第三章-電阻式傳感器課件

第三章_電阻式傳感器第3章電阻式傳感器

3.1電阻應(yīng)變片式傳感器3.2氣敏電阻傳感器3.3濕敏電阻傳感器第三章_電阻式傳感器3.1應(yīng)變片工作原理應(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)變特性的物體第三章_電阻式傳感器應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器工作原理：

當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量第三章_電阻式傳感器3.1.1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(jī)械變形時(shí)，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)”。

第三章_電阻式傳感器一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：

第三章_電阻式傳感器

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl，橫截面積相應(yīng)減小ΔA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ，從而引起電阻值變化量為

：式中：dL/L——長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?/p>

電阻相對(duì)變化量：第三章_電阻式傳感器dA/A——圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr，則：材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。

第三章_電阻式傳感器推得：

定義：電阻絲的靈敏系數(shù)（物理意義）：?jiǎn)挝粦?yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為第三章_電阻式傳感器靈敏度系數(shù)K受兩個(gè)因素影響一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（?ρ/ρ）/ε。對(duì)金屬材料：1+2μ＞＞(?

ρ/ρ)/ε對(duì)半導(dǎo)體材料：(?

ρ/ρ)/ε＞＞1+2μ大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。

第三章_電阻式傳感器3.1.2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)變片第三章_電阻式傳感器金屬電阻應(yīng)變片第三章_電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片第三章_電阻式傳感器分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：式中：π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);

σ——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;

ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。

第三章_電阻式傳感器因此：實(shí)驗(yàn)證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：

第三章_電阻式傳感器

測(cè)量原理：在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)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σ為：σ=E·ε

第三章_電阻式傳感器3.1.3應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片的溫度誤差由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的改變而給測(cè)量帶來的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。產(chǎn)生應(yīng)變片溫度誤差的主要因素有下述兩個(gè)方面。

1)電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示：

Rt=R0(1+α0Δt)

第三章_電阻式傳感器式中:Rt——溫度為t時(shí)的電阻值；

R0——溫度為t0時(shí)的電阻值；α0——溫度為t0時(shí)金屬絲的電阻溫度系數(shù)；Δt——溫度變化值，Δt=t-t0。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，電阻絲電阻的變化值為：

ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt

第三章_電阻式傳感器2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。設(shè)電阻絲和試件在溫度為0℃時(shí)的長(zhǎng)度均為l0,它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，若兩者不粘貼，則它們的長(zhǎng)度分別為：

ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)

第三章_電阻式傳感器

當(dāng)兩者粘貼在一起時(shí)，電阻絲產(chǎn)生的附加變形Δl、附加應(yīng)變?chǔ)纽潞透郊与娮枳兓β分別為：

第三章_電阻式傳感器由于溫度變化而引起的應(yīng)變片總電阻相對(duì)變化量為

結(jié)論：因環(huán)境溫度變化而引起的附加電阻的相對(duì)變化量，除了與環(huán)境溫度有關(guān)外，還與應(yīng)變片自身的性能參數(shù)（K0,α0,βs）以及被測(cè)試件線膨脹系數(shù)βg有關(guān)。

第三章_電阻式傳感器3.2.2電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。

電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的電阻片溫度誤差補(bǔ)償方法。

第三章_電阻式傳感器電橋補(bǔ)償法第三章_電阻式傳感器電路分析g為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和R2對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。第三章_電阻式傳感器

測(cè)量方法：當(dāng)被測(cè)試件不承受應(yīng)變時(shí)：R1和R2又處于同一環(huán)境溫度為t的溫度場(chǎng)中，調(diào)整電橋參數(shù)使之達(dá)到平衡，此時(shí)有：工程上，一般按R1=R2=R3=R4

選取橋臂電阻。

第三章_電阻式傳感器溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)：當(dāng)溫度升高或降低Δt=t-t0時(shí)，兩個(gè)應(yīng)變片因溫度而引起的電阻變化量相等，電橋仍處于平衡狀態(tài)，即：

