傳感器原理與應用-電阻式

傳統(tǒng)傳感器原理及應用TraditionalTransducers2023/2/51傳統(tǒng)傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/2/52電參量型傳感器是輸出為電路參數(shù)，即電阻、電感(自感)和電容的傳感器的總稱，即將被測物理量變化轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的變化，再配以適當?shù)霓D(zhuǎn)換電路，將輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵觥ｋ妳⒘啃蛡鞲衅鞫紝儆谀芰靠刂菩蛡鞲衅?。下面將介紹幾種典型的電參量型傳感器，包括電阻輸出型、電感輸出型、電容輸出型三類電參量型傳感器。電參量型傳感器2023/2/53電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測量電路電參量型傳感器2023/2/54被測量變化能引起傳感器輸出電阻值變化的傳感器統(tǒng)稱為電阻輸出型傳感器，簡稱電阻式傳感器。電阻式傳感器2023/2/55電阻式傳感器

電位器式傳感器

電阻應變式傳感器熱電阻傳感器電阻輸出型半導體傳感器2023/2/56應用示例：電位器式傳感器2023/2/57測量原理電位器是帶有直線或旋轉(zhuǎn)滑動觸頭的電阻性器件。被測量通過帶動觸頭移動使輸出電阻發(fā)生變化實現(xiàn)測量。在實際應用中，可以用于直線運動測量，也可用于角位移測量。電位器式傳感器圖3.3各種電阻體變阻器結(jié)構(gòu)圖2023/2/58測量原理繞線式電位器傳感器的結(jié)構(gòu)類型：電位器式傳感器圖3.3.4線繞式變阻器結(jié)構(gòu)類型(b)角位移型(c)非線性型(a)直線位移型2023/2/59應用特性電位器由電阻元件、滑動觸頭、調(diào)節(jié)桿或傳動桿、軸承和外殼組成。電位器式傳感器2023/2/510應用特性電位器式傳感器可輸出較大的電阻變化，可采用如圖3.6所示電阻分壓電路來實現(xiàn)測量。電位器式傳感器圖3.6電阻分壓電路2023/2/511應用特性電位器把機械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為電阻或電壓輸出。主要應用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點是要求輸入能量大，滑動觸頭的摩擦和慣性限制了其動態(tài)特性，灰塵、濕氣、氧化和磨損又加大了噪聲，從而使其測量分辨力下降，使用壽命縮短。此外，觸頭滑動形成電火花，大大降低了其安全性。電位器式傳感器2023/2/512應用案例(1)：滑線變阻器式位移傳感器2023/2/513應用案例(2)：液體電位器氣泡式水平儀

圖3.9氣泡式水平儀x2023/2/514電阻應變式傳感器應用示例：2023/2/515測量原理電阻應變片(ResistanceStrainSensor)是應變測量的關(guān)鍵元件，電阻應變片的工作原理是基于應變電阻效應。根據(jù)制作材料不同，電阻應變片通常分為金屬應變片和半導體應變片兩大類。(1)

應變電阻效應電阻應變式傳感器應變電阻效應即在導體發(fā)生機械變形時，導體電阻值相應發(fā)生變化的效應。

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應變電阻效應電阻應變式傳感器2023/2/517金屬應變片的應變電阻效應電阻應變式傳感器金屬應變片的電阻變化主要由其結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，故金屬應變片屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。

材料不同，電阻變化的主要來源不同，電阻應變片通常分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩大類。2023/2/518半導體應變片的應變電阻效應壓阻效應：指半導體材料在某一軸向受外力時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應變式傳感器半導體應變片工作原理：半導體應變片是利用半導體材料的物理效應——壓阻效應工作的，因此半導體應變片屬于物性型傳感器。

2023/2/519電阻應變片工作原理總結(jié)：電阻應變片工作原理基于應變電阻效應，感受靈敏柵軸向線應變，輸出電阻應變，即：電阻應變式傳感器金屬材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致;后部分為電阻率隨應變而變的部分。金屬應變片的應變電阻效應以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主，屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。半導體材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同樣為尺寸變化所致；后部分為半導體材料的壓阻效應所致。半導體應變片的壓變電阻效應主要基于壓阻效應，屬于物性型傳感器。2023/2/520(2)

電阻應變式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型

應變計的結(jié)構(gòu)利用導電材料的應變電阻效應，可以制成測量試件表面應變的敏感元件，即：電阻應變計（片），簡稱應變計（片）

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。電阻應變式傳感器應變計的結(jié)構(gòu)型式及其組成敏感柵、基底、引線、蓋層、粘結(jié)劑。引線覆蓋層基片敏感柵2023/2/521應用特性電阻應變式傳感器有以下兩種應用方式：直接用來測定結(jié)構(gòu)的應變和應力。

