检测技术与海洋智能仪器：第6章 电参数型传感器

1、1 电参量检测装置中的传感器属于能量控制型传感器: 转换元件将被测量转化为电参量（电阻、电容、电感等），再由转换电路将电参量转换为电信号。 电阻式传感器就是将被测量转换为阻值。常用的有如下几种类型： 一、电阻应变式 二、压阻式 三、热电阻式 四、光敏电阻式第6章 电参数型传感器2一. 应变式传感器应变式电阻传感器. 1) 应变效应2) 应变效应的理论基础3) 电阻应变片的结构及工作方式4) 温度误差及其补偿应变式电阻传感器的应用.1) 力（荷重）传感器2) 应变式加速度传感器3) 应变式压力（压强）传感器3让我们来做个应变效应的实验Go!+- DC +6V +R A 实验一应变效应 因为：金属

2、导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起电阻的变化，进而引起电流的变化。 原理：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。K电流:大小施加力F?K接通时安培表指示安培表变化电阻：小大4应变效应的理论基础(1)1金属导体的 电阻定律(线材)2r A =r 2L其全微分： 给出了总电阻的相对变化量与其它三个量的相对变化的关系。 在力的作用下，L、A、均可发生变化，R 亦可发生变化。5应变效应的理论基础(2)2材料的泊松比 与 dL/L、dA/A 在力的作用下的相互关系由:得:压阻效应应变效应A =r

3、2定义：*可得电阻的相对变化与轴向(线)应变的关系应变效应的理论基础(3)3金属材料应变电阻效应 首先讨论金属材料电阻率的相对变化与体积的相对变化的关系。 俄国学者勃底特兹明通过实验发现：V 是体积，c 是一个与材料性质和加工方法有关的常数。 而 V = LA ，所以：则有：最后得到金属丝应变电阻效应的灵敏系数 Km ：*7应变效应的理论基础(4)4半导体材料的应变电阻效应史密斯等学者发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应，且满足： 单晶体的轴向应力x 单晶体的轴向应变E 弹性模量 单晶体的压阻系数(不是圆周率)= Ex (胡克定律)半导体材料的总电阻的相对变化与应变的关系为：最后得到半导体

4、应变电阻效应的灵敏系数 ：*8应变效应的理论基础(5)5讨论 由前面讨论的全微分公式可见，电阻相对变化由两部分引起：一部分是由于材料受力后几何尺寸变化(L,A变化，即应变)引起；另一部分是由于受力后电阻率发生变化而引起。 对于金属材料，一般0.3，121.6，以康铜为例C1，1-20.4，则Km2.0。显然，金属材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。 对于半导体材料E1+2，KsE，因此半导体材料的电阻变化主要基于压阻效应。以硅材料为例，=(48-80)10-11 m2/N，E=1.671011Pa，Ks=50100。可见半导体材料的应变灵敏系数要比金属材料的应变灵敏系数高出几十倍。9应变片的

5、基本结构及类型1、应变片的基本结构2、应变片的分类3、工程应用方法10应变片的基本结构 电阻应变片式传感器是目前用 于测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数最广泛的传感器之一。其基本结构与组成如左图示意。电阻丝(敏感栅)转换元件基底与面胶中间介质和绝缘作用盖层引线-连接测量导线之用11应变片的分类 按制造敏感栅的材料，电阻应变片可分为电阻应变片和半导体应变片两大类。按敏感栅的形状和制造工艺不同，金属电阻应变片又可分为丝式（金属丝绕成，应用最早）、箔式 和薄膜式（真空蒸发或真空沉淀方法形成金属电阻材料薄膜作为敏感栅，很有前途，但目前尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系）三种。其他常用应变片12箔