應(yīng)變的測(cè)量：被測(cè)試件有應(yīng)變?chǔ)诺淖饔茫瑒t工作應(yīng)變片電阻R1又有新的增量ΔR’1=R1Kε，而補(bǔ)償片因不承受應(yīng)變，故不產(chǎn)生新的增量，此時(shí)電橋輸出電壓為：可見：電橋的輸出電壓Uo僅與被測(cè)試件的應(yīng)變?chǔ)庞嘘P(guān)，而與環(huán)境溫度無關(guān)。第三章_電阻式傳感器

注意補(bǔ)償條件：

①在應(yīng)變片工作過程中，保證R3=R4。②R1和R2兩個(gè)應(yīng)變片應(yīng)具有相同的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏度系數(shù)K和初始電阻值R0。③粘貼補(bǔ)償片的補(bǔ)償塊材料和粘貼工作片的被測(cè)試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數(shù)相同。④兩應(yīng)變片應(yīng)處于同一溫度場(chǎng)。

第三章_電阻式傳感器3.3測(cè)量電路

3.3.1直流電橋

1.直流電橋平衡條件圖3.5直流電橋

當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為：

第三章_電阻式傳感器當(dāng)電橋平衡時(shí)，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(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。電橋平衡條件第三章_電阻式傳感器2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時(shí)：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(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高很多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路情況。

當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0，則電橋不平衡，輸出電壓為第三章_電阻式傳感器第三章_電阻式傳感器

設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，則上式可寫為：

電橋電壓靈敏度定義為：第三章_電阻式傳感器

分析：

①電橋電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，供電電壓越高，電橋電壓靈敏度越高，但供電電壓的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇；②電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。

？當(dāng)E值確定后，n取何值時(shí)才能使KU最高？第三章_電阻式傳感器分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值

求得n=1時(shí)，KU為最大值。即在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有：

結(jié)論：當(dāng)電源電壓E和電阻相對(duì)變化量ΔR1/R1一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值，且與各橋臂電阻阻值大小無關(guān)。

第三章_電阻式傳感器3.非線性誤差及其補(bǔ)償方法

與ΔR1/R1的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為

理想情況（略去分母中的ΔR1/R1項(xiàng)）：實(shí)際情況（保留分母中的ΔR1/R1項(xiàng)）：第三章_電阻式傳感器如果橋臂比n=1，則：例如：對(duì)于一般應(yīng)變片：所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?000μ以下，若取KU=2，則ΔR1/R1=KUε=0.01，計(jì)算得非線性誤差為0.5%；若KU=130，ε=1000μ時(shí)，ΔR1/R1=0.130，則得到非線性誤差為6%，故當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。

第三章_電阻式傳感器圖3.6差動(dòng)電橋

減小和消除非線性誤差的方法第三章_電阻式傳感器半橋差動(dòng)：在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂。該電橋輸出電壓為：

若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，則得：

可知：Uo與ΔR1/R1成線性關(guān)系，無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度KU=E/2，是單臂工作時(shí)的兩倍。第三章_電阻式傳感器

全橋差動(dòng)：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

結(jié)論：全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的4倍。第三章_電阻式傳感器

3.3.2交流電橋引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。第三章_電阻式傳感器圖3.7交流電橋

第三章_電阻式傳感器式中,C1、C2表示應(yīng)變片引線分布電容。

每一橋臂上復(fù)阻抗分別為：第三章_電阻式傳感器交流電橋輸出：

電橋平衡條件：Uo=0，即：

Z1Z4=Z2Z3

整理可得：

第三章_電阻式傳感器變形為：

交流電橋的平衡條件（實(shí)部、虛部分別相等）：第三章_電阻式傳感器交流電橋平衡條件：第三章_電阻式傳感器

如果采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)：當(dāng)被測(cè)應(yīng)力變化引起工作應(yīng)用片阻值變化時(shí)，則電橋輸出為：第三章_電阻式傳感器3.4應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

應(yīng)變片能將應(yīng)變直接轉(zhuǎn)換成電阻的變化其他物理量（力、壓力、加速度等），需先將這些量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變－彈性元件應(yīng)變式傳感器的組成：彈性元件、應(yīng)變片、附件（補(bǔ)償元件、保護(hù)罩等）第三章_電阻式傳感器3.4.1應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量：荷重或力。主要用途：作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、水壩壩體承載狀況監(jiān)測(cè)等。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等。第三章_電阻式傳感器圖3.9圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開圖；（d）橋路連線圖