將應變片粘貼于彈性元件上，作為力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。

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電阻應變式傳感器的結(jié)構(gòu)與類型

電阻應變式傳感器應變計的結(jié)構(gòu)型式及其組成2023/2/522應用特性電阻應變式傳感器應用特性：屬于接觸式測量。電阻應變計測量時必須粘貼在試件或彈性元件上才能工作，因此粘貼劑和粘貼技術(shù)對測量結(jié)果有著直接影響。一般適用于中、低頻率范圍。溫度的變化會引起電阻值的變化，從而需要采取溫度補償措施。2023/2/523電阻應變式傳感器的測力應用2023/2/524應用案例(1)：應變式壓力傳感器應變片膜片彈性梁壓力圖3.16應變式壓力傳感器2023/2/525電子秤

磅秤超市打印秤2023/2/526電子天平電子天平的精度可達十萬分之一2023/2/527人體秤

2023/2/528吊鉤秤

便攜式2023/2/529材料應變的測量2023/2/530應變式振動、加速度檢測加速度傳感器示意圖1－應變片；2－基座；3－質(zhì)量塊；4－懸梁臂

2023/2/531應用案例(2)：應變式水平儀圖3.18應變式水平儀2023/2/532熱電阻傳感器應用示例：A流體管道流量檢測2023/2/533熱電阻傳感器測量原理熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關(guān)的參量進行檢測的裝置。熱電阻傳感器是熱電傳感器的一種。能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的熱電傳感器稱為熱電阻傳感器。將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的熱電傳感器稱為熱電偶傳感器。（將在電量型傳感器中介紹）

熱電阻傳感器根據(jù)材料不同可分為金屬熱電阻式（簡稱熱電阻）和半導體熱電阻式（簡稱熱敏電阻）兩大類。2023/2/534熱電阻傳感器(1)

金屬熱電阻傳感器大多數(shù)的金屬導體的電阻率隨著溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)，這就是熱電阻測溫的基礎(chǔ)。目前應用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，并且已做成標準測溫熱電阻。鉑熱電阻及其特性鉑電阻溫度計的使用范圍是-200℃～850℃：

2023/2/535熱電阻傳感器鉑熱電阻及其特性鉑電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化、高溫環(huán)境下的物理、化學性質(zhì)都非常穩(wěn)定。鉑電阻主要作為標準電阻溫度計使用，也常被用在工業(yè)測量中。此外，鉑電阻還被廣泛地應用于溫度的基準、標準的傳遞。價格昂貴。

銅熱電阻及其特性-200℃～0℃溫度范圍內(nèi)，銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為：銅容易提純，價格便宜，在-50℃~150℃范圍內(nèi)銅電阻化學、物理性能穩(wěn)定，輸出-輸入特性接近線性關(guān)系。不足之處是測量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。2023/2/536熱敏電阻按電阻值隨溫度變化的特性可分為三種類型：正溫度系數(shù)(PTC)熱電阻傳感器(2)

半導體熱敏電阻傳感器半導體熱敏電阻是利用半導體材料的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。04080120160200100102104106溫度/℃電阻/Ω負溫度系數(shù)(NTC)正溫度系數(shù)(PTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)負溫度系數(shù)(NTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)PTC型主要用于過熱保護，定溫控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的負溫度系數(shù)和較大的溫度敏感范圍，既可用作溫度測量，也可作溫控器件。CTR型熱敏電阻具有開關(guān)特性，因而主要用作溫控開關(guān)。2023/2/537熱電阻傳感器(2)

半導體熱敏電阻傳感器在溫度測量中，主要采用NTC和PTC型熱敏電阻，其中NTC型熱敏電阻應用最普遍。

熱敏電阻與金屬熱電阻比較的特點：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量；電阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系，需進行線性化處理；穩(wěn)定性與互換性差。熱敏電阻的應用：用于直接測量溫度或可以轉(zhuǎn)換為溫度測量的其他物理量的測量，如熱敏電阻體溫表、熱導式氣體成分分析儀等。2023/2/538熱電阻傳感器(3)

熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻主要由感溫元件（電阻體）、內(nèi)引線、保護管三部分構(gòu)成。

安裝固定件電阻體絕緣套筒不銹鋼套管引線口接線盒圖3.21工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)2023/2/539熱電阻的結(jié)構(gòu)圖3.22熱電阻的外形結(jié)構(gòu)圖2023/2/540熱敏電阻的結(jié)構(gòu)圖3.23柱形熱敏電阻結(jié)構(gòu)圖釷鎂絲鉑絲電阻體保護管銀焊點絕緣柱電極電極圖3.24各種類型的熱敏電阻2023/2/541熱電阻傳感器(3)

熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻的連線方式：內(nèi)引線是熱電阻出廠時自身具備的引線，其功能是使感溫元件能與外部測量及控制裝置相連接。熱電阻的外引線有兩線制、三線制及四線制三種。①二線制：三線制：四線制：tR1R2R3RtEout(a)二線制tR1R2R3RtEout(b)三線制i

