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文档简介
项目二电阻式传感器及应用知识目标
了解应变式力、压力和加速度传感器的组成与工作原理;掌握电阻应变片的工作特性、参数及温度误差补偿方法;了解普通工业用热电阻式传感器的简单结构;掌握常用热电阻的工作原理、种类、特点和测温范围;了解负温度系数热敏电阻的主要参数;掌握热敏电阻三种类型的特点及各自的适用范围。技能目标
根据不同待测信号的特性,灵活选择测量方案;熟练掌握热电阻式流量计的工作原理;电阻应变仪的组成和使用方法;多功能气体-湿度传感器的应用。任务一电阻应变传感器
电阻应变传感器是将被测量(如力、应变、位移、温度、湿度等)通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广的电阻应变片有两种:电阻丝应变片和半导体应变片。
知识准备1.电阻应变片的结构和材料1)电阻应变片的结构图2-1电阻丝应变片的基本结构1-引出线2-覆盖层3-基片4-电阻丝式敏感栅图2-2电阻应变片1-电阻丝2-金属箔3-半导体4-基片常见的金属电阻应变片的敏感栅:(1)丝式电阻应变片
特点:价格便宜,多用于应变、应力的大批量、一次性低精度试验。(2)箔式电阻应变片
特点:敏感栅的表面积和应变片的使用面积比值大、散热好、允许通过的电流密度大、灵敏度高、工艺性好、可制成任意形状、易加工、适合于成批生产和成本低待。
(3)半导体电阻应变片优点:是灵敏度高(比丝式、箔式在几十倍)、横向效应小;缺点:是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间不成线性,在使用时,需采用非线性和温度补偿措施。
常用应变片的形式2)电阻应变片敏感栅的材料箔式应变片常采用康铜、镍铬合金等,半导体应变片常采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。对电阻应变片敏感栅材料的基本要求:①灵敏系数K0值大,并且在较大应变范围内保持常数;②电阻温度系数α小;
③电阻率ρ大;④机械强度高,且易于拉丝或辗薄;⑤与铜线的焊接性好,与其他金属的热电动势小。3)电阻应变片的粘贴应变片是通过粘贴剂粘到试件上的。
(1)粘贴剂
(2)应变片粘贴工艺
2.电阻应变片的工作原理及主要参数1)电阻应变片的工作原理电阻应变效应
:
导体材料的电阻和它的电阻率、几何尺寸(长度与截面积)有关,在外力作用下发生机械变形,引起该导电材料的电阻值发生变化。
电阻应变片的工作原理,就是依据应变效应构建出导体的电阻变化与变形之间的量值关系,即求取电阻应变片的应变灵敏度的数学表达式。设有一根电阻丝,如图2-3所示。它在未受力时的原始阻值为R可用下式表示:图2-3电阻丝拉伸前后的几何尺寸a)长度b)截面积
如果沿整条电阻丝长度作用外力F,由于l,ρ,A变化引起电阻R的变化,对(2-1)式全微分可得用相对变化量表示,得:或对于直径为r的圆形截面的电阻丝,式中
—轴向(纵向)应变,
—径向应变,
—电阻率相对变化量;—电阻相对变化量。
εy与εx关系可表示为εy=-μεx,μ电阻丝材料的泊松比,即横向收缩和纵向伸长之比,即
将εy、εx、μ代入式(2-2)中可得应变效应表达式K0为单丝应变灵敏系数,即K0受两个因素的影响:一、(1+2μ),它是由电阻丝几何尺寸改变引起的,对某种材料来说它是常数;二、它是由电阻丝的电阻率,ρ随应变的
改变所引起的,对于多数电阻丝来说,其值也是常数,往往很小可以忽略。对于大多数金属材料,泊松比μ=0.3—0.5,所以K0值在1.6—2之间。金属单丝的灵敏度K0与相同材料制成的应变片的灵敏度K稍有不同。K由实验求得,实验表明K<K0。
同样通过实验证明,电阻应变片的电阻相对变化ΔR/R与εx的关系在很大范围内是呈线性关系,
2)电阻应变片的主要参数应变片的主要参数包括几何尺寸、电阻值和允许电流等。(1)几何尺寸应变片的几何尺寸有敏感栅的基长和基宽及应变片的基底长和基底宽。
(2)初始电阻R0
应变片初始电阻R0,指应变片未粘贴时在室温下测得的静态电阻值,常见的有60、120、350、600、1000Ω等类型,其中最常用的是R0=120Ω的应变片。(3)允许工作电流应变片的允许工作电流又称为最大工作电流,是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。
其选择原则为:静态测量时约取出25mA左右,动态测量时可高一些,箔式应变片更大些;对于易导热的被测构件,也可选得大一些;对于不易导热的被测构件,如塑料、玻璃、陶瓷等要取得小些。3.电阻应变片的测量电路常采用各种电桥电路