1.柱（筒）式力傳感器第三章_電阻式傳感器2.環(huán)式力傳感器第三章_電阻式傳感器

對(duì)R/h>5的小曲率圓環(huán)：A、B兩點(diǎn)的應(yīng)變。

這樣，測(cè)出A、B處的應(yīng)變，即可得到載荷F。

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。第三章_電阻式傳感器

3.4.2應(yīng)變式壓力傳感器

主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)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)生徑向應(yīng)變?chǔ)舝和切向應(yīng)變?chǔ)舤，表達(dá)式分別為：第三章_電阻式傳感器膜片式壓力傳感器第三章_電阻式傳感器應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)：當(dāng)x=0時(shí)，εrmax=εtmax；當(dāng)x=R時(shí)，εt=0，εr=－2εrmax。

特點(diǎn)的應(yīng)用：一般在平膜片圓心處切向粘貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向粘貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成全橋測(cè)量電路。避開位置。第三章_電阻式傳感器圖3.13應(yīng)變片液體重量傳感器

3.4.3應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器第三章_電阻式傳感器

感壓膜感受上面液體的壓力。當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為：式中,K1，K2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(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。

第三章_電阻式傳感器

化學(xué)傳感器

3.2氣敏傳感器3.3濕敏傳感器

化學(xué)傳感器：能將各種化學(xué)物質(zhì)特性的變化定性或定量地轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器氣體濃度離子濃度空氣濕度第三章_電阻式傳感器氣敏傳感器的定義：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(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況有關(guān)的信息。

3.2氣敏傳感器

氣敏傳感器的基本概念及分類第三章_電阻式傳感器氣敏傳感器的性能要求：

對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度對(duì)被測(cè)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(dòng)態(tài)特性好，對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)迅速使用壽命長(zhǎng)制造成本低，使用與維護(hù)方便等第三章_電阻式傳感器氣敏傳感器的主要參數(shù)及特性靈敏度：對(duì)氣體的敏感程度響應(yīng)時(shí)間：對(duì)被測(cè)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(cè)氣體濃度不變時(shí)，若其他條件發(fā)生改變，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)氣敏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(shí)效性與互換性：反映元件氣敏特性穩(wěn)定程度的時(shí)間，就是時(shí)效性；同一型號(hào)元件之間氣敏特性的一致性，反映了其互換性

第三章_電阻式傳感器氣敏傳感器的分類類型原理檢測(cè)對(duì)象特點(diǎn)半導(dǎo)體式

若氣體接觸到加熱的金屬氧化物(SnO2、Fe2O3、ZnO2等)，電阻值會(huì)增大或減小還原性氣體、城市排放氣體、丙烷氣等靈敏度高，構(gòu)造與電路簡(jiǎn)單，但輸出與氣體濃度不成比例接觸燃燒式

可燃性氣體接觸到氧氣就會(huì)燃燒，使得作為氣敏材料的鉑絲溫度升高，電阻值相應(yīng)增大燃燒氣體輸出與氣體濃度成比例，但靈敏度較低化學(xué)反應(yīng)式利用化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生的電流、顏色、電導(dǎo)率的增加等CO、H2、CH4、C2H5OH、SO2等氣體選擇性好，但不能重復(fù)使用光干涉式利用與空氣的折射率不同而產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象與空氣折射率不同的氣體，如CO2等壽命長(zhǎng)，但選擇性差熱傳導(dǎo)式根據(jù)熱傳導(dǎo)率差而放熱的發(fā)熱元件的溫度降低進(jìn)行檢測(cè)與空氣熱傳導(dǎo)率不同的氣體，如H2等構(gòu)造簡(jiǎn)單，但靈敏度低，選擇性差紅外線吸收散射式由于紅外線照射氣體分子諧振而吸收或散射量進(jìn)行檢測(cè)CO、CO2等能定性測(cè)量，但裝置大，價(jià)格高第三章_電阻式傳感器

半導(dǎo)體式氣敏傳感器的工作原理半導(dǎo)體式氣敏傳感器：利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生變化的原理來檢測(cè)特定氣體的成分或者濃度半導(dǎo)體式氣敏傳感器可分為：電阻式非電阻式第三章_電阻式傳感器半導(dǎo)體式氣敏傳感器