6、式应变片工艺： 它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；优点：敏感栅尺寸准确，线条均匀；其弯头横向效应可以忽略；可通过较大的电流；散热性好，寿命长；生产效率高；13其它常用应变片一14常用应变片二15常用应变片三16工程应用方法 应变片在使用时，用粘合剂粘在试件表面，用来测量试件表面的应变。粘贴时需使栅丝的轴线沿应变方向。应变方向应变片与试件的粘结试件应变片注：当试件的应变方向不单一时，要使用多片。17电阻应变片的特性（1）应变片的灵敏系数实际的应变片与单丝是不同的，灵敏系数必须通过实验重新测定。应变片的灵敏系数恒小于电阻丝的灵敏系数，其原因是在应变片中存在着横

7、向效应应变片的横向效应应变片的敏感栅除了有纵向丝栅外，还有圆弧型或直线型横栅。横栅既对纵向应变敏感，又对横向应变敏感18电阻应变片的特性（2）3. 温度误差电阻温度系数的影响。试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响。4. 温度补偿自补偿：采用特殊应变片可使温度变化时产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片为自补偿应变片。利用这种应变片实现温度补偿方法称为应变片自补偿。分单金属敏感栅自补偿和双金属敏感栅自补偿。双金属丝敏感栅自补偿：采用正负两种电阻丝串联组成敏感栅。桥路补偿法R1和RB为特性一致的应变片；R1为工作应变片，RB为补偿应变片，他们处于统一温度场，且仅工作应变片R1承受应变1920电

8、阻应变片的测量电路直流电桥平衡条件U0=U(R1/(R1+R2)-R3/(R3+R4)R1R4 = R2R3 ，电桥处于平衡状态21电阻应变片的测量电路不平衡直流电桥的工作原理及输出电压单臂电桥：R1为应变片，其他为固定电阻差动半桥：R1和R2为应变片，一个受拉，一个受压差动全桥：四个电阻都是应变片，R2,R4受拉；R2,R3受压非线性误差及其补偿原因：只有电阻变化远远小于电阻原值时，电桥的输出电压与应变成正比关系。如果，当应变片承受应变很大，或用半导体应变片测量应变时，电阻的相对变化很大，上述假设不成立，用线性关系刻度的仪表测量会带来误差。22应用实例力（荷重）传感器柱式1. 柱式力传感器（

9、柱的截面积为A）轴向应变。杨氏模量面积LFF电阻应变片23应用实例力（荷重）传感器柱式LFF电阻应变片思考一下：为什么要这么做？24力（荷重）传感器梁式 等截面梁式荷重传感器 一端固定，一端自由，厚度为h,长度L0 ，自由端力F 的作用点到应变片的距离为L ，该点的应力：LL0FbhR1R2R3R4 此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。由于全差动电桥，所以供桥电压输出电压25等应力梁式荷重传感器 应变式 力传感器 它适于测量500Kg以下的载荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片

10、易粘贴、灵敏度高等特点。26应变式加速度的基本结构 它是一种惯性式传感器。如右图由F=ma知，质量块m沿加速度a相反的方向运动（即相对于基座运动），使梁发生形变，应变片的电阻发生变化，产生输出信号，输出信号的大小与加速度成正比。27二. 压阻式传感器金属电阻应变片性能稳定，测量精度高，但其灵敏系数低。半导体应变片灵敏系数是金属应变片的几十倍，在微应变测量中有广泛应用 半导体压阻效应是指单晶半导体材料受到某一轴向作用力时，其电阻率发生变化的现象。28半导体电阻应变片的结构29半导体压阻式传感器结构30一、常用的几种金属热电阻1、铂电阻2、铜电阻3、其他热电阻二、热敏电阻 利用电阻率（电阻值）随温

11、度的变化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（简称热电阻）和半导体热敏电阻（简称热敏电阻）两大类。7.3.1 热电阻传感器31铂电阻的物理、化学性能比较稳定，因而在温度不是太高的工业测温领域应用比较广泛。在0630.74温度范围内，铂电阻的阻值与温度的关系：-1900温度范围内阻值与温度关系： 铂电阻铂电阻。；。任意温度时的阻值；、温度、式中4122730/1022.4/10847.5/1096847.3:0:CCCBCACtCCtRRtoooooo-=-=32Pt100分度表33 铂电阻的温度系数与其纯度有关，铂的纯度常用W(100)来表示，在精密测量时应给

