长江大学感测技术PPT第四章 阻抗型传感器概要

2020/2/31第四章阻抗型传感器电子信息学院杨友平2020/2/32４.1电阻式传感器４.1.1电位器式传感器一、组成原理图４－1-1二、输入—输出特性1．线性特性——线性电位器xLRRxxLURRUUxx式中L——触点行程x——触点位移角位移线位移2．非线性特性——非线性电位器非线性函数)(xfRx)(xfRUUx2020/2/334.1.1电位器式传感器)()(xfRUxfRUUUABACx图４-1-1电位器式传感器工作原理2020/2/34三、结构形式2．非接触式――光电电位器图4－1－2四、用途：①测量位移；②测量可转化为位移的其他非电量。2020/2/35图４-1-2光电电位器原理图2020/2/364.1.2电阻式应变传感器和固态压阻式传感器一、电阻式应变传感器（一）应变电阻效应——应变使电阻变化1、应变：图4-1-3纵向线应变横向线应变泊松比面应变体应变ldl/rdr/ldrrdr//22/rdrAdA)21(/AdALdlVdV2020/2/372、导体电阻及其变化金属材料半导体材料——压阻系数E——弹性模量3、应变效应表达式：（应变材料的灵敏系数）：金属材料约1.0~2半导体材料约50~100ALRdAdALdLRdR)21()21(cvdvcdEd00KRR00/RRK21)21()21(0cKEEK)21(02020/2/384.1.2应变式传感器和压阻式传感器图4-1-3导体受拉伸后的参数变化dAdAldlRdR2020/2/39（二）电阻应变片1、组成结构——图4-1-43、安装——粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致）4、应变片灵敏系数――应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比RRK/(1)xxyyxxxRkkkHkR——试件表面纵向线应变——试件表面横向线应变xy)0(xy——纵向灵敏系数，——横向灵敏系数xkyk——横向效应系数xykkH/应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数0)1(kkHkkxx2020/2/310图４－1-4应变片的基本结构2020/2/311图４－1-5丝式应变片与箔式应变片(a)电阻丝式应变片(b)箔式应变片2020/2/312（三）应变电桥1、电阻传感器电桥的近似公式图3－1－1中令在的条件下，电桥开路输出电压可近似为iiiRRZiiRR'31240012344RRRRUUURRRR非线性误差近似为001234012341()2UURRRReURRRR结论：1）如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；2）非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。2020/2/3132、应变电桥――接入应变片的电桥1）单应变片工作：2）双应变片工作：①一片受拉，另一片受压，即ε1=εx，ε2=-εx，②一片承受纵向应变εx，即ε1=εx，另一片承受横向应变εy，即ε2=εy。因εy=-μεx，(μ为泊松比)，04kUU0124kUU02xkUU014xkUU3)四应变片工作：①两片受拉，另两一片受压ε1=ε3=εx，ε2=ε4=-εx，②两片承受纵向应变εx，另两片承受横向应变εyε1=ε3=εx，ε2=ε4=εy，εy=-μεx(μ为泊松比)，0xUkU012344kUU012xkUU2020/2/314（四）温度误差及其补偿1、温度误差产生原因①应变电阻随温度变化)1(0tRRttRRt0tKKRRt0/②试件材料与应变法的线膨胀系数不一致)1(0tlLsst)1(0tlLggttllllsgstgt)(0tllsg)(0产生电阻变化为0()tgsRktR总的电阻变化为00()tttgsRRRtktRR2020/2/315图４－１-6应变片的温度误差00()tttgsRRRtktRR2020/2/3163、补偿温度误差的办法①补偿块法图４－1-711111()ttRRRkRR2222ttRRkRR04kUU②差动电桥法如果两应变片型号参数、所处环境温度及所粘贴材料均相同，只要将两应变片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。2、温度误差的危害――产生应变测量误差即“虚假视应变”温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为()()tgsgstttkk2020/2/317图４－1-7补偿块法原理04kUU2020/2/318二、固态压阻式传感器（一）半导体压阻效应——应力使半导体电阻率变化dEAF)21(EdEdRdR（二）固态电阻式传感器特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件，优点：无须粘贴，便于传感器的集成化缺点：易受温度影响。需温度补偿或在恒温条件下使用。（三）温度误差及其补偿1、温度误差产生原因1°电阻随温度变化——（电桥输出）零位漂移2°温度↑压阻系数π↓→（电桥输出）灵敏度漂移2、温度补偿电路——图4-1-81°零位温漂补偿：RP——起补偿作用；RS——起调零作用2°灵敏度温漂补偿——二级管V；压降随温度升高而下降。