二）矿灯瓦斯报警器加热支路测量支路矿灯控制支路 检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1、V2导通，V3、V4振荡，报警灯闪烁。（三）一氧化碳报警器 检出CO气体时，气敏电阻RQ减小，V5、V6、V7导通，振荡电路振荡，声音报警。 +10V以上 -+5V加热支路 备用电源 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致其电阻率变化的特性制成的电阻元件。 湿度是指大气中的水蒸气含量, 通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。 第五节 湿敏电阻 绝对湿度是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量, 一般用符号AH表示。 相对湿度是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比, 一般用符号RH表示，是一个无量纲的量。 在实际使用中多使用相对湿度这一概念。一、半导体陶瓷湿敏元件 铬酸镁二氧化钛陶瓷湿敏元件是较常用的一种湿度传感器。它是多孔性半导体陶瓷。这种