传感器原理与应用—电阻式

传统传感器原理及应用TraditionalTransducers2020/2/232传统传感器电参量型传感器电量型传感器2020/2/233电参量型传感器是输出为电路参数，即电阻、电感(自感)和电容的传感器的总称，即将被测物理量变化转换为电参数的变化，再配以适当的转换电路，将输出的电参数转变为电量输出。电参量型传感器都属于能量控制型传感器。下面将介绍几种典型的电参量型传感器，包括电阻输出型、电感输出型、电容输出型三类电参量型传感器。电参量型传感器2020/2/234电阻式传感器电感式传感器电容式传感器电参量型传感器测量电路电参量型传感器2020/2/235被测量变化能引起传感器输出电阻值变化的传感器统称为电阻输出型传感器，简称电阻式传感器。电阻式传感器2020/2/236电阻式传感器一．电位器式传感器二．电阻应变式传感器三．热电阻传感器四．电阻输出型半导体传感器2020/2/237应用示例：电位器式传感器2020/2/2381.测量原理☎电位器是带有直线或旋转滑动触头的电阻性器件。被测量通过带动触头移动使输出电阻发生变化实现测量。在实际应用中，可以用于直线运动测量，也可用于角位移测量。电位器式传感器图3.3各种电阻体变阻器结构图2020/2/2391.测量原理☎绕线式电位器传感器的结构类型：电位器式传感器图3.3.4线绕式变阻器结构类型(b)角位移型(c)非线性型(a)直线位移型2020/2/23102.应用特性☎电位器由电阻元件、滑动触头、调节杆或传动杆、轴承和外壳组成。电位器式传感器2020/2/23112.应用特性☎电位器式传感器可输出较大的电阻变化，可采用如图3.6所示电阻分压电路来实现测量。电位器式传感器图3.6电阻分压电路2020/2/23122.应用特性☎电位器把机械的线位移或角位移输入量转换为电阻或电压输出。主要应用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。☎电位器式传感优点是结构简单、尺寸小、重量轻、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，滑动触头的摩擦和惯性限制了其动态特性，灰尘、湿气、氧化和磨损又加大了噪声，从而使其测量分辨力下降，使用寿命缩短。此外，触头滑动形成电火花，大大降低了其安全性。电位器式传感器2020/2/2313应用案例(1)：滑线变阻器式位移传感器2020/2/2314应用案例(2)：液体电位器气泡式水平仪图3.9气泡式水平仪x2020/2/2315电阻应变式传感器应用示例：2020/2/23161.测量原理☎电阻应变片(ResistanceStrainSensor)是应变测量的关键元件，电阻应变片的工作原理是基于应变电阻效应。根据制作材料不同，电阻应变片通常分为金属应变片和半导体应变片两大类。(1)应变电阻效应电阻应变式传感器☻应变电阻效应即在导体发生机械变形时，导体电阻值相应发生变化的效应。2020/2/2317(1)应变电阻效应电阻应变式传感器dεμRdRμrμεrdrAdAεl/dldAdAldlRdRAlRAl21-2)/2()/(所以：导体材料的泊松比—导体的半径；—其中：材料的轴向线应变，而—上式中：则：的导体，其电阻为：，电阻率为，截面积为长度为2020/2/2318①金属应变片的应变电阻效应电阻应变式传感器♛金属应变片的电阻变化主要由其结构尺寸变化所致，故金属应变片属于结构型传感器。)(212121灵敏系数数金属丝材的应变灵敏系—体积，—常数，—其中：所以：上式金属材料：mmKVCεKεμCμRdRεCμs/dsl/dlCVdVCd☻材料不同，电阻变化的主要来源不同，电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。2020/2/2319②半导体应变片的应变电阻效应☫压阻效应：指半导体材料在某一轴向受外力时，其电阻率发生变化的现象。电阻应变式传感器☫半导体应变片工作原理：把半体材料的弹性模量—；作用于材料的轴向应力—的压阻系数半导体材料在受力方向—其中：EσππEεπσd♛半导体应变片是利用半导体材料的物理效应——压阻效应工作的，因此半导体应变片属于物性型传感器。系数半导体材料的应变灵敏—：由半导体压阻效应可得SSKεKεπEμRdR212020/2/2320电阻应变片工作原理总结：☫电阻应变片工作原理基于应变电阻效应，感受灵敏栅轴向线应变，输出电阻应变，即：电阻应变式传感器☫金属材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致;后部分为电阻率随应变而变的部分。金属应变片的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，属于结构型传感器。☫半导体材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。半导体应变片的压变电阻效应主要基于压阻效应，属于物性型传感器。导电丝材的灵敏系数—，△00KεKRR2020/2/2321(2)电阻应变式传感器的结构与类型☻应变计的结构利用导电材料的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件，即：电阻应变计（片），简称应变计（片）straingauge。电阻应变式传感器☻应变计的结构型式及其组成敏感栅、基底、引线、盖层、粘结剂。引线覆盖层基片敏感栅2020/2/23222.应用特性☎电阻应变式传感器有以下两种应用方式：①直接用来测定结构的应变和应力。②将应变片粘贴于弹性元件上，作为力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。(2)电阻应变式传感器的结构与类型电阻应变式传感器☻应变计的结构型式及其组成2020/2/23232.应用特性电阻应变式传感器☎应用特性：①属于接触式测量。电阻应变计测量时必须粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘贴剂和粘贴技术对测量结果有着直接影响。②一般适用于中、低频率范围。③温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。