第4章-阻抗型传感器

第四章阻抗型传感器本章目录4.1电阻式传感器4.2电容式传感器4.3电感式传感器4.1电阻式传感器电阻式传感器是将非电量转换为电阻变化的传感器。用途很广，种类很多。本节内容4.1.1电位器式传感器4.1.2应变式传感器和压阻式传感器4.1.3热电阻和热敏电阻4.1.4气敏电阻4.1.5湿敏电阻4.1.6电阻传感器接口电路4.1.1电位器式传感器基本介绍电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电气和电子设备中。最早获得工业应用的传感器之一。主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻（或电压）输出。它除了用于线位移和角位移的测量外，还可用于测量一切能通过敏感器转换为位移的其他非电量，如压力、加速度、液位等。优点结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素（如湿度、温度、电磁干扰等）影响小；输出信号较大，一般不需要放大。4.1.1.1基本工作原理电阻器电刷ABAC()xRRRfxC图CB短接，电位器作为变阻器应用。阻值为位移的函数。分压器：d图把电位器作为分压器使用。输出电压为位移的函数ACAB()()xUUUUfxfxRR图4－1－1电位器式传感器工作原理变阻器:4.1.1.2输入—输出特性线性电位器非线性电位器线性电位器：空载时，输出电压（电阻）与电刷位移之间具有线性关系的电位器。xRRxLxxUUURxRLxxLxUUR电位器触点行程；电位器电刷位移；输出电压；输入电压；输出电阻。非线性电位器：空载时，输出电压（电阻）与电刷位移之间具有非线性关系的电位器，也称函数电位器。非线性电位器的用途：可使传感器获得各种特殊要求的非线性函数（如指数函数、三角函数、对数函数及其他任意函数）输出。4.1.1.3结构形式线绕电位器非线绕电位器图4－1－2线绕电位器绕线电位器的优点：精度高、性能稳定、易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性。缺点：如阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等。非绕线电位器的优点：分辨力比绕线电位器高、耐磨性好、寿命长。缺点：特性对温度、湿度变化比较敏感，且要求接触压力大，只能用于推动力大的敏感元件。光电电位器是一种非接触式电位器，它以光束代替常规的电刷，克服了接触式电位器共有的耐磨性差、寿命短的缺点。本身也有缺点图4－1－2（C）线绕电位器与光电电位器结构1光电导层2基体3薄膜电阻带4窄光束5导电电极粗调与微调拉绳式位移电位器4.1.2应变式传感器（重要）4.1.2.1应变电阻效应应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。对于横截面均匀的导体或半导体，其电阻为参考教材P47,图4-1-3图4－1－3导体受拉伸后的参数变化lRAlA长度截面积电阻率当受到轴向力而被拉伸或压缩时，相关参数会发生变化，因而电阻值会发生变化，对上式两边取对数再微分，可得dRdldAdRlAlnlnlnlnRlA轴向应变径向应变泊松比面应变体应变dlldrr,0drdrrrdll222,dAdrArAr12,,lnlnlndVdldAVAlVAlVlAdRdldAdRlAdRdldAdRlA金属材料的电阻相对变化为1212mRdRCKRR式中，为金属材料的应变灵敏系数。mK1212mKCdll222,dAdrArAr12ddVCCV为由一定的材料和加工方式决定的常数。CA、若为（金属）导体金属导体电阻率相对变化与其体应变的关系成正比12dVdldAVlA压阻效应：导体或半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。半导体材料受到应力的作用，电阻率的相对变化与作用于材料的轴向应力成正比d式中，为半导体材料在受力方向的压阻系数。轴向应力与轴向力及轴向线应变关系为FEAF式中，为半导体材料的弹性模量。EdllB、若为半导体半导体材料的电阻相对变化为12sRdREKRR式中，为半导体材料的应变灵敏系数。sK12sKEdFEA222,dAdrArAr12dVdldAVlAdRdldAdRlA半导体和导体的电阻变化由两部分组成，一部分是由于材料受力后几何尺寸变化（应变）引起的（式中前两项），另一部分是由于受力后电阻率发生变化引起的（式中后一项）。1212mKC12sKE注意：金属材料的电阻变化以结构尺寸变化为主。半导体材料的电阻变化以压阻效应即电阻率变化为主。半导体材料的应变灵敏系数要比金属材料的应变灵敏度系数高出几十倍。dRdldAdRlA1212mRdRCKRR12sRdREKRR导体半导体应变电阻效应的表达式为0RKR式中，为应变电阻材料的应变灵敏系数，为轴向应变。结论：应变电阻阻值的相对变化与应变电阻的应变成正比。利用应变电阻效应可以将应变转换为电阻的相对变化，做成应变式传感器。有时将半导体应变式传感器称为压阻式传感器0Kdll4.1.2.2应变式传感器应变片：由金属或半导体制成的片状的应变—电阻转换元件。电阻应变片是应变式传感器的核心元件。应变式传感器的组成（两种）直接将应变片粘贴在被测量的受力构件上，使应变片随受力构件一起变形，进而转换为电阻变化；将应变片粘贴到弹性敏感元件上，由弹性敏感元件将被测物理量（如力、压力、加速度等）转换为应变，进而转换为电阻变化。测量电路（将应变片电阻变化转换为电压或电流的信号）1）电阻应变片的组成结构和类型图４－1-4应变片的基本结构敏感栅：应变片内实现应变-电阻转换的传感元件。基底：纸质或胶质材料，以保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置。盖片：纸质或胶质材料，保护敏感栅，粘贴在之上，起防潮、防蚀、防损等作用。