自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第二章

1、自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)物理及電子工程學(xué)院 楊恒Tel:-mail: 第二章：電阻式傳感器第二章：電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種能把非電量（如力、壓力、位移、扭矩等）轉(zhuǎn)換成與之有對應(yīng)關(guān)系的電阻值，再經(jīng)過測量電橋把電阻值轉(zhuǎn)換成便于傳送和記錄的電壓（電流）信號的裝置。電阻式傳感器的種類很多，主要有電位器式、電阻應(yīng)變式和壓阻式、氣敏、濕敏電阻式熱電阻等類型。 2.1 電位式傳感器電位式傳感器 應(yīng)用：可以測量位移、壓力、加速度、容量、高度等多種物理量。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕、價格便宜、精度高、性能穩(wěn)定、輸出信號大、受環(huán)境影響小 。 缺點(diǎn)：電位式傳感器的動觸頭與線繞電阻或

2、電阻膜的摩擦存在磨損，因此可靠性差，壽命較短，分辨力較低，動態(tài)性能不好，干擾（噪聲）大，一般用于靜態(tài)和緩變量的檢測。 分類：線性電位器和非線性電位器 。2.1.1 線性電位器線性電位器 線性電位器由繞于骨架上的電阻絲線圈和沿電位器滑動的滑臂，以及安裝在滑臂上的電刷組成。 圖2.1 直線位移電位式傳感器示意圖當(dāng)滑臂由A向B移動距離為x后至C點(diǎn)，則A點(diǎn)到電刷間的阻值為 A、C間的輸出電壓為 xxRRLxxUUL 對于電位器式角度傳感器，其電阻與角度的關(guān)系為 輸出電壓與角度的關(guān)系為 RRUU圖2.2 電位器式角度傳感器 2.1.1 線性電位器線性電位器2.1.1 線性電位器線性電位器 電位器電壓分辨

3、率： 2.1.1 線性電位器線性電位器 X=0或X=1時，負(fù)載誤差均為0； X=0.5時， 負(fù)載誤差為最大； 2.1.1 線性電位器線性電位器實(shí)際情況負(fù)載若滿足不了要求，怎么辦？1、可采用限制電位器工作區(qū)間的辦法減小誤差2、電位器設(shè)計成空載特性上凸的非線性電位器，以其在帶負(fù)載時滿足線性關(guān)系，以消除誤差。2.1.2 電位器式傳感器應(yīng)用電位器式傳感器應(yīng)用 1位移傳感器 電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360的角度。 電位器傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，性能穩(wěn)定，能承受惡劣環(huán)境條件，輸出功率大，一般不需要對輸出信號放大就可以直接驅(qū)動伺服元件和顯示儀表；其缺點(diǎn)是精度不高，動態(tài)響應(yīng)差

4、，不適合于測量快速變化的量。2.1.2 電位器式傳感器應(yīng)用電位器式傳感器應(yīng)用 2電位器式壓力傳感器 當(dāng)被測壓力p變化時，彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，帶動指針偏轉(zhuǎn)，帶動電刷滑動，輸出與被測壓力成正比的電壓信號。2.2 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 作用：可測量位移,加速度,力,力矩,壓力等各種參數(shù) 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,性能穩(wěn)定,可靠,靈敏度高,測量速度快 應(yīng)用領(lǐng)域：航空、機(jī)械、電力、化工、建筑等2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片（簡稱應(yīng)變片或應(yīng)變計）根據(jù)敏感元件的不同，將應(yīng)變計分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。 1絲式應(yīng)變片 絲式應(yīng)變片是將電阻絲繞制成敏感柵粘結(jié)

5、在各種絕緣基底上而制成的，是一種常用的應(yīng)變片，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 絲式應(yīng)變片構(gòu)成： 敏感柵 基底和蓋片 黏結(jié)劑 引線1基底，2電阻絲，3蓋片，4引線2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 2箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片利用照相制版或光刻腐蝕的方法，將電阻箔材在絕緣基底下制成各種圖形而成的應(yīng)變片，如圖所示。 圖 箔式應(yīng)變片 2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn) 制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻,可以制成任意形狀以適應(yīng)不同要求 敏感柵薄而寬，黏結(jié)情況好，傳遞

