傳感器與檢測(cè)技術(shù)第二版陳潔黃鴻電阻傳感器

1、第一節(jié) 概 述 1. 1. 傳感器定義傳感器定義 傳感器（傳感器（Sensor/Transducer）是是借助于檢測(cè)元件接收一種形式的信息，借助于檢測(cè)元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。成另一種信息的裝置。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置號(hào)的裝置。2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。被測(cè)信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號(hào)調(diào)理電路輸出信息敏感元件(

2、Sensing element) 是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。敏感元件轉(zhuǎn)換元件 壓 力 作 用 膜片形變（應(yīng)變） 應(yīng)變片電阻改變 應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖3. 傳感器的分類(1)(1)按被測(cè)物理量分類按被測(cè)物理量分類: :(2)(2)按工作原理分類按工作原理分類: :(3)(3)按信號(hào)變換特征按信號(hào)變換特征: :(4)(4)按被測(cè)量與輸出電量之間的關(guān)系按被測(cè)量與輸出電量之間的關(guān)系: :(5)(5)按輸出信號(hào)分按輸出信號(hào)分: :位移位移, ,力力, ,溫度等溫度等. .電阻式、

3、電容式、磁電式等電阻式、電容式、磁電式等. .物性型物性型, ,結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)型. .能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型. .開(kāi)關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型開(kāi)關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型. .A 物性型與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. 例如:水銀溫度計(jì),壓電測(cè)力計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.B 能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型（有源傳感器）:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型（無(wú)源傳感器）:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化. 例如

4、:電阻式、電容式、電感式.4. 傳感器的基本特性1）靈敏度2）線性度3）重復(fù)性4）穩(wěn)定性5）精確度6）動(dòng)態(tài)特性7）環(huán)境參數(shù)電阻傳感器電阻傳感器-電位器式電阻傳感器電位器式電阻傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器 第二節(jié) 電阻式傳感器 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，是一種能量控制型傳感器感器，是一種能量控制型傳感器被測(cè)信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號(hào)調(diào)理電路輸出信息電阻元件電阻元件傳感元件為電阻元件 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，應(yīng)用廣泛。1 電位器式傳感器例題例題1：演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體演示位移傳感器的工作原理

5、如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿在導(dǎo)軌上平移時(shí)，帶動(dòng)滑動(dòng)變阻器的金屬滑桿p，通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小通過(guò)電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來(lái)反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是假設(shè)電壓表是理想的，則下列說(shuō)法正確的是( )A 物體物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化運(yùn)動(dòng)時(shí)，電源內(nèi)的電流會(huì)發(fā)生變化B 物體物體M運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化運(yùn)動(dòng)時(shí)，電壓表的示數(shù)會(huì)發(fā)生變化C 物體物體M不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流不動(dòng)時(shí)，電路中沒(méi)有電流D 物體物體M不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù)不動(dòng)時(shí)，電壓表沒(méi)有示數(shù) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，輸出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，輸出信號(hào)

6、大信號(hào)大 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 分辨力不高分辨力不高。因受到電阻絲直徑的。因受到電阻絲直徑的限制。限制。 噪聲大噪聲大。電刷和電阻元件之間接觸。電刷和電阻元件之間接觸面的變動(dòng)和磨損、面的變動(dòng)和磨損、 塵埃附著等，塵埃附著等，都會(huì)使電刷在滑動(dòng)過(guò)程中的接觸電都會(huì)使電刷在滑動(dòng)過(guò)程中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則變化，產(chǎn)生噪聲。阻發(fā)生不規(guī)則變化，產(chǎn)生噪聲。 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變換較，適合于測(cè)量變換較慢的量。慢的量。重量設(shè)定原材料應(yīng)用：重量的自動(dòng)檢測(cè)應(yīng)用：重量的自動(dòng)檢測(cè)-配料設(shè)備配料設(shè)備原理原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移; ;再再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化阻的變化

