檢測技術(shù)與海洋智能儀器：第6章 電參數(shù)型傳感器

1、1 電參量檢測裝置中的傳感器屬于能量控制型傳感器: 轉(zhuǎn)換元件將被測量轉(zhuǎn)化為電參量（電阻、電容、電感等），再由轉(zhuǎn)換電路將電參量轉(zhuǎn)換為電信號。 電阻式傳感器就是將被測量轉(zhuǎn)換為阻值。常用的有如下幾種類型： 一、電阻應(yīng)變式 二、壓阻式 三、熱電阻式 四、光敏電阻式第6章 電參數(shù)型傳感器2一. 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式電阻傳感器. 1) 應(yīng)變效應(yīng)2) 應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)3) 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作方式4) 溫度誤差及其補(bǔ)償應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用.1) 力（荷重）傳感器2) 應(yīng)變式加速度傳感器3) 應(yīng)變式壓力（壓強(qiáng)）傳感器3讓我們來做個應(yīng)變效應(yīng)的實驗Go!+- DC +6V +R A 實驗一應(yīng)變效應(yīng) 因為：金屬

2、導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻與其電阻率及幾何尺寸（長度、面積）有關(guān)，當(dāng)其受到外力作用時，這些參數(shù)發(fā)生變化，因而引起電阻的變化，進(jìn)而引起電流的變化。 原理：金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體在受到外力作用時，會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化。K電流:大小施加力F?K接通時安培表指示安培表變化電阻：小大4應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)(1)1金屬導(dǎo)體的 電阻定律(線材)2r A =r 2L其全微分： 給出了總電阻的相對變化量與其它三個量的相對變化的關(guān)系。 在力的作用下，L、A、均可發(fā)生變化，R 亦可發(fā)生變化。5應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)(2)2材料的泊松比 與 dL/L、dA/A 在力的作用下的相互關(guān)系由:得:壓阻效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)A =r

3、2定義：*可得電阻的相對變化與軸向(線)應(yīng)變的關(guān)系應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)(3)3金屬材料應(yīng)變電阻效應(yīng) 首先討論金屬材料電阻率的相對變化與體積的相對變化的關(guān)系。 俄國學(xué)者勃底特茲明通過實驗發(fā)現(xiàn)：V 是體積，c 是一個與材料性質(zhì)和加工方法有關(guān)的常數(shù)。 而 V = LA ，所以：則有：最后得到金屬絲應(yīng)變電阻效應(yīng)的靈敏系數(shù) Km ：*7應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)(4)4半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)史密斯等學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，且滿足： 單晶體的軸向應(yīng)力x 單晶體的軸向應(yīng)變E 彈性模量 單晶體的壓阻系數(shù)(不是圓周率)= Ex (胡克定律)半導(dǎo)體材料的總電阻的相對變化與應(yīng)變的關(guān)系為：最后得到半導(dǎo)體

4、應(yīng)變電阻效應(yīng)的靈敏系數(shù) ：*8應(yīng)變效應(yīng)的理論基礎(chǔ)(5)5討論 由前面討論的全微分公式可見，電阻相對變化由兩部分引起：一部分是由于材料受力后幾何尺寸變化(L,A變化，即應(yīng)變)引起；另一部分是由于受力后電阻率發(fā)生變化而引起。 對于金屬材料，一般0.3，121.6，以康銅為例C1，1-20.4，則Km2.0。顯然，金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主。 對于半導(dǎo)體材料E1+2，KsE，因此半導(dǎo)體材料的電阻變化主要基于壓阻效應(yīng)。以硅材料為例，=(48-80)10-11 m2/N，E=1.671011Pa，Ks=50100。可見半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)要比金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)高出幾十倍。9應(yīng)變片的