6、應(yīng)變性能好 散熱性能好，工作電流可以較大，從而增大輸出信號 敏感柵彎頭的橫向效應(yīng)可以忽略 蠕變、機(jī)械滯后較小，抗疲勞性能好，壽命較長 3薄膜應(yīng)變片 薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，其厚度在0.1um以下。 采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，將電阻材料在基底上制成一層各種形式的敏感柵而形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片靈敏系數(shù)高，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，是一種很有前途的新型應(yīng)變片。主要問題：尚難控制器電阻與溫度和時間的變化關(guān)系2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 4半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：尺寸、橫向效應(yīng)、機(jī)械滯后都很小，靈敏系數(shù)極大，無須放大器直接與記錄儀器連接；缺點(diǎn)：電阻值和靈敏系數(shù)的強(qiáng)度穩(wěn)定性差，非

7、線性嚴(yán)重。2.2.1 電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)2.2.2電阻的應(yīng)變效應(yīng)電阻的應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲的電阻與材料的電阻率及其幾何尺寸有關(guān)，而金屬絲在承受機(jī)械變形的過程中，這兩者都要發(fā)生變化，因而引起金屬絲的電阻變化。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)：金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)變化。 實(shí)驗(yàn)證明：在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變是成正比的，即xRKR 2.1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變效應(yīng) 電阻應(yīng)變片基于金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)。因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。 對于橫截面均勻的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)，其電阻為 兩邊

8、進(jìn)行微分運(yùn)算，求得其電阻相對變化 SlRdSdSldlRdR2.2.2電阻的應(yīng)變效應(yīng)電阻的應(yīng)變效應(yīng) 圖圖2-1 2-1 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化 軸向線應(yīng)變量 縱向線應(yīng)變 得 已知二者應(yīng)變關(guān)系： 綜合得dRdRx)21(ldlxrdrxdRRyx2xy-2.2.2電阻的應(yīng)變效應(yīng)電阻的應(yīng)變效應(yīng) 令 K稱為靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生變形，其電阻相對變化的大小。K越大，變化率越高，靈敏度越高。 K受 影響，為材料幾何尺寸發(fā)生變化而引起 K受 影響，為材料形變時自由電子活動能力 和數(shù)量發(fā)生變化，可正可負(fù)，一般選正值，否則會降低靈敏度，電阻的主要變化是由幾何形變引起。 實(shí)驗(yàn)證明：在金屬

9、絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變是成正比的，即xRKRxxdRdRK/)21(/21 xd/2.2.3 應(yīng)變片測試原理應(yīng)變片測試原理 將應(yīng)變片粘貼于被測對象上，在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。如果應(yīng)用儀器測出應(yīng)變片的電阻值變化，即可以得到被測對象的應(yīng)變值，在材料力學(xué)中，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，可以得到應(yīng)力值F。 F為試件的應(yīng)力 ；A為試件的面積 ； 為試件的應(yīng)變 。 見書上例題2.1xEAF測量電路測量電路 彈性元件產(chǎn)生的機(jī)械變形微小，引起的應(yīng)變量也很微小，為了把微小的電阻變化率反映出來，必須采用測量

10、電橋，把應(yīng)變電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化，從而達(dá)到精確測量的目的。 1直流電橋工作原理 如圖所示為一直流供電的平衡電阻電橋，當(dāng)電橋輸出端開路時，根據(jù)分壓原理，電阻R1兩端的電壓 電阻R3兩端的電壓 則輸出端電壓Uo為 電橋的平衡條件1423R RR R電阻電橋 2電阻應(yīng)變片測量電橋電阻應(yīng)變片測量電橋 應(yīng)變片測量電橋在工作前應(yīng)使電橋平衡（稱為預(yù)調(diào)平衡），以使工作時的電橋輸出電壓只與應(yīng)變片感受應(yīng)變所引起的電阻變化有關(guān)。初始條件為 1234RRRRR（1）應(yīng)變片單臂工作直流電橋。單臂工作電橋只有一只應(yīng)變片R1接入，如圖所示 單臂工作直流電橋o22R RUERRR ()o224R RERUERRRo