12、与充分考虑。 关于铂电阻温度系数的说明时的电阻值。为温度在值；（水的沸点）时的电阻为温度在式中CRCRRRWoo0100,)100(01000100=而根据R0可分为46、50（Pt50）、100（Pt100）、300（Pt300）和1000等几档。；。；412273412273/ 1004.4/10851.5/1096851.3389.1)100(/ 1022.4/10847.5/1096847.3391.1)100(CCCBCAWCCCBCAWoooooo-=-=-=-=34铜 电 阻（1） 在对测量精度要求不太高，测温范围不大的情况下，可以使用铜电阻，以利于降低成本。是的电阻值；320

13、1CtBtAtRRt+ +=。；。任意温度温度为是的电阻值；温度为式中392730/10233.1/10133.2/1028899.4:0:CCCBCACtCRCtRtoooooo-=-=W铜(100)1.425，大于铂电阻。即灵敏度比铂电阻高，成本也低。在-50150的温度范围内铜电阻的阻值与温度的关系为：35铜 电 阻（2）36其他热电阻 镍和铁电阻的温度系数都较大，电阻率也较高，因此也适合作热电阻，但由于存在易氧化或非线性严重等缺点，所以这两种热电阻目前应用较少。 铂、铜热电阻不适合作低温和超低温测量。 近年来，一些新颖的测量低温领域的热电阻材料相继出现，如铟电阻、锰电阻、碳电阻等。37

14、热 敏 电 阻(1) 1热敏电阻的结构形式 热敏电阻是由一些金属氧化物按不同比例配方经高温烧结而成，或用半导体材料制成的。形状有很多种，如图所示。38热 敏 电 阻(2) 2热敏电阻的温度特性 热敏电阻的温度特性由三种类型 负电阻温度系数热敏电阻（NTC） 正电阻温度系数热敏电阻（PTC） 具有临界温度特性的热敏电阻（CTR），即在某个温度下（临界温度），电阻的阻值将会发生突变。 应该指出，由于热敏电阻的线性不好，现在已基本不再用来作温度测量使用了。但是由于成本的原因，在定点温度控制等场合中还有较大的应用市场。39热敏电阻热电特性与伏安特性40热电阻传感器应用A.金属热电阻传感器B.热敏电阻传

15、感器 1温度控制 2. 温度补偿41金属热电阻传感器应用工业上广泛采用金属热电阻进行温度测量，测量电路采用电桥电路。为了减小引线电阻带来的误差，工业用铂电阻的引线不是两根而是三根或四根，这就是三线制测量电路和四线制测量电路。42为什么要采用三线制或四线制测温？自热电阻：在用热电阻测量时，电阻要消耗一定的功率，产生热量，同样会造成电阻值变化，产生测量误差。要限制电流，不能超过6mA，减少自热；引线电阻：测温的热电阻，总得有连接导线，但由于热电阻本身的电阻值很小，所以引线电阻值及其变化就不能忽略。例如50欧姆的铂电阻，若导线电阻为1欧姆，则导线电阻不可忽略。43三线制测温电路三线制或四线制的引入是

16、为了消除热电阻的自热误差和引线误差缺点：可调电阻和电桥臂的电阻值相连，可能导致电桥的零点不稳44四线制测温四线制测温中，接触电阻的不稳定不会破坏电桥的平衡和正常工作状态4546热敏电阻传感器应用477.4.1 光敏电阻传感器光敏电阻是基于半导体内光电效应制成的光电器件，又称为光导管。它没有极性，是一个电阻器件。结构图：48光敏电阻工作原理 光照在半导体上，当光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带电子吸收光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，阻值降低。49光敏电阻优点光敏电阻优点： 灵敏度高，很好的光谱特性，体积小，重量轻，性能稳定。50光敏电阻主要参数暗电阻：室温条件下，光