5、基本結(jié)構(gòu)及類型1、應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)2、應(yīng)變片的分類3、工程應(yīng)用方法10應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用 于測量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。其基本結(jié)構(gòu)與組成如左圖示意。電阻絲(敏感柵)轉(zhuǎn)換元件基底與面膠中間介質(zhì)和絕緣作用蓋層引線-連接測量導(dǎo)線之用11應(yīng)變片的分類 按制造敏感柵的材料，電阻應(yīng)變片可分為電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。按敏感柵的形狀和制造工藝不同，金屬電阻應(yīng)變片又可分為絲式（金屬絲繞成，應(yīng)用最早）、箔式 和薄膜式（真空蒸發(fā)或真空沉淀方法形成金屬電阻材料薄膜作為敏感柵，很有前途，但目前尚難控制其電阻對溫度和時間的變化關(guān)系）三種。其他常用應(yīng)變片12箔

6、式應(yīng)變片工藝： 它是利用照相制版或光刻腐蝕法將電阻箔材在絕緣基底上制成各種圖形的應(yīng)變片；優(yōu)點(diǎn)：敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻；其彎頭橫向效應(yīng)可以忽略；可通過較大的電流；散熱性好，壽命長；生產(chǎn)效率高；13其它常用應(yīng)變片一14常用應(yīng)變片二15常用應(yīng)變片三16工程應(yīng)用方法 應(yīng)變片在使用時，用粘合劑粘在試件表面，用來測量試件表面的應(yīng)變。粘貼時需使柵絲的軸線沿應(yīng)變方向。應(yīng)變方向應(yīng)變片與試件的粘結(jié)試件應(yīng)變片注：當(dāng)試件的應(yīng)變方向不單一時，要使用多片。17電阻應(yīng)變片的特性（1）應(yīng)變片的靈敏系數(shù)實際的應(yīng)變片與單絲是不同的，靈敏系數(shù)必須通過實驗重新測定。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)，其原因是在應(yīng)變片中存在著橫

7、向效應(yīng)應(yīng)變片的橫向效應(yīng)應(yīng)變片的敏感柵除了有縱向絲柵外，還有圓弧型或直線型橫柵。橫柵既對縱向應(yīng)變敏感，又對橫向應(yīng)變敏感18電阻應(yīng)變片的特性（2）3. 溫度誤差電阻溫度系數(shù)的影響。試件材料與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響。4. 溫度補(bǔ)償自補(bǔ)償：采用特殊應(yīng)變片可使溫度變化時產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片為自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片實現(xiàn)溫度補(bǔ)償方法稱為應(yīng)變片自補(bǔ)償。分單金屬敏感柵自補(bǔ)償和雙金屬敏感柵自補(bǔ)償。雙金屬絲敏感柵自補(bǔ)償：采用正負(fù)兩種電阻絲串聯(lián)組成敏感柵。橋路補(bǔ)償法R1和RB為特性一致的應(yīng)變片；R1為工作應(yīng)變片，RB為補(bǔ)償應(yīng)變片，他們處于統(tǒng)一溫度場，且僅工作應(yīng)變片R1承受應(yīng)變1920電

8、阻應(yīng)變片的測量電路直流電橋平衡條件U0=U(R1/(R1+R2)-R3/(R3+R4)R1R4 = R2R3 ，電橋處于平衡狀態(tài)21電阻應(yīng)變片的測量電路不平衡直流電橋的工作原理及輸出電壓單臂電橋：R1為應(yīng)變片，其他為固定電阻差動半橋：R1和R2為應(yīng)變片，一個受拉，一個受壓差動全橋：四個電阻都是應(yīng)變片，R2,R4受拉；R2,R3受壓非線性誤差及其補(bǔ)償原因：只有電阻變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電阻原值時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成正比關(guān)系。如果，當(dāng)應(yīng)變片承受應(yīng)變很大，或用半導(dǎo)體應(yīng)變片測量應(yīng)變時，電阻的相對變化很大，上述假設(shè)不成立，用線性關(guān)系刻度的儀表測量會帶來誤差。22應(yīng)用實例力（荷重）傳感器柱式1. 柱式力傳感器（