常规的电阻应变片K值很小(K≈2)。机械应变一般在范围内,故电阻应变片的电阻变化()范围为,为了能用电测仪器进行测量,还须将进一步转换成电压或电流信号。这种转换常采用各种电桥电路。根据电源的不同,可将电桥分为直流电桥和交流电桥。
四个桥臂均为纯电阻时,用直流电桥测量精确度高;若有的桥臂为阻抗,必须用交流电桥。电桥按读数方法可分为平衡电桥(零读法)与不平衡电桥(偏差法)两种。平衡电桥仅适合于测量静态参数,而不平衡电桥对静、动态参数都可测量。
电阻应变式电桥大都采用交流电桥,理由有二:①应变电桥输出极弱,需要加放大器,而直流放大器易产生零点漂移,故多采用交流放大器;②由于应变片与桥路采用电缆连接,当引线分布电容的影响不能忽略时,也需采用交流电桥。
直流电桥:直流电桥平衡条件当RL→∞时,电桥输出电压为:
直流电桥电桥平衡条件当电桥平衡时,Uo=0,则有:
R1R4=R2R3或
电桥平衡条件:欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积应相等。交流电桥:引入原因:由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,即相当于两只应变片各并联了一个电容。交流电桥每一桥臂上复阻抗分别为交流电桥输出:电桥平衡条件:Uo=0,即Z1Z4=Z2Z3
整理可得变形为:
交流电桥的平衡条件(实部、虚部分别相等):交流电桥平衡调节1)直流不平衡电桥的工作原理
不平衡电桥
一般电桥:输出电压U0可用U14和U24之差表示:为了使测量前的输出为零,即所谓“电桥平衡”,应使:R1R4=R2R3
。在满足该条件时,当每桥臂电阻变化远小于本身值,即
桥负载电阻无限大时,输出电压可近似用下式表示:
实际上,分以下三种情况:(1)对称情况(对于电源U,左右对称),R1=R2,R3=R4。
(2)非对称情况,R1=R4,R2=R3。如令R2/R1=R3/R4=α,
则:如R1、R4为应变片,则。(3)全等情况,
R1=R2=R3=R4。如四臂都是应变片(一般称为“全桥”),则将,代入式(2-10),得:
传感器电路多用全桥式以增加灵敏度。在使用上面公式时,应注意电阻变化和应变值的符号。如果是压应变用负的应变值代入;拉应变则用正的应变值代入。2)电桥的非线性误差及排除方法非线性误差
电桥的非线性是指电桥的输出电压不与应变片的应变成正比。精确的公式为:
当电阻应变较小时,η值接近于零,可以忽略不计。对于常规应片,因灵敏系数K较小,故即使应变相当大时,非线性也是很小的,通常可以忽略不计。在使用半导体应变片测量较大的应变时,非线性往往大到不能忽略的程度,需要对测量值进行
(2)消除非线性误差的方法
常用的方法是采用差动电桥修正,或在电路上采取线性补偿措施。
差动电桥
设初始时R1
=R2
=R3
=R4,,,则为了能提高电桥灵敏度或能进行温度补偿,通常可在桥臂中安置多个应变片。电桥也可采用四等臂电桥,如图(2-4c)所示的全差动电桥。
全差动电桥
设初始时R1=R2
=R3
=R4,若忽略高阶微小量,可得
在实际应用中,除了应变ε能导致应变片电阻变化外,温度变化也会导致应变片电阻变化,将给测量带来误差,因此有必要对桥路进入补偿。补偿措施有多种,而通常的温度补偿方法是电桥电路补偿法。
图2-5电桥补偿a)电路原理图b)安装示意图2.应变片接法1)单臂接法2)半桥接法3)全桥接法任务实施1.应变式力传感器
被测物理量为荷重或力的应变式传感器,又称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子秤与材料试验机的测力元件,也可用于发动机的推力测试或水坝坝体承载状况的监视。力传感器的弹性元件:柱式、筒式、环式、悬臂式等。
(a)柱式;(b)筒式;(c)圆柱面展开图;(d)桥路连线图
应用方法方法一:将电阻应变片直接贴在被测点上,用专门的电阻应变仪测出该点的应变。方法二:将其贴在弹性元件上,弹性元件在被测物理量作用下变形应变片作为传感元件将应变转换为电阻的变化。2.应变式压力传感器
应变式压力传感器主要用于液体、气体动态和静态压力的测量,如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气体压力或液体压力的测量,以及喷口的压力、枪管和炮管内部压力的测量。这类传感器主要采用平膜式、筒式或组合式弹性元件。
图2-7平膜式弹性元件a)应力变化b)应变片粘贴由图可知,平膜式弹性元件承受压力P时,其应变变化曲线的特点为:当x=0时,εrmax=εtmax;当x=R时,εt=0,εr=-2εrmax。