2020/2/319图４－1-8温漂补偿电路2020/2/3204.1.3热电阻和热敏电阻一、热电阻——金属电阻1．电阻——温度特性（正温度特性）①近似公式：一般故——近似线性——电阻温度系数②百度电阻比：——一般为100Ω、50Ω两种③分度表——温度t与电阻阻值Rt的对照数据表。Rt)1(320ctttRRt32cttt)1(0tRRt00R2．对热电阻材料的要求①温度特性的线性度好②温度系数大且稳定③电阻率大④物理化学性能稳定2020/2/3213．常用热电阻W（100）测温范围价格温度系数①铂电阻≥1.391-200°~650°昂贵高低②铜电阻≥1.425-50°~150°低廉差高二、热敏电阻——半导体电阻1、类型图4-1-9特性曲线PTCPositivetemperaturecoefficientCTCcriticaltemperaturecoefficientNTCnegativetemperaturecoefficientNTC——常用于温度测量和温度补偿PTC、CTC——常用作开关元件2020/2/3224.1.3热电阻和热敏电阻011()0BTTRRe图４－1-9热敏电阻典型特性2020/2/323图４－1-10热敏电阻的结构及符号(a)结构(b)符号1—探头2—引线3—壳体2．结构及符号——图4-1-102020/2/324图４－1-11热敏电阻的结构形式a)圆片型，b)薄膜型，c)柱型，d)管型，e)平板型，f)珠型，g)扁型，h)垫圈型，i)杆型2020/2/3253．NTC热敏电阻①电阻——温度特性)11(00TTBeRR21/TBdTdRRdTRdR2011()()02()BBTTTdRBReRdTT2/TBdTRdR结论：1°温度系数比热电阻大几十倍2°非线性比热电阻严重因为所以2020/2/326图４－1-12热敏电阻伏安特性②伏安特性——图4-1-12应根据允许功能确定电流2020/2/3274.1.4气敏电阻一、工作原理图４－１－１3、图４－１－１4半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化：接触氧化性气体，电阻↑接触还原性气体，电阻↓浓度越大，电阻变化越大用途：气体识别，浓度检测二、材料与组成1、材料——SnO2应用最广2、组成：气敏电阻体；加热器3、结构：①烧结型；②薄膜型；③厚膜型2020/2/328图4-1-13半导体气敏电阻元件的结构(a)烧结型元件；(b)薄膜型元件；(c)厚膜元件4.1.4气敏电阻2020/2/329图４－１－１4N型半导体气敏电阻的阻值变化2020/2/330图４－１－１5SnO2气敏电阻测量电路(a)QM-N5测量电路；（b）TGS812测量电路；（c）TGS109测量电路4、电路符号图4－1－15①旁热式图4－1－15(a)(b)②直热式图4－1－15(c)SLLCRLRRRUU气敏电阻Rs与负载电阻RL分压电路2020/2/331图４－１－１6气敏电阻测量电路气敏电阻电桥电路2020/2/3324.1.5湿敏电阻一、氯化化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。二、半导瓷湿敏电阻1．湿敏特性：正特性湿度↑→电阻↑负特性湿度↑→电阻↓2．典型结构烧结型正湿敏特性涂复膜型负湿敏特性三、高分子膜湿敏电阻是采用人工合成的有机高分子膜作为湿敏材料的电阻式湿度传感器(1)碳湿敏电阻；（2）聚苯乙烯磺酸锂湿敏电阻2020/2/333图4-1-１7烧结型湿敏电阻结构4.1.5湿敏电阻2020/2/334图４－１－18不平衡测湿电桥方框图2020/2/335图４－１－19欧姆定律回路测湿电路2020/2/336电流表电流——湿敏电阻Rd——校满电阻与xmax%RH对应的Rx相等。湿度↑→Rx↓→Ix↑注意：1°不能使用电压表，因电压表内阻r很大，电压表读数为几乎不随湿度改变.2°湿敏电阻必须用交流式换向直流供电，不能用单向电流供电.4213RRRVIxxRVRRRrrRRRrUUxx33212102020/2/337４.2电容式传感器4.2.1基本原理与结构类型一、原理1．平行平面电容①单层介质s——极板覆盖面积②多层介质2．平行曲面形（同轴圆筒形）电容L——覆盖长度当时，（x0时，lnx展成幂级数，取第一项，，令，所以）二、结构类型：变极距、变面积、变介质dsCssdddsC2211)/ln(2rRLCrrR)(rRLrrRrRLC2)(112lnxxxrRxrRrrRrRrR)(2)/ln(12020/2/3384.2.1基本原理与结构类型000001)1(ddCdddSddSC12120CCdCCd图４－2-1变极距型电容传感器动极板上移差动式2020/2/339图４－2-2线位移式变面积型结构000()(1)blllCCdl)1()(0000llCdllbC单一式差动式2020/2/340图４－2-3变面积型差动式结构12120CCCC0000ACBClrCCCRr2020/2/341图４－2-4线位移式变介质型差动结构1212121rrCClCCl2020/2/3424.2.3等效电路分析图４－2-5电容传感器的等效电路2(1)eCCCCLC结论：1、激励频率通常2、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行