9、柱的截面積為A）軸向應(yīng)變。楊氏模量面積LFF電阻應(yīng)變片23應(yīng)用實例力（荷重）傳感器柱式LFF電阻應(yīng)變片思考一下：為什么要這么做？24力（荷重）傳感器梁式 等截面梁式荷重傳感器 一端固定，一端自由，厚度為h,長度L0 ，自由端力F 的作用點(diǎn)到應(yīng)變片的距離為L ，該點(diǎn)的應(yīng)力：LL0FbhR1R2R3R4 此位置上下兩側(cè)分別粘有4只應(yīng)變片，R1、R4同側(cè)；R3 、R2同側(cè)，這兩側(cè)的應(yīng)變方向剛好相反，且大小相等，可構(gòu)成全差動電橋。由于全差動電橋，所以供橋電壓輸出電壓25等應(yīng)力梁式荷重傳感器 應(yīng)變式 力傳感器 它適于測量500Kg以下的載荷，最小為測幾十克重的力，這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片

10、易粘貼、靈敏度高等特點(diǎn)。26應(yīng)變式加速度的基本結(jié)構(gòu) 它是一種慣性式傳感器。如右圖由F=ma知，質(zhì)量塊m沿加速度a相反的方向運(yùn)動（即相對于基座運(yùn)動），使梁發(fā)生形變，應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號的大小與加速度成正比。27二. 壓阻式傳感器金屬電阻應(yīng)變片性能穩(wěn)定，測量精度高，但其靈敏系數(shù)低。半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏系數(shù)是金屬應(yīng)變片的幾十倍，在微應(yīng)變測量中有廣泛應(yīng)用 半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料受到某一軸向作用力時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。28半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)29半導(dǎo)體壓阻式傳感器結(jié)構(gòu)30一、常用的幾種金屬熱電阻1、鉑電阻2、銅電阻3、其他熱電阻二、熱敏電阻 利用電阻率（電阻值）隨溫

11、度的變化特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感器，按采用的電阻材料可分為金屬熱電阻（簡稱熱電阻）和半導(dǎo)體熱敏電阻（簡稱熱敏電阻）兩大類。7.3.1 熱電阻傳感器31鉑電阻的物理、化學(xué)性能比較穩(wěn)定，因而在溫度不是太高的工業(yè)測溫領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。在0630.74溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系：-1900溫度范圍內(nèi)阻值與溫度關(guān)系： 鉑電阻鉑電阻。；。任意溫度時的阻值；、溫度、式中4122730/1022.4/10847.5/1096847.3:0:CCCBCACtCCtRRtoooooo-=-=32Pt100分度表33 鉑電阻的溫度系數(shù)與其純度有關(guān)，鉑的純度常用W(100)來表示，在精密測量時應(yīng)給

12、與充分考慮。 關(guān)于鉑電阻溫度系數(shù)的說明時的電阻值。為溫度在值；（水的沸點(diǎn)）時的電阻為溫度在式中CRCRRRWoo0100,)100(01000100=而根據(jù)R0可分為46、50（Pt50）、100（Pt100）、300（Pt300）和1000等幾檔。；。；412273412273/ 1004.4/10851.5/1096851.3389.1)100(/ 1022.4/10847.5/1096847.3391.1)100(CCCBCAWCCCBCAWoooooo-=-=-=-=34銅 電 阻（1） 在對測量精度要求不太高，測溫范圍不大的情況下，可以使用銅電阻，以利于降低成本。是的電阻值；320

13、1CtBtAtRRt+ +=。；。任意溫度溫度為是的電阻值；溫度為式中392730/10233.1/10133.2/1028899.4:0:CCCBCACtCRCtRtoooooo-=-=W銅(100)1.425，大于鉑電阻。即靈敏度比鉑電阻高，成本也低。在-50150的溫度范圍內(nèi)銅電阻的阻值與溫度的關(guān)系為：35銅 電 阻（2）36其他熱電阻 鎳和鐵電阻的溫度系數(shù)都較大，電阻率也較高，因此也適合作熱電阻，但由于存在易氧化或非線性嚴(yán)重等缺點(diǎn)，所以這兩種熱電阻目前應(yīng)用較少。 鉑、銅熱電阻不適合作低溫和超低溫測量。 近年來，一些新穎的測量低溫領(lǐng)域的熱電阻材料相繼出現(xiàn)，如銦電阻、錳電阻、碳電阻等。37