根据以上特点,一般在平膜片的圆心处沿切向贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向贴R2、R3两个应变,且要求R2、R3和R1、R4产生的应变大小相等,极性相反,以便接成差动全桥测量电路。3.应变式加速度传感器图2-8所示为应变式加速度传感器原理。传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。
图2-8应变式加速度传感器
1-应变片2-悬壁梁3-质量块4-基座5-外壳
应变式加速度传感器测量原理:将传感器壳体与被测对象刚性连接,当被测物体以加速度a运动时,质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用,使悬臂梁变形,该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变,从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡,从而输出电压,即可得出加速度a值的大小。应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路,此时输出电压为:Uo=U1+U2=(K1+K2)hρg
结论:电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此可以测量容器内储存的溶液重量。指套式电子血压计
指套式电子血压计是利用放在指套上的压力传感器,把手指的血压变为电信号,由电子检测电路处理后直接显示出血压值的一种微型测量血压装置。电子皮带称
皮带称使用两个传感器,一个测力传感器,通过皮带下方的称架感受测量区间L的物料重量;另一个为测速传感器,它和皮带导轮同轴,当皮带传动时,通过导轮随动检测皮带的运行速度。
电子皮带称在煤矿、水泥厂、矿山和粮仓码头得到了普遍应用。千斤顶荷重测试
装置采用应变式测力传感器,传感器被固定在四个支柱支撑的顶板上,千斤顶荷重输出端和它相接触,当上下扳动加压杠杆时,在压力的作用下,千斤顶活塞通过千斤顶输出端不断上升而举起重物,此时传感器将千斤顶的荷重力转换为电信号输出,由荷重测试仪直接显示出荷重力。续航发动机燃烧室压力及推力测试续航发动机是火箭式导弹的动力装置,其燃烧室产生的压力通过喷管喷出,赋以导弹在控制飞行中以推力,以维持导弹以一定的飞行速度向攻击目标飞去。当引爆装置将发动机上的点火具点燃后,发动机内的火药开始燃烧,并产生燃气压力,该压力由喷管喷出,其反作用力形成推力。此时压力传感器和推力传感器将燃烧室内的压力和发动机产生的推力转换成电信号输出。该信号经测试仪器及记录装置打印出测试曲线。半导体应变片工作原理:压阻效应固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。半导体压阻式传感器的分类:1)体型半导体应变片这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条,经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。2)薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。3)扩散型半导体应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上,形成一层极薄的P型导电层,再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。
特点:灵敏系数大,分辨率高,频率影响高,体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等。体型半导体应变片压阻式传感器举例1、压阻式压力传感器
在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。2、压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器用单晶硅作悬臂梁,在根部扩散四个电阻,当受加速度a时,质量块m的惯性力作用在梁上,产生弯矩和应力,四个扩散电阻的阻值发生变化。应力与加速度值成正比,所以电阻相对变化与加速度成正比。将这四只电阻接成差动电桥,即可测出加速度值a。任务二电位器式传感器
电位器是一种将机械位移(线位移和角位移)转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元器件。知识准备一、电位器式传感器的工作原理及特点
图2-9电位器结构原理图
1-电阻元件2-电刷
