現(xiàn)代檢測技術(shù)與系統(tǒng)第2章課件

1、第2章 電阻式傳感器 2.1 工作原理2.2 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補償 2.3 電阻應(yīng)變片的測量電路2.4 電阻式傳感器的應(yīng)用 知識單元與知識點應(yīng)變、應(yīng)變效應(yīng)的基本概念；應(yīng)變電阻式傳感器的工作原理、測量電路與典型應(yīng)用；氣敏電阻的基本概念、工作原理、分類和應(yīng)用；濕敏電阻的基本概念、工作原理、測量電路和應(yīng)用。能力點深入理解應(yīng)變、應(yīng)變效應(yīng)、濕度等基本概念；理解應(yīng)變片的分類；把握電阻式傳感器的工作原理、測量電路；了解電阻式傳感器的典型應(yīng)用。重難點重點：應(yīng)變與應(yīng)變效應(yīng)的涵義；電阻式傳感器的工作原理與測量電路。難點：電阻式傳感器的測量電路。學(xué)習(xí)要求掌握應(yīng)變、應(yīng)變效應(yīng)、濕度等基本概念；牚握電阻式傳感器的工

2、作原理、測量電路；了解應(yīng)變片的分類、氣敏電阻的分類；了解電阻式傳感器的典型應(yīng)用；會分析半橋差動、全橋差動對非線性誤差和電壓靈敏度的改善。學(xué)習(xí)導(dǎo)航2.1應(yīng)變電阻式傳感器應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為： 應(yīng)變效應(yīng) 當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時， 將伸長L，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了

3、，從而引起電阻值變化量為 ：式中：L/L長度相對變化量，用應(yīng)變表示為 電阻相對變化量： dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2r dr，則 ：材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長， 沿徑向縮短， 軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 ：為電阻絲材料的泊松比， 負號表示應(yīng)變方向相反。 推得： 定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量。其表達式為 靈敏度系數(shù)K受兩個因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（/）/。對金屬材料：1+2( /)/對半導(dǎo)體材料：( /)/1

4、+2大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。 2.1.2 電阻應(yīng)變片種類常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片靈敏度取決于尺寸變化（應(yīng)變效應(yīng)為主）半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度取決于電阻率的變化（壓阻效應(yīng)為主）分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：式中： 半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù); 半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力; E半導(dǎo)體材料的彈性模量; 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象因此：實驗證明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系

5、數(shù)為： 測量原理：在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為R時，便可得到被測對象的應(yīng)變值， 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值為 ：=E 應(yīng)變力正比于電阻值的變化！2.1.3 測量電路 直流電橋 1. 直流電橋平衡條件當(dāng)RL時，電橋輸出電壓為： 當(dāng)電橋平衡時，Uo=0，則有： R1R4=R2R3或： 電橋平衡條件：欲使電橋平衡， 其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等， 或相對兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。 電橋平衡條件電壓靈敏度 應(yīng)變片工作時：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。由于放大器的輸入阻

6、抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時仍視電橋為開路情況。當(dāng)受應(yīng)變時：若應(yīng)變片電阻變化為R，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，輸出電壓為 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圓環(huán)：A、B兩點的應(yīng)變。 內(nèi)貼取“一” 內(nèi)貼取“” 式中： h圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。3懸臂梁式力傳感器懸臂梁是一端固定另一端自由的彈性敏感元件，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，在較小力的測量中應(yīng)用普遍。根據(jù)梁的截面形狀不同可分為變截面梁（等強度梁）和等截面梁。應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力。 應(yīng)變片壓力傳感器大多采用膜片式或筒式彈性元件。 在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生徑向

7、應(yīng)變r和切向應(yīng)變t，表達式分別為 ：膜片式壓力傳感器應(yīng)變變化曲線的特點：當(dāng)x=0時，rmax=tmax；當(dāng)x=R時，t=0， r=2rmax。 特點的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個應(yīng)變片， 在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個應(yīng)變片，然后接成全橋測量電路。 避開 位置。感壓膜感受上面液體的壓力。 當(dāng)容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時輸出電壓為 ：式中, S為傳感器傳輸系數(shù)。 結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測量容器內(nèi)儲存的溶液重量。 應(yīng)變電阻式加速度傳感器應(yīng)變電阻式加速度傳感器用于

8、測量物體的加速度。加速度是運動參數(shù)而不是力，因此，它首先需要經(jīng)過質(zhì)量慣性系統(tǒng)將加速度轉(zhuǎn)換成力，再作用于彈性元件上來實現(xiàn)測量：應(yīng)變電阻式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.18所示。等強度梁的自由端安裝質(zhì)量塊，另一端固定在殼體上；等強度梁上粘貼四個電阻應(yīng)變敏感元件；通常殼體內(nèi)充滿硅油以調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼系數(shù)。測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度 運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，導(dǎo)致其上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化，引起測量電橋不平衡而輸出電壓，即可得出加速度的大小。這種測量方法主要用于低頻（1060Hz）的振動和沖擊測量。氣敏