11、4EUK （2）應(yīng)變片雙臂直流電橋（半橋）。半橋電路中用兩只應(yīng)變片，把兩只應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩支橋臂。根據(jù)被測試件的受力情況，一個受拉，一個受壓，如圖2.12所示。 若 上式可以寫為：114223o112234RRRRRRUERRRRRR ()()()()12RRR o2EUK雙臂直流電橋 3應(yīng)變片直流全橋電路 把4只應(yīng)變片接入電橋，并且差動工作，即兩個應(yīng)變片受拉，兩個受壓，如圖2.13所示。則： 對比可知，用直流電橋做應(yīng)變的測量電路時，電橋輸出電壓與被測應(yīng)變量成線性關(guān)系，而在相同條件下（供電電源和應(yīng)變片的型號不變），差動工作電路輸出信號大，半橋差動輸出是單臂輸出的2倍，全橋差動輸出是單臂輸

12、出的4倍。即全橋工作時，輸出電壓最大，檢測的靈敏度最高。11442233o11223344)RRRRRRRRUERRRRRRRR ()()()()()o422RRRUEERRREK圖2.13 直流全橋電路 4應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償 （1）溫度誤差。因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素是：一、應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；二、電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。 由溫度變化形成的總電阻變化為 試件不受外力作用而溫度變化時，粘貼在試件表面上的應(yīng)變片會產(chǎn)生溫度效應(yīng)。它表明應(yīng)變片輸出的大小與應(yīng)變計敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)以及被測試材料的線膨脹系數(shù)有關(guān)。 eg0()RtKt R

13、 （2）溫度補(bǔ)償。為了使應(yīng)變片的輸出不受溫度變化影響，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。 雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片。 橋式電路補(bǔ)償法。 熱敏電阻補(bǔ)償。 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 1測力傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領(lǐng)域。這種測力傳感器由應(yīng)變計、彈性元件、測量電路等組成。 柱式力傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 柱式力傳感器應(yīng)用:稱重式料位計 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 梁式力傳感器: 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 例2.2: 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 2壓力傳感器 壓力傳感器主

14、要用于測量流體的壓力。根據(jù)其彈性體的結(jié)構(gòu)形式可分為單一式和組合式兩種。單一壓力傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 3位移傳感器 應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用于近測或遠(yuǎn)測靜態(tài)或動態(tài)的位移量。2.4 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。 常見的半導(dǎo)體應(yīng)變片采用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。根據(jù)壓阻效應(yīng)，半導(dǎo)體和金屬絲同樣可以把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。公式為： 式中，為壓阻系數(shù)；為應(yīng)力；E為彈性模量。EdRdRdRdR)21(2.4 壓阻式

15、傳感器壓阻式傳感器 由于半導(dǎo)體材料的各向異性，當(dāng)硅膜片承受外應(yīng)力時，同時產(chǎn)生縱向和橫向壓阻效應(yīng)。則有 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為rrttRR /xR RKE 2.4.1 測量原理測量原理 在膜片上布置4個等值電阻。只要位置合適，可滿足 這樣可以形成差動效果，通過測量電路，獲得最大的電壓輸出靈敏度 。32142314RRRRRRRR 2.4.2 溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償 壓阻式傳感器受溫度影響后，會引起零位漂移和靈敏度漂移，因而會產(chǎn)生溫度誤差。 零位溫度一般可用串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償。 串聯(lián)電阻Rs主要起調(diào)節(jié)作用，并聯(lián)電阻Rp則主要起補(bǔ)償作用。例如，溫度上升，Rs的增量較大，則A點(diǎn)電位高于C點(diǎn)電位

16、，VA-VC就是零位漂移。在R2上并聯(lián)一負(fù)溫度系數(shù)的阻值較大的電阻Rp，可約束Rs變化，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，以消除此溫度差。 補(bǔ)償電路壓阻式傳感器的應(yīng)用壓阻式傳感器的應(yīng)用 1壓力測量 壓阻式壓力傳感器由外殼、硅杯和引線組成，如圖2.24所示，其核心部分是一塊方形的硅膜片。當(dāng)硅杯兩側(cè)存在壓力差時，硅膜片產(chǎn)生變形，4個應(yīng)變電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，按照電橋的工作方式，輸出電壓與膜片兩側(cè)的壓差成正比，即圖2.24 壓阻式壓力傳感器o12UKppK p() 2液位測量 如圖2.25所示，壓阻式壓力傳感器安裝在不銹鋼殼體內(nèi)，并由不銹鋼支架固定放置于液體底部。被測液位可由下式得到：1010g