17、敏电阻未受到光照时的阻值.暗电流：暗电阻电路中流过电流为暗电流。亮电阻、亮电流：光敏电阻在受到一定光强照射下的阻值为亮电阻，相应电路中流过的电流为亮电流。光电流：亮电流与暗电流的差值。51光敏电阻基本特性 伏安特性：在一定的光照下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系，称为伏安特性（图3.1.24） 光照特性：光电流与光通量或光照度之间的关系。光敏电阻的光照特性为非线性，所以不宜做检测元件，但可以做开关元件（图3.1.25） 光谱特性：光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系。也称为光谱响应（图3.1.26）52光敏电阻光谱特性这说明什么？53光敏电阻光照特性非线性限制应用54光敏电阻应用 光

18、敏电阻的光照特性为非线性。它不适合作检测元件，一般作为开关式传感器。防盗报警、火灾报警电器控制，人体红外报警器的控制，路灯的开启控制。光控闪烁安全警示灯作用：道路施工现场指示或高楼指示，红色指示灯。原理：CdS光敏电阻，V为双向晶闸管，它的触发电压经双向触发二极管VD2从电容C两端取得。C上的充电电压取决于R1和光敏电阻RL的分压值。白天，光敏电阻RL受自然光源的照射呈现低阻值，电容C两端的电压超不过双向触发二极管VD2的转折电压，双向晶闸管V因无触发电压而处于截止状态，警示灯E不亮。夜晚，环境自然光变暗，光敏电阻RL呈现高阻值，电容C通过VD2和R2放电，双向晶闸管获得足够的触发电流而导通，

19、警示灯E点亮。当电容C上的电压放电到一定程度时，双向触发二极管重新截止，双向晶闸管V失去触发电流在交流电过零时关断，警示灯熄灭。这之后，电容C又按上述过程反复充电、放电。光控闪烁安全警示灯-光敏电阻声控光敏延时开关作用：是一种用于楼梯、走廊、公厕等场合的照明开关。这种开关在白天呈关闭状态，在夜晚，只要有声响便可开启，延时30s后又自动关闭。原理：声控光敏延时开关电路中的光敏电阻RL在白天受光照射呈低阻状态，使半导体VT3导通，VT4、VT5截止，VT6导通，晶闸管VT7截止，灯泡E处于熄灭状态。由于VT3一直处于导通状态，因此，不论有什么声响，灯泡E都不会点亮。天黑时，光敏电阻无光照射，内阻增

20、大，使VT3处于截止状态，如无声响，则电路仍同白天相同。当有声响时（如人的脚步声），话筒B接受声响信号并转换为电信号，该信号经VT1、VT2放大后，使VT4导通，电源经VT4、VD2给电容C3迅速充电，并使VT5导通，VT6截止，触发晶闸管V7导通，点亮灯泡E。声响消失后，由于C3缓慢放电的作用，使VT5在延时约30s后转为截止状态，并使VT6导通，晶闸管又恢复截止状态，灯泡熄灭。声控光敏延时开关-光敏电阻温度传感器的再理解与应用 温度是一个和人们生活环境有密切关系的物理量，也是一个人们在科学试验和生产活动中需要控制的重要物理量，因此，在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。随着应用范围的不断扩大，人们对温度传感器的需求也会日益增高！温度传感器的选择 我们平时使用的各种材料和元件的性能，大都会随着温度的变化而变化，具有一定的温度效应，它们好像都能当做温度传感器使用。实际上并非如此，这是因为能获得实际应用价值的温度传感器，应具备许多条件，如测量范围宽、精度高、高可靠性、不需要校正、外形尺寸小、耐热、响应速度快、价格便宜并能大批量生产，等等。实际上，真正能同时满足以上所有条件的温度传感器是不存在的，在使用时，应根据不同的