7、煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包鋼絲原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化鋼絲-收線圈數(shù) -電位器-電阻主要優(yōu)點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：精度高，測(cè)量范圍廣、使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠、精度高，測(cè)量范圍廣、使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，重量輕、頻率響應(yīng)特性好，響應(yīng)時(shí)間約為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，重量輕、頻率響應(yīng)特性好，響應(yīng)時(shí)間約為1010-7-7秒、可在各種惡劣條件下工作、應(yīng)變片種類繁多，價(jià)格便宜秒、可在各種惡劣條件下工作、應(yīng)變片種類繁多，價(jià)格便宜 常用的應(yīng)變片可分為兩類常用的應(yīng)變片可分為兩類: : 金屬電阻應(yīng)變金屬電阻應(yīng)變片片和和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。其中金屬應(yīng)變片。其中金屬應(yīng)變片有有

8、絲式電阻應(yīng)變片絲式電阻應(yīng)變片和和箔式應(yīng)變片。箔式應(yīng)變片。 半導(dǎo)體應(yīng)變片使用半導(dǎo)體材料制成，其工半導(dǎo)體應(yīng)變片使用半導(dǎo)體材料制成，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料某一軸向受到外力阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬絲式應(yīng)變半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬絲式應(yīng)變片的比較：片的比較：優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)高，可比金屬優(yōu)點(diǎn)：靈敏系數(shù)高，可比金屬絲高絲高5080倍，頻率相應(yīng)范圍倍，頻率相應(yīng)范圍寬，橫向效應(yīng)小等。寬，橫向效應(yīng)小等。缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線

9、性比較嚴(yán)重，應(yīng)用范圍有限線性比較嚴(yán)重，應(yīng)用范圍有限。一、應(yīng)變式傳感器一、應(yīng)變式傳感器我們可以做這樣一個(gè)較簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)：取一根細(xì)電阻絲，兩端接上一臺(tái)數(shù)字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初始阻值（圖中為10.01）。當(dāng)我們用力將該電阻絲拉長(zhǎng)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（增加到為10.05）。測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng), 即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí), 它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。 一根金屬電阻絲, 在其未受力時(shí), 原始電阻值為 R=式中: 電阻絲的電阻率; L電阻絲的長(zhǎng)度; S電阻絲的截面積。 SL.（3 -1）應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)SSKl

10、lKRR金屬應(yīng)變片由敏感柵、金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、基片、 覆蓋層和引線等部分覆蓋層和引線等部分組成組成, , 如圖所示如圖所示 箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵很薄的金屬箔柵, 其厚度一般在其厚度一般在0.0030.01mm。其。其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好, 允許通過(guò)的電流較大允許通過(guò)的電流較大, 可制成各種可制成各種所需的形狀所需的形狀, 便于批量生產(chǎn)便于批量生產(chǎn)。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分敏感柵是應(yīng)變片的核心部分, , 它粘貼在絕緣它粘貼在絕緣的基片上的基片上, , 其上再粘貼起保護(hù)作用的

11、覆蓋層其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層, , 兩兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式、式、 箔式和薄膜式三種。箔式和薄膜式三種。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵種很薄的金屬箔柵, , 其厚度一般在其厚度一般在0.0030.0030.01mm0.01mm。其優(yōu)點(diǎn)是其優(yōu)點(diǎn)是散熱條件好散熱條件好, , 允許通過(guò)的電流較大允許通過(guò)的電流較大, , 可制可制成各種所需的形狀成各種所需的形狀, , 便于批量生產(chǎn)便于批量生產(chǎn)。 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成法在薄的絕緣基片上形成0.1m0.1m以下的金屬電阻薄以下的金屬電阻薄膜的敏感柵膜的敏感柵, , 最后再加上保護(hù)層。最后再加上保護(hù)層。懸臂梁實(shí)物懸臂梁實(shí)物 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜測(cè)量電路 由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小, 要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái), 同時(shí)要把電阻相對(duì)變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此, 需要有專用測(cè)量電路用于測(cè)量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測(cè)量電路, 通