2020/2/2324电阻应变式传感器的测力应用2020/2/2325应用案例(1)：应变式压力传感器应变片膜片弹性梁压力图3.16应变式压力传感器2020/2/2326电子秤磅秤超市打印秤2020/2/2327电子天平电子天平的精度可达十万分之一2020/2/2328人体秤2020/2/2329吊钩秤便携式2020/2/2330材料应变的测量2020/2/2331应变式振动、加速度检测加速度传感器示意图1－应变片；2－基座；3－质量块；4－悬梁臂2020/2/2332应用案例(2)：应变式水平仪图3.18应变式水平仪2020/2/2333热电阻传感器应用示例：AE1R2R1tR2tRVWR流体管道流量检测2020/2/2334热电阻传感器1.测量原理☎热电传感器是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。☻热电阻传感器是热电传感器的一种。能将温度变化转换为电阻变化的热电传感器称为热电阻传感器。☻将温度变化转换为热电势变化的热电传感器称为热电偶传感器。（将在电量型传感器中介绍）☎热电阻传感器根据材料不同可分为金属热电阻式（简称热电阻）和半导体热电阻式（简称热敏电阻）两大类。2020/2/2335热电阻传感器(1)金属热电阻传感器☻大多数的金属导体的电阻率随着温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。☻目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，并且已做成标准测温热电阻。①铂热电阻及其特性☫铂电阻温度计的使用范围是-200℃～850℃：）常数（—）常数（—）常数（—的电阻值和分别为、4-12273032020102241084751096847301001020018500c/.Cc/.Bc/.ActcRRttCBtAtRR:c~BtAtRR:c~ooooottooto2020/2/2336热电阻传感器①铂热电阻及其特性☫铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂在氧化、高温环境下的物理、化学性质都非常稳定。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，铂电阻还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。价格昂贵。②铜热电阻及其特性☫-200℃～0℃温度范围内，铜电阻的阻值与温度之间的关系为：）—常数（）—常数（）—常数（的电阻值和分别为、392730320/10233.1/10133.2/1028899.40)1(cCcBcActcRRCtBtAtRRooooott☫铜容易提纯，价格便宜，在-50℃~150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性关系。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。2020/2/2337☻热敏电阻按电阻值随温度变化的特性可分为三种类型：①正温度系数(PTC)热电阻传感器(2)半导体热敏电阻传感器☻半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。04080120160200100102104106温度/℃电阻/Ω负温度系数(NTC)正温度系数(PTC)临界温度系数(CTR)②负温度系数(NTC)③临界温度系数(CTR)✿PTC型主要用于过热保护，定温控制，或作限流元件使用。✿NTC型具有很高的负温度系数和较大的温度敏感范围，既可用作温度测量，也可作温控器件。✿CTR型热敏电阻具有开关特性，因而主要用作温控开关。2020/2/2338热电阻传感器(2)半导体热敏电阻传感器☫在温度测量中，主要采用NTC和PTC型热敏电阻，其中NTC型热敏电阻应用最普遍。☻热敏电阻与金属热电阻比较的特点：①电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；②结构简单，体积小，可以测量点温度；③电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；④电阻值与温度变化呈非线性关系，需进行线性化处理；⑤稳定性与互换性差。☻热敏电阻的应用：☫用于直接测量温度或可以转换为温度测量的其他物理量的测量，如热敏电阻体温表、热导式气体成分分析仪等。2020/2/2339热电阻传感器(3)热电阻传感器的结构☻热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三部分构成。安装固定件电阻体绝缘套筒不锈钢套管引线口接线盒图3.21工业热电阻的基本结构2020/2/2340热电阻的结构图3.22热电阻的外形结构图2020/2/2341热敏电阻的结构图3.23柱形热敏电阻结构图钍镁丝铂丝电阻体保护管银焊点绝缘柱电极电极图3.24各种类型的热敏电阻2020/2/2342热电阻传感器(3)热电阻传感器的结构☻热电阻的连线方式：内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。☻热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。①二线制：②三线制：③四线制：tR1R2R3RtEout(a)二线制tR1R2R3RtEout(b)三线制iRtEout恒流源(c)四线制2020/2/2343类型：普通型、铠装型、小型、薄膜型、防爆型等。热电阻传感器的类型2020/2/2344热电阻传感器2.应用特性☎用于工业温度参数的测控，以及可转换成温度测量的其他物理量的测量，如流体流量检测、气体成分分析等。热电阻也常用于温度补偿电路的感温元件，或用于某些物理量温度系数的修正，如各种传感器的温度补偿电路、热电偶的冷端补偿电路等等。2020/2/2345热电阻测量温度dV2020/2/2346应用案例(1)：热电偶体温表图3.26热电阻体温表热电阻图3.27调频式热电阻体温表热电阻2020/2/2347应用案例(2)：热导式气体成分分析仪2020/2/2348电阻输出型半导体传感器利用半导体材料的各种物理效应可以把一些物理量、化学量和生物量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体式传感器。半导体传感器都是物性型传感器。下面介绍几种典型的电阻输出型半导体传感器：1.扩散硅压阻式传感器2.磁敏电阻3.电阻型气敏器件4.湿敏电阻2020/2/2349电阻输出型半导体传感器1.扩散硅压阻式传感器应用示例：图3.29