检测技术及传感器电阻电容

1、检测技术及传感器电阻电容第1页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术检测元件的基本概念、分类方法传感技术自然规律守恒定律、场的定律、物质定律、统计法则基础效应检测仪表的一般信号变换结构简单变换、差动变换、参比变换、平衡变换反馈变换第2页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四第部分基础知识第二章检测元件与检测技术电阻型检测元件电容型检测元件第3页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

2、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、压阻式和光电式等第4页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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：第5页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

3、式检测元件分类变 l 型 位移变 型 温度、成份等变 (l, A, ) 型 应变第6页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第7页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第8页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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，

4、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。第9页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第10页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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”。第11页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件热电

5、阻标称值Pt100，0时电阻值为100Cu50，0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第12页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。2rl2(r-dr)l+dlFF第13页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

6、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。pFFN连续体SFNS上所受的合力PN=FN /S第14页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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；角应变体应变第15页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

7、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。体应变第16页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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；第17页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

8、令 x = dl/l 导体轴向应变，y = dr/r 导体径向应变。2rl2(r-dr)l+dlFF第18页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第19页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

9、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第20页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。盖片敏感栅金属丝基底引线第21页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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、粘合剂第22页，共75页，

10、2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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纵栅 l0横栅 r横栅 ry 横向应变yxx轴向应变xxyyry第23页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。第24页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件金属

11、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。第25页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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，即第26页，共75页，

12、2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。第27页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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

13、阻率随应力变化具有线性关系。第28页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第29页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。第30页，共75页，2022年，5月

14、20日，5点50分，星期四M&T,I 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。第31页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。第32页，共75页，2022年，5月20日，5点50

15、分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术静态与动态特性第33页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第34页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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-

16、双丝自补偿应变片桥路补偿法第35页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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第36页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。温度自补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿- 双丝半桥式- 补偿块法

17、第37页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 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。温度自补偿法桥路补偿法利用电桥的两边臂上电压和、差原理来达到补偿- 双丝半桥式- 补偿块法DdP第38页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用不仅取决于应变计本身的质量, 而且取决于应变计的正确使用。压力检测中，视其弹性体的结构形式分为单一式：应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。组合式：由受压弹性元件（膜片、膜盒或波纹管）和应变弹性元件组合而成。第3

18、9页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用组合式第40页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用应用和测量范围广。用应变计可制成测量各种机械量传感器，如：力传感器（可测 10-2107 N），压力传感器（可测 103108 Pa），加速度传感器（可测 103 m/s2）分辨率和灵敏度高。半导体应变计灵敏度达几十mV/N；精度达 13%，高精度达 0.10.01%。结构小、使用方便。第41页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I

19、检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用第42页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用第43页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电阻型检测元件应变片的应用标称阻值，应变片在常温（20）常压（1个大气压）时的阻值。一般情况选用 120 阻值；为提高灵敏度，应采用较高的供桥电压和较小的工作电流，则选用较高的标称阻值，如：350、500 或 1000 阻值。第44页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四第部分基础知识第二章检测元件与检测技术电阻型检测元件电容型

20、检测元件第45页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。第46页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件导体的电容对孤立带电导体来说，它的电势 U（孤立导体的电势）和所带的电量 q 的大小成正比；孤立带电导体所带的电量 q 与其电势 U 比值称为导体的电容，即

21、C = q/U。对于同一个导体来说，它的电容是一个常量；它与导体本身的大小、形状有关；它与导体的材质、和它所带电量的多少、是否带电无关。第47页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件导体的电容电容的单位称为法拉（简称法），符号为 F 。孤立导体的电势就是该导体与无穷远处的电势差；孤立导体的电容可理解为该导体与无穷远处的极板所构成（就是以导体和地球所组成）的电容器的电容。第48页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件电容器的电容通常电容器由两个金属极板和介于中间的介质所组成。电

22、容器的电容 C 定义：电容器一个极板所带电荷 q（指绝对值）和两个极板的电势差 UA UB（不是某一极板的电势）之比，即 C = q/(UA UB)。电容器的电容是描述电容器本身电容性质的一个物理量。第49页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件平板电容器平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成。0 为真空介电常数 (8.8510-12Fm-1) +A第50页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件球形电容器当 rB rA 时rArB球形电容器第51页，共75页，2022年

23、，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件柱形电容器rBrAL柱形电容器第52页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件平行直导线形电容器drBA平行直导线形电容器第53页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件、r、A 某一项或某几项变化时，都会引起电容 C 的变化。这些量的变化可以间接反映线位移、角位移、压力、加速度等物理量的变化。电容式传感器分为变极距型 极板间距离为变化量变面积型 极板的有效面积为变化量变介质型 极板间介质的介电常数为变化

24、量第54页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组/差动线位移/角位移第55页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组线位移非线性特性，电容 C 与极距 之间的函数为反比关系 0 C， 0 C0C C0C0C = f () 特性曲线第56页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组线位移0C/C0 /0变极距电容传感器的非线性特性12第57页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，

25、星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组线位移灵敏度与非线性误差- 0 越小，灵敏度 S 越高；- 0 的减小会导致非线性误差增大；- 0 过小能引起电容器击穿或短路。防止电容器击穿，极板间采用高介电常数的材料（云母、塑料膜等）作介质，起绝缘作用。第58页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组线位移0A定极板动极板高介电常数的材料第59页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变极距型单组线位移差动线位移- 差动式比单极式灵敏度提高一倍；- 非

26、线性误差减小一个数量级；- 由于结构上的对称，它还可有效地补偿温度变化造成的误差。第60页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变面积型单组/差动线位移平板型线位移圆柱型llll第61页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变面积型单组/差动线位移平板型线位移圆柱型角位移平板型角位移圆柱型第62页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变面积型单组线位移- 线性输出特性，适于测量较大的直线位移和角位移；- 极距保持不变

27、。为了减少极距的影响，可使用中间极板移动式结构。l中间极板移动式变面积型电容传感器l0第63页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变介质型单组/差动平板型圆柱型llll第64页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件变介质型单组平板型- 电容的相对变化与介质2（被测介质）的移入深度成线性关系；- 可用来测量材料厚度、非导电固体物质的湿度、非导电物料的物位。l被测介质极板非导电材料物位变介质型电容传感器第65页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检

28、测元件与检测技术电容型检测元件变介质型第66页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件边缘效应在电容极板的边缘存在电场，如果极板有一定的厚度，就会在极板的侧面上产生电荷的累积，即产生电容。边缘效应给传感器的测量带来误差，使传感器的灵敏度降低，输出特性产生非线性。边缘电场r第67页，共75页，2022年，5月20日，5点50分，星期四M&T,I 检测元件与检测技术电容型检测元件边缘效应消除边缘效应的方法减小边缘的有效面积采用等位环结构等位环与上极板在同一平面上并将其包围，且与下面电极电绝缘、等电位。这样，上下两个极板的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环外周，故不影响传感器两电极间的电场，从而克服边缘效应的影响。下极板上极板边缘电场均匀电场等位环带有等位环的平板电容传感器原理结构图第68页，共75页，20