9、傳感器的定義：是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件它將氣體種類及其濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱便可獲得與待測氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。 2.2 氣敏電阻 氣敏傳感器的性能要求 對被測氣體具有較高的靈敏度對被測氣體以外的共存氣體或物質(zhì)不敏感 性能穩(wěn)定，重復(fù)性好 動態(tài)特性好，對檢測信號響應(yīng)迅速使用壽命長 制造成本低，使用與維護方便等 專一性氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性靈敏度：對被測氣體(種類)的敏感程度響應(yīng)時間 ：對被測氣體濃度的響應(yīng)速度選擇性：指在多種氣體共存的條件下，氣敏元件區(qū)分氣體種類的能力穩(wěn)定性：當(dāng)被測氣體濃度不變時，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時間內(nèi)氣敏

10、元件輸出特性保持不變的能力溫度特性：氣敏元件靈敏度隨溫度變化而變化的特性濕度特性：氣敏元件靈敏度隨環(huán)境濕度變化而變化的特性電源電壓特性：指氣敏元件靈敏度隨電源電壓變化而變化的特性 時效性：反映元件氣敏特性穩(wěn)定程度的時間，就是時效性；互換性：同一型號元件之間氣敏特性的一致性，反映了其互換性 2.2.3 工作原理是利用半導(dǎo)體氣敏元件（主要是氧化錫、氧化鋅、三氧化二鐵等金屬氧化物）同待測氣體接觸，造成半導(dǎo)體的電導(dǎo)率等物理性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測特定氣體的成份或者濃度的當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)，在氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附時，被吸附的分子首先在表面物性自由擴散（物理吸附），失去運動能量，其間一部分

11、分子被蒸發(fā)掉，殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。氣敏電阻的阻值變化規(guī)律當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體（SnO2, ZnO)上，還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體(CrO3)上時，將使半導(dǎo)體載流子減少，而使電阻值增大當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上時，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。N型半導(dǎo)體吸附氣體時器件阻值變化圖 SnO2的靈敏度特性和溫濕度特性SnO2氣敏電阻的基本檢測電路電阻式氣敏元件通常工作于高溫狀態(tài)，一般溫度范圍在200450，有利于去除油污、塵埃，并加速氣體與金屬氧化物的氧化還原反應(yīng)，從而提高靈敏度和呼應(yīng)速度主要類型 燒結(jié)型氣敏器件 薄膜型氣敏器件

12、厚膜型氣敏器件 燒結(jié)型氣敏器件 燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些摻雜劑（Pt、Pb等）用水或粘合劑調(diào)合，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將混合好的膏狀物倒入模具，埋入加熱絲和測量電極，經(jīng)傳統(tǒng)的制陶方法燒結(jié)。最后將加熱絲和電極焊在管座上，加上特制外殼就構(gòu)成器件。 該類器件分為兩種結(jié)構(gòu)：直熱式和旁熱式。 直熱式氣敏器件 直熱式器件管芯體積很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)，兼作一個測量極缺點：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響測量電路與加熱電路之間相互干擾，影響其測量參數(shù)加熱絲在加熱與不加熱兩種情況下產(chǎn)生的膨脹與冷縮，容易造成器件接觸不良旁熱式氣敏器件 旁熱式氣敏

13、器件是把高阻加熱絲放置在陶瓷絕緣管內(nèi)，在管外涂上梳狀金電極，再在金電極外涂上氣敏半導(dǎo)體材料，就構(gòu)成了器件克服了直熱式結(jié)構(gòu)的缺點，器件的穩(wěn)定性得到提高薄膜型氣敏器件 制作采用蒸發(fā)或濺射的方法，在處理好的石英基片上形成一層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極。實驗證明：SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好優(yōu)點：靈敏度高、響應(yīng)迅速、機械強度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等厚膜型氣敏器件 厚膜型氣敏器件是將SnO2和ZnO等材料與315重量的硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印制到裝有鉑電極的氧化鋁基片上，在400800高溫下燒結(jié)12小時制成優(yōu)點：一致性好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)

14、 電阻式氣敏傳感器的特點 優(yōu)點：工藝簡單，價格便宜，使用方便；氣體濃度發(fā)生變化時響應(yīng)迅速；即使是在低濃度下，靈敏度也較高。缺點：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識別能力不強，各器件之間的特性差異大（即互換性差）等。 氣敏傳感器QM-N5為對瓦斯敏感元件。閉合開關(guān)S，4V電源通過R1對氣敏元件QM-N5預(yù)熱。當(dāng)?shù)V井無瓦斯或瓦斯?jié)舛群艿蜁r，氣敏元件的A與B間等效電阻很大，經(jīng)與電位器RP分壓，其動觸點電壓 0.7V，不能觸發(fā)晶閘管VT。因此，由LC179和R2組成的警笛振蕩器無供電，揚聲器不發(fā)聲；如果瓦斯?jié)舛瘸^安全標(biāo)準(zhǔn)，氣敏元件的A和B間的等效電阻迅速減小，致使 0.7V而觸發(fā)VT導(dǎo)通，接通警笛電路的電源