引出线：用以与外界测量电路连接。基底及其粘合层起着把试件应变传递给敏感栅的作用。基底必须很薄。按制造敏感栅的材料电阻应变片金属应变片半导体应变片：一般为单根状按敏感栅的形状和制造工艺丝式：直径0.015~0.05mm的金属丝绕制成，应用最早。箔式：金属箔（厚度0.002~0.005mm）经光刻腐蚀成栅状。（横向效应小、测量精度高、散热好、工作电流大、测量灵敏度高和易于批量生产，基本取代电阻丝式应变片）薄膜式：真空蒸发或者真空积淀的方法在薄膜薄的绝缘基底上形成金属电阻材料薄膜（0.1微米以下）。优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数大，因而输出也大，不需要放大器就可直接与记录仪连接，测量系统得到简化。缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差，测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变，且分散度大。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0RKR2）电阻应变片的灵敏系数应变电阻材料本身的灵敏系数用应变电阻材料制作成电阻应变片，并贴在试件表面后，其灵敏系数需要重新实验测定（抽样测定，取平均值）。xRKR数学定义产品应变片灵敏系数试件表面安装应变片区域的轴向应变xk0kk原因：粘合层传递应变有损失横向效应敏感栅由多条轴向纵栅和横向圆弧栅组成。当试件承受单向应力时，其表面处于平面应变状态，即轴向拉伸和横向收缩。从而引起总的电阻变化为xyxxyyrkkrxykk纵向灵敏系数；横向灵敏系数。3）应变片的选择和安装选择：应变片的种类很多。根据试验环境、应变性质、试件状况及测试精度选择合适的应变片。安装：应变片的安装质量是决定测试精度及可靠性的关键之一。安装方法粘贴法：最常用；焊接法：适用于金属基底的应变片；喷涂法：主要用于高温应变测量。4）温度误差及其补偿温度变化引起应变片电阻变化，并且其数量级与试件应变所造成的电阻变化几乎有相当的数量级，容易造成测量误差，因此有必要对其进行补偿。温度变化引起应变片电阻变化的原因：敏感栅电阻本身随温度变化试件材料与敏感栅材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生附加形变，造成电阻变化。（1）敏感栅电阻本身随温度变化式中，应变片在温度为和时的电阻值；应变片电阻的温度系数温度的变化值000(1)tttRRtRRRRt0,tRRtt0t（2）试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使敏感栅产生附加形变，从而造成电阻变化。00(1)(1)stsgtglltllt敏感栅材料：试件材料：不粘接在一起时，粘接在一起时，应变片被迫拉长，产生的附加形变为0gtstgsllllt即附加应变为0gsltl即附加应变为0gsltl从而产生电阻变化为0tgsRktR由（1）和（2）可得温度变化引起的总的电阻变化为00tttgsRRRtktRR折算成“虚假视应变”为0ttgsRRtkk虚假视应变的含义P51应变片所粘贴的试件受力引起的真实应变和温度变化引起的虚假视应变使应变电阻总的变化为：t00ttRRRkRR消除温度误差的方法温度补偿电路（最常用的和最好的补偿法是电桥补偿法）恒温措施，但成本太高，难以实现。4.1.2.3固态压阻式传感器（半导体应变式传感器）半导体材料目前现已制成两类传感器半导体应变式传感器扩散型压阻式传感器：在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件。应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅，因此又称为扩散硅压阻式传感器。扩散型压阻式传感器优点：由于取消了胶接，它的蠕变、滞后及老化现象大为减少，而且不存在胶层的热阻妨碍，导热性能大为改善；由于这类传感器是半导体硅做芯片，利用集成电路工艺制成，可在制备传感器的芯片时，同时设计制造一些温度补偿、信号处理与放大电路，就能够成集成传感器。如果进一步与微处理器相结合，就有可能制成智能传感器。（介绍一下微机电系统MEMS）压阻式传感器（半导体应变式传感器）的优点与缺点P52优点：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需要放大即可用于测量；分辨力高；测量元件的有效面积可做的很小，故频率响应高；可测量低频加速度与直线加速度。缺点：温度误差较大，故需温度补偿或在恒温条件下使用。4.1.3热电阻（金属）和热敏电阻（半导体）电阻温度传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。按电阻材料分为金属热电阻（简称热电阻）半导体热电阻（简称热敏电阻）4.1.3.1热电阻01tRRt大多数金属导体的电阻随温度而变化的关系可表示为:(电阻随温度升高而升高）适合于制作温度测量敏感元件的电阻材料要具备以下要求：4点，P53目前列入标准系列且大量生产的有：铂热电阻、铜热电阻、镍铁热电阻、钨热电阻等。铂热电阻（贵重金属）优点：物理、化学性能极为稳定，并且具有良好的工艺性，易于提纯，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔。缺点：电阻温度系数小。构成：用铂丝双绕在云母、石英或陶瓷支架上，或采用溅射工艺在石英或陶瓷基座上生成铂薄膜，构成电阻体，电阻体端线与银丝焊接引出连线，外面再套上玻璃或涂釉加以绝缘和保护，构成铂电阻传感器。铂电阻与温度之间的关系近似直线，可表示为：002030020200C~0C1(100C0~650C1ttRRAtBtCttRRAtBt铂电阻的精度与铂的提纯程度有关，通常用百度电阻比表示铂的纯度。即(100)W1000(100)1.391