電阻式

燒結(jié)型

薄膜型

厚膜型

二極管氣敏傳感器

MOS二極管氣敏傳感器

Pd—MOSFET氣敏傳感器非電阻式

半導(dǎo)體式氣敏傳感器的分類

第三章_電阻式傳感器（1）電阻式氣敏傳感器基本原理是利用氣體在半導(dǎo)體表面的氧化還原反應(yīng)導(dǎo)致敏感元件阻值變化而制成的。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(shí)，被吸附的分子首先在表面物性自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處（化學(xué)吸附）。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的親和力時(shí)，吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體被稱為氧化型氣體或電子接收性氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有H2、CO、碳?xì)浠衔锖痛碱?，它們被稱為還原型氣體或電子供給性氣體。第三章_電阻式傳感器當(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(shí)，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(shí)，則載流子增多，使半導(dǎo)體電阻值下降。第三章_電阻式傳感器

N型半導(dǎo)體吸附氣體時(shí)器件阻值變化圖第三章_電阻式傳感器規(guī)則總結(jié)：氧化型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加還原型氣體＋N型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小氧化型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)增加，電阻減小還原型氣體＋P型半導(dǎo)體：載流子數(shù)下降，電阻增加第三章_電阻式傳感器SnO2的靈敏度特性和溫－濕度特性第三章_電阻式傳感器SnO2氣敏電阻的基本檢測(cè)電路第三章_電阻式傳感器主要類型

燒結(jié)型氣敏器件

薄膜型氣敏器件

厚膜型氣敏器件

第三章_電阻式傳感器燒結(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(cè)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。

第三章_電阻式傳感器直熱式氣敏器件

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(gè)測(cè)量板缺點(diǎn)：熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響測(cè)量電路與加熱電路之間相互干擾，影響其測(cè)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第三章_電阻式傳感器旁熱式氣敏器件

旁熱式氣敏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(diǎn)，器件的穩(wěn)定性得到提高第三章_電阻式傳感器薄膜型氣敏器件

制作采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法，在處理好的石英基片上形成一薄層金屬氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出電極。實(shí)驗(yàn)證明：SnO2和ZnO薄膜的氣敏特性較好優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高、互換性好、產(chǎn)量高、成本低等第三章_電阻式傳感器厚膜型氣敏器件

厚膜型氣敏器件是將SnO2和ZnO等材料與3％～15％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400～800℃高溫下燒結(jié)1～2小時(shí)制成優(yōu)點(diǎn)：一致性好，機(jī)械強(qiáng)度高，適于批量生產(chǎn)

第三章_電阻式傳感器電阻式氣敏傳感器的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用方便；氣體濃度發(fā)生變化時(shí)響應(yīng)迅速；即使是在低濃度下，靈敏度也較高。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，老化較快，氣體識(shí)別能力不強(qiáng)，各器件之間的特性差異大等。

第三章_電阻式傳感器礦井瓦斯超限報(bào)警器工作原理圖

11.1.3氣敏傳感器的應(yīng)用第三章_電阻式傳感器

TGSl09型氣敏傳感器結(jié)構(gòu)圖

自動(dòng)通風(fēng)扇第三章_電阻式傳感器氣敏電阻放大電路加熱電源比較器電路觸發(fā)電路晶閘管電路排風(fēng)扇溫度補(bǔ)償喇叭聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路閃光指示油煙(煤氣)自動(dòng)通風(fēng)扇的原理框圖

第三章_電阻式傳感器家用有毒氣體報(bào)警器電路圖家用有毒氣體報(bào)警器第三章_電阻式傳感器3.3濕敏傳感器

濕敏傳感器的基本概念及分類常用濕敏傳感器的基本原理濕敏傳感器的應(yīng)用

第三章_電阻式傳感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(duì)濕度（AH）相對(duì)濕度（%RH）露點(diǎn)

第三章_電阻式傳感器絕對(duì)濕度（AH）

絕對(duì)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(dá)式為

絕對(duì)濕度給出了水分在空氣中的具體含量。第三章_電阻式傳感器相對(duì)濕度（RH）

相對(duì)濕度是指待測(cè)空氣中實(shí)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?jǐn)?shù)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