RtEout恒流源(c)四線制2023/2/542類型：普通型、鎧裝型、小型、薄膜型、防爆型等。熱電阻傳感器的類型2023/2/543熱電阻傳感器應用特性用于工業(yè)溫度參數(shù)的測控，以及可轉(zhuǎn)換成溫度測量的其他物理量的測量，如流體流量檢測、氣體成分分析等。熱電阻也常用于溫度補償電路的感溫元件，或用于某些物理量溫度系數(shù)的修正，如各種傳感器的溫度補償電路、熱電偶的冷端補償電路等等。

2023/2/544熱電阻測量溫度dV2023/2/545應用案例(1)：熱電偶體溫表圖3.26熱電阻體溫表熱電阻圖3.27調(diào)頻式熱電阻體溫表熱電阻2023/2/546應用案例(2)：熱導式氣體成分分析儀2023/2/547電阻輸出型半導體傳感器利用半導體材料的各種物理效應可以把一些物理量、化學量和生物量的變化轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號，從而制成各種半導體式傳感器。半導體傳感器都是物性型傳感器。下面介紹幾種典型的電阻輸出型半導體傳感器：

擴散硅壓阻式傳感器

磁敏電阻

電阻型氣敏器件

濕敏電阻2023/2/548電阻輸出型半導體傳感器擴散硅壓阻式傳感器應用示例：圖3.29壓阻式液位傳感器背壓管壓阻式壓力傳感器支架2023/2/549電阻輸出型半導體傳感器擴散硅壓阻式傳感器(1)

測量原理利用半導體工藝中的擴散技術(shù)，將敏感元件（半導體應變片）和應變材料（基底）合二為一，制成擴散型壓阻式傳感器。這類傳感器的應變電阻與基底是同一塊材料，通常是半導體硅，因此統(tǒng)稱為擴散硅壓阻式傳感器。擴散硅壓阻式傳感器的工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。2023/2/550電阻輸出型半導體傳感器擴散硅壓阻式傳感器(2)

應用特性擴散硅壓阻式傳感器是典型的物性型傳感器。壓阻式傳感器與半導體應變片的異同點：相同點：都是基于半導體材料的壓阻效應，都屬于物性型傳感器。不同點：安裝方式不同：半導體應變片通過粘貼的方式將靈敏柵貼于被測試件（彈性體），因此其高頻特性較差，不適于高頻的動態(tài)檢測；壓阻傳感器是通過擴散技術(shù)將靈敏柵和彈性體融為一體，因此靈敏度、分辨力高。其動態(tài)性能較半導體應變片大大改善，可用于加速度和振動檢測。應用特點：用于靜、動態(tài)壓力測量，或可以轉(zhuǎn)化為壓力檢測的其他物理量的測量。2023/2/551應用案例：壓阻式壓差傳感器圖3.32壓阻式壓差傳感器2023/2/552電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻應用示例：2023/2/553電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻(1)

測量原理磁敏電阻是利用磁阻效應制成的一種磁敏元件。

磁阻效應：將一載流導體置于外磁場中，其電阻值隨磁場而變化的現(xiàn)象稱為“磁敏電阻效應”，簡稱“磁阻效應”。

2023/2/554電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻(1)

測量原理磁阻效應與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。若考慮形狀的影響，其長寬比(L/b)越小，則磁阻效應也越明顯。

圓盤形磁敏電阻的磁敏效應最強，圓盤的中間和邊緣處為兩電極。這種圓盤形磁阻器叫做科爾比諾圓盤，這時的效應叫做科爾比諾效應。2023/2/555電阻輸出型半導體傳感器磁敏電阻(2)

應用特性磁敏電阻的實際應用可以分為以下兩類，即用于直接測量磁場和通過磁場變化測量其他物理量。第一類包括電流測量、基于測量地球磁場的電子羅盤、磁錄音（對磁帶速度變化不敏感）、計算機磁盤驅(qū)動器、信用卡閱讀機、磁編碼價格標簽以及機場和零售商品安全系統(tǒng)。還根據(jù)鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。第二類包括測量直線位移和角位移、旋轉(zhuǎn)、位置、角度、接近開關(guān)、鐵磁性金屬檢測，如。在所有這些應用中，移動目標必須改變磁場。為此，需要將金屬目標或者帶有金屬覆蓋物或金屬識別器的目標放入恒定磁場，或使待檢測活動元件攜帶永磁體。2023/2/556SN磁阻元件擺桿磁體外殼(a)水平時SN(b)傾斜時應用案例：垂直鐘擺磁阻式水平儀2023/2/557電阻輸出型半導體傳感器電阻型氣敏器件應用示例：圖3.37電阻型氣敏傳感器2023/2/558電阻輸出型半導體傳感器電阻型氣敏器件(1)

測量原理氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。按照半導體變化的物理特征，可分為電阻型和非電阻型兩類半導體氣敏傳感器。電阻型氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測氣體的濃度改變來檢測氣體的濃度或成分。結(jié)構(gòu)：半導體式氣敏元件一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。

分類：按其結(jié)構(gòu)可分成燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類。圖3.15

半導體式傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型電極氧化物半導體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導體的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加