14、熱 敏 電 阻(1) 1熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式 熱敏電阻是由一些金屬氧化物按不同比例配方經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，或用半導(dǎo)體材料制成的。形狀有很多種，如圖所示。38熱 敏 電 阻(2) 2熱敏電阻的溫度特性 熱敏電阻的溫度特性由三種類型 負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC） 正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC） 具有臨界溫度特性的熱敏電阻（CTR），即在某個溫度下（臨界溫度），電阻的阻值將會發(fā)生突變。 應(yīng)該指出，由于熱敏電阻的線性不好，現(xiàn)在已基本不再用來作溫度測量使用了。但是由于成本的原因，在定點(diǎn)溫度控制等場合中還有較大的應(yīng)用市場。39熱敏電阻熱電特性與伏安特性40熱電阻傳感器應(yīng)用A.金屬熱電阻傳感器B.熱敏電阻傳

15、感器 1溫度控制 2. 溫度補(bǔ)償41金屬熱電阻傳感器應(yīng)用工業(yè)上廣泛采用金屬熱電阻進(jìn)行溫度測量，測量電路采用電橋電路。為了減小引線電阻帶來的誤差，工業(yè)用鉑電阻的引線不是兩根而是三根或四根，這就是三線制測量電路和四線制測量電路。42為什么要采用三線制或四線制測溫？自熱電阻：在用熱電阻測量時，電阻要消耗一定的功率，產(chǎn)生熱量，同樣會造成電阻值變化，產(chǎn)生測量誤差。要限制電流，不能超過6mA，減少自熱；引線電阻：測溫的熱電阻，總得有連接導(dǎo)線，但由于熱電阻本身的電阻值很小，所以引線電阻值及其變化就不能忽略。例如50歐姆的鉑電阻，若導(dǎo)線電阻為1歐姆，則導(dǎo)線電阻不可忽略。43三線制測溫電路三線制或四線制的引入是

16、為了消除熱電阻的自熱誤差和引線誤差缺點(diǎn)：可調(diào)電阻和電橋臂的電阻值相連，可能導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)不穩(wěn)44四線制測溫四線制測溫中，接觸電阻的不穩(wěn)定不會破壞電橋的平衡和正常工作狀態(tài)4546熱敏電阻傳感器應(yīng)用477.4.1 光敏電阻傳感器光敏電阻是基于半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電器件，又稱為光導(dǎo)管。它沒有極性，是一個電阻器件。結(jié)構(gòu)圖：48光敏電阻工作原理 光照在半導(dǎo)體上，當(dāng)光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，阻值降低。49光敏電阻優(yōu)點(diǎn)光敏電阻優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高，很好的光譜特性，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定。50光敏電阻主要參數(shù)暗電阻：室溫條件下，光

17、敏電阻未受到光照時的阻值.暗電流：暗電阻電路中流過電流為暗電流。亮電阻、亮電流：光敏電阻在受到一定光強(qiáng)照射下的阻值為亮電阻，相應(yīng)電路中流過的電流為亮電流。光電流：亮電流與暗電流的差值。51光敏電阻基本特性 伏安特性：在一定的光照下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性（圖3.1.24） 光照特性：光電流與光通量或光照度之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性為非線性，所以不宜做檢測元件，但可以做開關(guān)元件（圖3.1.25） 光譜特性：光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系。也稱為光譜響應(yīng)（圖3.1.26）52光敏電阻光譜特性這說明什么？53光敏電阻光照特性非線性限制應(yīng)用54光敏電阻應(yīng)用 光