17、pHhhh圖2.25 壓阻式壓力傳感器外形圖氣敏電阻傳感器氣敏電阻傳感器 氣敏電阻傳感器可以把氣體中的特定成分檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成電信號的器件，以便提供有關(guān)待測氣體的是否存在及其濃度的高低。 1、工作原理 氣敏電阻一般用SuO2、InO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑，按一定的比例燃燒而成的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)、測量電路如圖2.26 所示。 圖 2.26 氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)及測量電路 2、實(shí)用線路：礦燈瓦斯報警器 瓦斯探頭由QM-N5型氣敏元件、R1及4V礦燈需電池等組成。RP為瓦斯報警設(shè)定電位器。當(dāng)瓦斯超過某一設(shè)定點(diǎn)時，RP輸出信號通過二極管V1加到V2基極上，V2導(dǎo)通，

18、V3、V4便開始工作。V3、V4為互補(bǔ)式自激多諧振蕩器，它們的工作使繼電器吸合與釋放，信號燈閃光報警。濕敏電阻傳感器濕敏電阻傳感器 工作原理 濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成。濕敏電阻有不同的結(jié)構(gòu)形式。常用的有金屬氧化物陶瓷濕敏電阻、金屬氧化物濕敏電阻、高分子材料濕敏電阻。 熱電阻熱電阻 利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性來測量溫度的感溫元件叫熱電阻。它可用于測量 -200500范圍內(nèi)的溫度。 2.7.1 金屬熱電阻 大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻，都具有隨溫度變化的特性。其特性方程式如下： 式中，Rt、R0分別為熱電阻在t和0時的電阻值；為熱電

19、阻的電阻溫度系數(shù)（1/）。 1鉑熱電阻 鉑的物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計，廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。 2測量電路 圖2.37 三線制連接法測量電路 圖2.38 四線制連接法測量電路 3銅電阻 在測量精度不太高，測量范圍不大的情況下，可以采用銅電阻來代替鉑電阻，當(dāng)測量精度要求不高，溫度范圍在-50150的場合，普遍采用銅電阻。銅電阻與溫度呈線性關(guān)系，可用下式表示： 4其他熱電阻 （1）銦電阻。它是一種高精度低溫?zé)犭娮??？捎糜诓荒苁褂勉K的低溫范圍。其缺點(diǎn)是材料很軟，復(fù)制性很差。 （2）錳電阻。錳電阻的特點(diǎn)是在263K的低溫范圍內(nèi)，電阻值

20、隨溫度變化很大，靈敏度高；在216K的溫度范圍內(nèi)，電阻率隨溫度平方變化。磁場對錳電阻的影響不大，且有規(guī)律。錳電阻的缺點(diǎn)是脆性很大，難以控制成絲。 2.7.2 半導(dǎo)體熱敏電阻 半導(dǎo)體熱敏電阻的特點(diǎn)是靈敏度高，體積小，反應(yīng)快。它是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化的特性制成的，在一定的范圍內(nèi)根據(jù)測量獲得的熱敏電阻阻值的變化情況，便可知被測介質(zhì)的溫度變化情況。 半導(dǎo)體熱敏電阻基本可以分為兩種類型。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC） 正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC） 2.7.3 集成溫度傳感器 集成溫度傳感器具有測溫精度高，重復(fù)性好，線性優(yōu)良，體積小巧，熱容量小，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。 所謂的集成溫度傳感器，就是在一塊極小的半導(dǎo)體芯片上集成了包括敏感器件、信號放大電路、溫度補(bǔ)償電路、基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)的各個單元，它使傳感器與集成電路融為一體，提高了傳感器的性能，是實(shí)現(xiàn)傳感器智能化、微型化、多功能化，提高檢測靈敏度，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的重要保證。小小 結(jié)結(jié) 電位式傳感器是把機(jī)械量轉(zhuǎn)化為電信號的轉(zhuǎn)換元件，一般用于靜態(tài)和緩變量的檢