特点:优点:具有结构简单,价格低廉,性能稳定,对环境条件要求不高,输出信号大,易于转换,便于维修。缺点:是存在摩擦,分辨力有限,精度不够高,动态响应较差,仅适于测量变化较缓慢的量,常用作位置信号发生器。电位器电阻元件分类:1、线绕电位器
线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制,因而能承受较高的温度,常被制成功率型电位器,其额定功率范围一般为0.25~50W,阻值范围为100Ω~100kΩ。线绕电位器的突出优点是结构简单,使用方便;缺点是分辨率低,这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的,
当接触电刷从这一匝移到另一匝时,阻值的变化呈阶梯式。2、薄膜电阻薄膜电阻是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。其优点是分辨率较高,阻值范围很宽(100Ω~4.7MΩ),耐磨性较好,工艺简单,成本低,线性度好等;
主要点是接触电阻大,功率不够大,容易吸潮,噪声大等。3、导电塑料
导电塑料的电阻是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。导电塑料电位器的耐磨性很好,使用寿命较长,允许电刷的接触压力很大,在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。此外,它的分辨率较高,线性度较好,阻值范围大,能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响,故精度不易做得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1kΩ、2kΩ、5kΩ和10kΩ,线性度为0.1%和0.2%。
二、电位器式传感器的结构及测量转换电路a)圆盘式电位器外形b)圆盘式电位器内部结构c)直线式电位器结构1-接线端子2-转轴3-微型轴承4-外壳5-导电塑料6-滑动触头7-滑动触头电压引出轨道(铜质)图2-11电位器使用时的电路图a)变阻器b)分压器
设电阻体的长度为l,电阻值为R,两端所加(输入)电压为Ui,则滑动端输出电压为对圆盘式电位器来说,U0与滑动臂的旋转角度成正比任务实施
电位器的移动或电刷的转动可直接或通过机械传动装置间接和被测对象相连,以测量机械位移或转角。电位器还可以和弹性敏感元件如膜片、膜盒、波纹管等相联结,弹性元件位移通过传动机构推动电刷,而输出相应电压信号,可以组成压力、液位、高度等各种传感器。图2-12YHD型电位器式位移传感器
2.电位器式压力传感器
图2-13电位器式压力传感器a)YCD-150型压力传感器b)电位器式压力传感器1-电位器2-电刷3-接线端子1-膜盒2-连杆3-曲柄4-电刷5-电阻元件图2-14电位器式加速度传感器1-惯性敏感质量2-片弹簧3-电阻元4-电刷5-活塞尼器6-壳体任务三热电阻式传感器热电阻传感器主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。在工业上,它被广泛用来测量-200~+960℃范围内的温度。按热电阻的性质分,可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类,前者通常称为热电阻,后者称为热敏电阻。它的灵敏度比前者高十倍以上。知识准备1.热电阻材料及其结构1)热电阻材料
热电阻是由电阻体(感温元件)、引出线、绝缘套管和接线盒等部件组成的。其中,电阻体是热电阻的主要部分。根据对检测设备的稳定性、灵敏度、线性度、单值性等性能要求,制作热电阻的电阻体材料应具有如下特点:
①电阻温度系数大,以便提高热电阻的灵敏度;保持测试系数单值性,且最好为定值,以便得到电阻—温度线性特性;②电阻率ρ尽可能大,以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸;③在热电阻的使用范围内,材料的化学、物理性能保持稳定;
④材料的提纯、可延、自制等工艺性好。根据上述要求,较为广泛应用的热电阻材料有:铂、铜、镍、铁和铑铁合金等,而常用的是铂、铜
。如表2-12)热电阻的结构
金属热电阻按其何结构类型来分有:普通型.铠装型.薄膜型等。
图2-15热电阻结构图薄膜型铠装型2.热电阻的工作原理热电阻效应:物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象。根据热电阻效应原理制成的传感器叫热电阻传感器。热电阻传感器是把由温度变化所引起导体电阻值的变化,通过测量电路转换成电压毫伏信号,然后送至显示仪表以显示或记录被测的温度。