18、敏電阻的光照特性為非線性。它不適合作檢測元件，一般作為開關(guān)式傳感器。防盜報警、火災(zāi)報警電器控制，人體紅外報警器的控制，路燈的開啟控制。光控閃爍安全警示燈作用：道路施工現(xiàn)場指示或高樓指示，紅色指示燈。原理：CdS光敏電阻，V為雙向晶閘管，它的觸發(fā)電壓經(jīng)雙向觸發(fā)二極管VD2從電容C兩端取得。C上的充電電壓取決于R1和光敏電阻RL的分壓值。白天，光敏電阻RL受自然光源的照射呈現(xiàn)低阻值，電容C兩端的電壓超不過雙向觸發(fā)二極管VD2的轉(zhuǎn)折電壓，雙向晶閘管V因無觸發(fā)電壓而處于截止?fàn)顟B(tài)，警示燈E不亮。夜晚，環(huán)境自然光變暗，光敏電阻RL呈現(xiàn)高阻值，電容C通過VD2和R2放電，雙向晶閘管獲得足夠的觸發(fā)電流而導(dǎo)通，

19、警示燈E點(diǎn)亮。當(dāng)電容C上的電壓放電到一定程度時，雙向觸發(fā)二極管重新截止，雙向晶閘管V失去觸發(fā)電流在交流電過零時關(guān)斷，警示燈熄滅。這之后，電容C又按上述過程反復(fù)充電、放電。光控閃爍安全警示燈-光敏電阻聲控光敏延時開關(guān)作用：是一種用于樓梯、走廊、公廁等場合的照明開關(guān)。這種開關(guān)在白天呈關(guān)閉狀態(tài)，在夜晚，只要有聲響便可開啟，延時30s后又自動關(guān)閉。原理：聲控光敏延時開關(guān)電路中的光敏電阻RL在白天受光照射呈低阻狀態(tài)，使半導(dǎo)體VT3導(dǎo)通，VT4、VT5截止，VT6導(dǎo)通，晶閘管VT7截止，燈泡E處于熄滅狀態(tài)。由于VT3一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此，不論有什么聲響，燈泡E都不會點(diǎn)亮。天黑時，光敏電阻無光照射，內(nèi)阻增

20、大，使VT3處于截止?fàn)顟B(tài)，如無聲響，則電路仍同白天相同。當(dāng)有聲響時（如人的腳步聲），話筒B接受聲響信號并轉(zhuǎn)換為電信號，該信號經(jīng)VT1、VT2放大后，使VT4導(dǎo)通，電源經(jīng)VT4、VD2給電容C3迅速充電，并使VT5導(dǎo)通，VT6截止，觸發(fā)晶閘管V7導(dǎo)通，點(diǎn)亮燈泡E。聲響消失后，由于C3緩慢放電的作用，使VT5在延時約30s后轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，并使VT6導(dǎo)通，晶閘管又恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，燈泡熄滅。聲控光敏延時開關(guān)-光敏電阻溫度傳感器的再理解與應(yīng)用 溫度是一個和人們生活環(huán)境有密切關(guān)系的物理量，也是一個人們在科學(xué)試驗和生產(chǎn)活動中需要控制的重要物理量，因此，在各種傳感器中，溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的一種。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，人們對溫度傳感器的需求也會日益增高！溫度傳感器的選擇 我們平時使用的各種材料和元件的性能，大都會隨著溫度的變化而變化，具有一定的溫度效應(yīng)，它們好像都能當(dāng)做溫度傳感器使用。實際上并非如此，這是因為能獲得實際應(yīng)用價值的溫度傳感器，應(yīng)具備許多條件，如測量范圍寬、精度高、高可靠性、不需要校正、外形尺寸小、耐熱、響應(yīng)速度快、價格便宜并能大批量生產(chǎn)，等等。實際上，真正能同時滿足以上所有條件的溫度傳感器是不存在的，在使用時，應(yīng)根據(jù)不同的