相對(duì)濕度給出了大氣的潮濕程度。實(shí)際中常用。第三章_電阻式傳感器露點(diǎn)（溫度）在一定大氣壓下，將含有水蒸氣的空氣冷卻，當(dāng)溫度下降到某一特定值時(shí)，空氣中的水蒸氣達(dá)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(diǎn)溫度第三章_電阻式傳感器濕敏傳感器的定義

就是一種能將被測(cè)環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置主要由兩個(gè)部分組成：濕敏元件和轉(zhuǎn)換電路，除此之外還包括一些輔助元件，如輔助電源、溫度補(bǔ)償、輸出顯示設(shè)備等

第三章_電阻式傳感器一個(gè)理想的濕敏傳感器應(yīng)具備的性能使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好靈敏度高，線性度好，溫度系數(shù)小使用范圍寬，測(cè)量精度高響應(yīng)迅速濕滯回差小，重現(xiàn)性好能在惡劣環(huán)境中使用，抗腐蝕、耐低溫和高溫等特性好器件的一致性和互換性好，易于批量生產(chǎn)，成本低器件感濕特征量應(yīng)在易測(cè)范圍內(nèi)第三章_電阻式傳感器濕敏傳感器的主要參數(shù)及特性

感濕特性濕度量程靈敏度濕滯特性響應(yīng)時(shí)間感濕溫度系數(shù)老化特性

第三章_電阻式傳感器感濕特性

第三章_電阻式傳感器濕滯特性

第三章_電阻式傳感器濕敏傳感器的分類

界限電流式濕敏傳感器濕敏傳感器電阻式電容式其它電解質(zhì)式陶瓷式高分子式陶瓷式高分子式光纖濕敏傳感器二極管式、石英振子、SAW式、微波式、熱導(dǎo)式等濕敏傳感器的分類

第三章_電阻式傳感器

常用濕敏傳感器的基本原理

電阻式濕敏傳感器電容式濕敏傳感器

第三章_電阻式傳感器電阻式濕敏傳感器電阻式濕敏傳感器是利用器件電阻值隨濕度變化的基本原理來進(jìn)行工作的，其感濕特征量為電阻值。根據(jù)使用感濕材料的不同，電阻式濕敏傳感器可分為：

電解質(zhì)式

陶瓷式

高分子式第三章_電阻式傳感器電解質(zhì)式（氯化鋰）電阻濕敏傳感器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(cè)濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成。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(fù)離子的形式存在，而Li＋對(duì)水分子的吸引力強(qiáng)，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。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)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(duì)濕度變低時(shí)，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。第三章_電阻式傳感器濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖第三章_電阻式傳感器氯化鋰濕度—電阻特性曲線第三章_電阻式傳感器

氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點(diǎn)：滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高達(dá)±５%缺點(diǎn)：耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下測(cè)量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短第三章_電阻式傳感器陶瓷式電阻濕敏傳感器通常，用兩種以上的金屬氧化物半導(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(fù)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)體陶瓷第三章_電阻式傳感器

1.負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理由于水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí)，就有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電如果該半導(dǎo)瓷是Ｐ型半導(dǎo)體，則由于水分子吸附使表面電勢(shì)下降，將吸引更多的空穴到達(dá)其表面，其表面層的電阻下降若該半導(dǎo)瓷為Ｎ型，則由于水分子的附著使表面電勢(shì)下降，如果表面電勢(shì)下降較多，不僅使表面層的電子耗盡，同時(shí)吸引更多的空穴達(dá)到表面層，有可能使到達(dá)表面層的空穴濃度大于電子濃度，出現(xiàn)所謂表面反型層，這些空穴稱為反型載流子。它們同樣可以在表面遷移而表現(xiàn)出電導(dǎo)特性，使N型半導(dǎo)瓷材料的表面電阻下降不論是Ｎ型還是Ｐ型半導(dǎo)體陶瓷，其電阻率都隨濕度的增加而下降第三章_電阻式傳感器幾種負(fù)特性半導(dǎo)體陶瓷式濕敏傳感器感濕特性第三章_電阻式傳感器

2.正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理正特性濕敏半導(dǎo)瓷的導(dǎo)電機(jī)理的解釋可以認(rèn)為這類材料的結(jié)構(gòu)、電子能量狀態(tài)與負(fù)特性材料有所不同。當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí)，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(shí)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，