热电阻的测量电路
这种引线方式简单、费用低,但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。与电桥配套使用,可以较好的消除引线电阻的影响,用于工业测量,一般精度图2-18热电阻四线测量桥路
其中两根引线为热电阻提供恒定电流I,把R转换成电压信号U,再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响,实验室用,高精度测量。
3.常用的热电阻
1)铂热电阻优点:精度高、稳定性好、性能可靠;尤其是铂材料在氧化性介质中,甚至在高温下其物理、化学性质都非常稳定;易于提纯,复制性好,有良好的工艺性,可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔;电阻率较高。
缺点:在还原介质中,特别是在高温下很容易被从氧化中还原出来的蒸汽所沾污,容易使铂丝变脆;电阻温度系数小;价格较高。
在0~850℃范围内,铂热电阻的阻值与温度的关系可用下式表示:
在-200~0℃的范围内,铂热电阻的阻值与温度的关系可用下式表示:
目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。
铂电阻还常用微型铂热电阻,其主要特点是体积小、热惯性小、气密性好。它可分为两种:一种测量范围为–200~+500℃,它的支架和保护管均由特殊玻璃制成;另一种测量范围为500~1000℃,其支架和保护套管系由石英材料制成。
2)铜热电阻适用场合:在一些测量精度不高且温度较低的地方一般采用铜热电阻,可用它来测量-50–+150℃的温度。特点:(1)上述温度范围内,铜的电阻与温度几乎呈线性关系(2)电阻温度系数比铂高,而电阻率则比铂低。(3)容易提纯,加工性能好,可拉成细丝,价格便宜。(4)易氧化,不易在腐蚀性介质或高温下工作。铜热电阻的分度表
分度号:Cu50温度/℃0102030405060708090电阻/Ω-050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.134.热敏电阻的工作原理及形状结构
热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件,其特点是电阻率随温度而显著变化。分类:负温度系数热敏电阻(NTC),电阻的变化趋势与温度的变化趋势相反;
正温度系数热敏电阻(PTC),电阻的变化趋势与温度的变化趋势相同。各种热敏电阻的电阻率随温度变化的特性曲线
1-突变型NTC2-负指数型NTC3-线性型PTC4-突变型NTC5-铂热电阻常用的热敏电阻外形图及符号
片式负温度系数热敏电阻PN系列功率型NTC热敏电阻器BN系列珠状NTC热敏电阻器GN系列玻壳型NTC热敏电阻器SN系列温度传感器任务实施
在工业上金属热电阻传感器常应用于-200~+500℃范围的温度测量。特殊情况下,测量的低温端可达3.4K,甚至更低,1K左右。高温度端可测到1000℃。而热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点,可用于温度测量、温度控制、温度补偿、气体和液体分析、火灾报警、过负荷保护和红外探测等方面。因此它在很多领域得到广泛应用。1.热电阻式传感器的应用
1)热电阻式气体传感器
2)热电阻式流量计2.热敏电阻式传感器的应用1)热敏电阻测温
图2-23热敏电阻体温表原理图a)桥式电路b)调频式电路1—热敏电阻2—指针式显示器3—调零电位器4—调满度电位器2)热敏电阻用于温度补偿3)热敏电阻用于过热保护图2-25热敏电阻与继电器组成的热继电器
项目小结
应变、位移、压力、温度是生产,生活中经常测量的变量。本项目重点介绍了电阻应变式、电位器式、热电阻式传感器。应变式电阻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。它是基于电阻应变效应制造的一种测量微小机械变量的传感嚣。电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,敏感栅是应变片的核心部分。
金属电阻应变片有丝式、箔式和薄膜式三种类型。电阻应变片的工作原理基于应变效应。金属材料受力后的电阻变化主要由尺寸变化决定,而半导体材料受力后的电阻变化主要由电阻率变化决定。电阻应变片常用的测量电路有单臂电桥,半桥和差分全桥三种。由于环境温度带来的误差称为应变片的温度误差,又称热输出。温度误差主要是由于电阻材料阻值随着温度变化而引起。