15、，警笛電路產(chǎn)生振蕩，揚聲器發(fā)出報警聲。電位器RP設(shè)定報警濃度。礦井瓦斯超限報警器工作原理圖 2.2.5 氣敏電阻的應(yīng)用 家用有毒氣體報警器電路圖家用有毒氣體報警器濕度的定義及其表示方法 所謂濕度，是指大氣中水蒸氣的含量它通常有如下幾種表示方法：絕對濕度（AH） 相對濕度（%RH） 露點 2.3 濕敏傳感器 絕對濕度（AH） 絕對濕度是指單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，其數(shù)學(xué)表達式為 絕對濕度給出了水分在空氣中的具體含量。相對濕度（RH） 相對濕度是指待測空氣中實際所含的水蒸氣分壓與相同溫度下飽和水蒸氣壓比值的百分數(shù)。其數(shù)學(xué)表達式為： 相對濕度給出了大氣的潮濕程度。實際中常用。露點（溫度）在一定

16、大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時，空氣中的水蒸氣達到飽和狀態(tài)，開始從氣態(tài)變成液態(tài)而凝結(jié)成露珠，這種現(xiàn)象稱為結(jié)露，這一特定溫度就稱為露點溫度濕敏電阻的主要參數(shù)及特性 感濕特性 感濕特性為濕敏傳感器特征量(如：電阻值、電容值等)隨濕度變化的特性濕度量程 濕敏傳感器的感濕范圍 靈敏度 濕敏傳感器的感濕特征量(如：電阻值、電容值等)隨環(huán)境濕度變化的程度，即濕敏傳感器感濕特性曲線的斜率濕滯特性 同一濕敏傳感器吸濕過程（相對濕度增大）和脫濕過程（相對濕度減小）感濕特性曲線不重合的現(xiàn)象就稱為濕滯特性。響應(yīng)時間 指在一定環(huán)境溫度下，當(dāng)被測相對濕度發(fā)生躍變時，濕敏傳感器的感濕特征量達到

17、穩(wěn)定變化量的規(guī)定比例所需的時間。一般以相應(yīng)的起始濕度到終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間的90%的相對濕度變化所需的時間來進行計算。 感濕溫度系數(shù) 當(dāng)被測環(huán)境濕度恒定不變時，溫度每變化1，引起濕敏傳感器感濕特征量的變化量，就稱為感濕溫度系數(shù)。老化特性 老化特性是指濕敏傳感器在一定溫度、濕度環(huán)境下存放一定時間后，其感濕特性將會發(fā)生改變的特性。電解式濕敏電阻的基本原理電解質(zhì)式濕敏電阻是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進行工作的，其感濕特征量為電阻值。典型地：LiCl濕敏電阻電解質(zhì)式（氯化鋰）濕敏電阻 氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。

18、氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正負離子的形式存在，而Li對水分子的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。原理：當(dāng)溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖 氯化鋰濕度電阻特性曲線 結(jié)構(gòu)與特性曲線 氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點：滯后小，不受測試環(huán)境風(fēng)速影響， 檢測精度高達% 缺點：耐熱性差，不能用于露點以下測量， 器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短陶瓷式電阻濕敏傳感器 通常，用兩種以上的金屬氧化

19、物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成為多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、 TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增加而增大，故稱為正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷 2. 正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理 正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機理的解釋可以認為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)體陶瓷的表面使電勢變負時，導(dǎo)致其表面層電子濃度下降，但這還不足以使表面層的空穴濃度增加到出現(xiàn)反型程度，此時仍以電子導(dǎo)電為主。于是，表面電阻將由于電子濃度下降而加大，這類半導(dǎo)瓷材料的表面

20、電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導(dǎo)瓷材料都是多孔的，表面電導(dǎo)占的比例很大，故表面層電阻的升高， 必將引起總電阻值的明顯升高。 典型陶瓷濕敏傳感器 （1）MgCr2O4-TiO2濕敏元件 氧化鎂復(fù)合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕電”轉(zhuǎn)換器件，它是負特性半導(dǎo)瓷，MgCr2O4為型半導(dǎo)體，它的電阻率低，阻值溫度特性好MgCr2O4-TiO2陶瓷 MgCr2O4-TiO2陶瓷濕度傳感器感濕特性陶瓷式電阻濕敏傳感器的特點 傳感器表面與水蒸氣的接觸面積大，易于水蒸氣的吸收與脫卻； 陶瓷燒結(jié)體能耐高溫，物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合采用加熱去污的方法恢復(fù)材料的濕敏特性； 可以通過調(diào)整燒結(jié)體表面晶粒、晶粒界和細微氣孔的構(gòu)造，改善傳感器濕敏特性。 高分子式電阻濕敏傳感器 利用高分子電解質(zhì)吸濕而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的基本原理來進行測量的。當(dāng)水吸附在強極性基高分子上時，隨著濕度的增加吸附量增大，吸附水之間凝聚呈液態(tài)水狀態(tài)。在低濕吸附量少的情況下，由于沒有荷電離子產(chǎn)生，電阻值很高