另外,应变片与试件不能随温度变化同步变形也会产生附加形变。可采用自补偿法或桥路补偿法来补偿温度误差。应变式电阻传感器采用测量电桥,把应变电阻的变化转换成电压或电流变化。应变片的温度补偿不可忽略。电位器式传感器是一种将机械位移转换成电信号的机电转换元件,既可做变阻器用,又可做分压器用。
热电阻式传感器常用于对温度和与温度有关的参量进行检测的传感器,电阻式传感器广泛用于测量-200℃—+960℃范围内的温度,是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质工作的。电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两类,前者称为热电阻,后者称为热敏电阻。热敏电阻是半导体测温元件,按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)和正温度系数热敏电阻(PTC)两大类。
广泛应用于温度测量、电路的温度补偿以及温度控制。热电阻变化一般要经过不平衡电桥转换为不平衡电压输出,提供后续电路处理。本项目通过四个典型的任务,重点介绍了应变式加速度传感器原理、电位器式压力传感器、热电阻式流量计的工作原理、热敏电阻体温表的电路及工作原理。知识拓展1.湿敏电阻传感器1)、几个概念:湿度:指空气中所含有的水蒸汽量。理想空气:氮78%,氧21%,其它成分1%(无水)潮湿空气:理想空气与水蒸汽的混合体。2)湿度的表示方法和单位(1)水蒸气分压:根据多尔顿定律,只要测出潮湿空气中水蒸气的分压即可知道湿度。(2)绝对湿度(AH):单位体积内所含水蒸汽的质量(g/m3)。(3)相对湿度(RH):气体的水蒸气分压与同温度下的饱和水蒸气压的比值;4)露点:保持压力一定而降低待测气体温度至某一数值时,待测气体中的水蒸汽达到饱和状态开始或结霜,此时的温度称为这种气体的露点或霜点。湿敏元件分类:
1、水分子亲和力型(利用水分子有较大的偶极矩,易于附着并渗透入固体表面的特性制成的湿敏元件):电解质式(潮解性盐类受潮后电阻发生变化
)高分子材料式(有机高分子材料的吸湿性能与膨润性能
)金属氧化物膜式(吸脱水性能
)金属氧化物陶瓷式2、非水分子亲和力型(利用其与水分子接触产生的物理效应来测量湿度
):热敏电阻式(含湿空气与干燥空气产生热传导差
)
红外吸收式(利用水蒸气能吸收某波段的红外线制成
)
微波式(利用微波电介质共振系统的品质因数随湿度变化的机理制成
)超声波式(超声波在空气中的传播速度与温度、湿度有关
)1)湿敏电阻的结构和工作原理
湿敏电阻是一种阻值随环境相对湿度的变化而变化的敏感元件。
图2-26湿敏电阻结构示意图1—引线2—基片3—感湿层4—电极图2-27陶瓷湿度传感器结构和特性a)吸湿单元b)卸去外壳后的结构c)外形图1—引线2—多孔性电极3—多孔陶瓷4—底座5—镍铬加热丝6—外壳7—引脚8—气孔图2-28湿敏电阻传感器测量转换电路框图
2)湿敏电阻式传感器的应用图2-29汽车后窗玻璃自动去湿装置a)汽车后窗玻璃示意图b)汽车后窗玻璃自动去湿电路图2.气敏电阻传感器
用气敏元件组成的气敏电阻传感器(下简称气敏电阻)主要用于工业上天热气、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;在防治公害方面用于监测污染气体;在家用方面用于煤气、火灾的报警等。1)气敏电阻的工作原理与特性
使用气敏电阻传感器可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量,再转换为电流、电压的信号。气敏电阻的材料是金属氧化物,制作上是通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成的。气敏元件接触气体时,由于表面吸附气体,致使它的电阻率发生明显的变化.气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。为此,气敏元件在结构上要有加热器,通常用电阻丝加热,如图2-30所示。半导体式气敏传感器的分类
电阻式气敏传感器主要类型:烧结型气敏器件
薄膜型气敏器件
厚膜型气敏器件烧结型气敏器件:烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料(SnO2、ZnO等)和一些掺杂剂(Pt、Pb等)用水或粘合剂调合,经研磨后使其均匀混合,然后将混合好的膏状物倒入模具,埋入加热丝和测量电极,经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上,加上特制外壳就构成器件。该类器件分为两种结构:直热式和旁热式。
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