傳感器電阻傳感器

第3章非電量的電測(cè)試技術(shù)3.1傳感器概述3.3電能量傳感器3.4電參數(shù)傳感器3.2傳感器特性3.4.1電阻傳感器

3.4.2電感傳感器

3.4.3電容傳感器3.4電參數(shù)傳感器

電阻應(yīng)變傳感器熱電阻傳感器光電阻傳感器自感傳感器差動(dòng)變壓器渦流傳感器3.4.1電阻傳感器

1電阻應(yīng)變傳感器導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。（1856年W.Thomson）其中dl/l為長(zhǎng)度相對(duì)變化量，稱作金屬絲應(yīng)變值ε：金屬絲原始電阻為受力拉長(zhǎng)后電阻為式中,μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，dl/l=ε為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，其表達(dá)式為利用金屬材料和半導(dǎo)體材料的應(yīng)變效應(yīng)而制成的電阻應(yīng)變片式傳感器是目前用于測(cè)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。電阻絲(敏感柵)—敏感/轉(zhuǎn)換元件基底與面膠—中間介質(zhì)和絕緣作用覆蓋層引線--連接測(cè)量導(dǎo)線之用應(yīng)變片工作寬度應(yīng)變片工作基長(zhǎng)正應(yīng)變橫向效應(yīng)敏感柵由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)舩，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)變?chǔ)舮，電阻Klεyεxεy將直的電阻絲繞成敏感柵后，因橫向效應(yīng)引起所測(cè)應(yīng)變數(shù)值偏?。`敏系數(shù)減?。o測(cè)量帶來(lái)誤差。負(fù)應(yīng)變有金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩種。金屬應(yīng)變計(jì)按照應(yīng)變片的形狀有金屬絲式和金屬箔式。應(yīng)變計(jì)的種類溫度誤差及其補(bǔ)償1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。2、被測(cè)材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化時(shí)，因被測(cè)材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長(zhǎng)（或壓縮）引起電阻變化。單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償

①電橋補(bǔ)償法U0R1+⊿RR4R3URb+⊿RFFR1RbU0R1＋⊿RR4R3URb-⊿RR1+⊿RRb-⊿R③熱敏電阻補(bǔ)償

T⊿R

UiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtUi=U–URt不變溫度變化引起⊿R的增加未改變輸出電壓。RtU測(cè)量電路——直流電橋R1R2R4R3ACBEDoUoo電橋輸出電壓為實(shí)際測(cè)量時(shí)，將各橋臂電阻取為相同，即(1)單臂電橋一個(gè)橋臂R1為應(yīng)變片，其它橋臂固定不變，則輸出電壓為（全等情況）思考：如何提高不平衡電橋靈敏度？測(cè)量電路——直流電橋R1R2R4R3ACBEDoUoo電橋輸出電壓為實(shí)際測(cè)量時(shí)，將各橋臂電阻取為相同，即(2)半橋橋臂R1和R2為應(yīng)變片且其阻值變化方向相反，則輸出電壓為（全等情況）測(cè)量電路——直流電橋R1R2R4R3ACBEDoUoo電橋輸出電壓為實(shí)際測(cè)量時(shí)，將各橋臂初始電阻取為相同，即(3)全橋所有橋臂為應(yīng)變片且，則輸出電壓為（全等情況）3.4.1電阻傳感器

2熱電阻傳感器金屬電阻絲的電阻隨溫度變化的關(guān)系為A和B為金屬絲電阻在工作溫度范圍內(nèi)的電阻溫度系數(shù)的平均值。熱電阻傳感器將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。金屬熱電阻傳感器是繞在云母、石英或塑料絕緣骨架上的金屬電阻絲。toC時(shí)的電阻值Rt

=R0(1+At+Bt2)0oC時(shí)的電阻值銅絲：A=410-3(1/oC)，B=0；鉑絲：A=3.9810-3(1/oC)，B=–5.8410-3(1/oC)2。(1)金屬熱電阻

無(wú)固定裝置熱電阻

固定螺紋式熱電阻

活動(dòng)法蘭式熱電阻

鉑熱電阻

鉑熱電阻的統(tǒng)一型號(hào)為WZP，其物理、化學(xué)性能非常穩(wěn)定，長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性最好，測(cè)量精度高。鉑熱電阻主要用作標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)。鉑熱電阻有R0=50Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用，測(cè)溫范圍為-200～960℃，電阻溫度系數(shù)為3.9×10-3/℃。但鉑在高溫下，受還原性介質(zhì)污染，鉑絲變脆并改變鉑絲電阻與溫度間的關(guān)系，因此使用時(shí)應(yīng)裝在保護(hù)套管中。

熱電阻的電阻與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系也由分度表給出。

銅熱電阻

銅熱電阻的統(tǒng)一型號(hào)為WZC，其優(yōu)點(diǎn)是線性度好、價(jià)格便宜、純度高、復(fù)制性好，電阻溫度系數(shù)為(4.25～4.28)×10-3/℃，線性特性僅次于鉑和銀，但比鉑電阻有較高的靈敏度，常用來(lái)做-50～150℃范圍內(nèi)的工業(yè)用電阻溫度計(jì)；其缺點(diǎn)是電阻率較低，容易氧化，為此只能用在較低溫度和沒(méi)有水份及腐蝕性的介質(zhì)中。目前國(guó)標(biāo)規(guī)定的銅熱電阻有Cu50和Cu100兩種。

常使用電橋作為測(cè)量電路。熱電阻二線式接法適用于印制電路板，測(cè)量回路與傳感器不太遠(yuǎn)。在距離較遠(yuǎn)時(shí)，為消除引線電阻受環(huán)境溫度影響造成的測(cè)量誤差，需要采用三線式或四線式接法。熱電阻的測(cè)量電路圖熱電阻的不同接線方式（a）

二線式；

（b）

三線式；

（c）

四線式

兩線制兩線制熱電阻測(cè)量電橋三線制三線制熱電阻測(cè)量電橋四線制四線制熱電阻測(cè)量電路IVoRl2RtRl4Rl3Rl1(a)測(cè)量電橋(b)恒流源和電壓計(jì)構(gòu)成測(cè)量電路最為精確的測(cè)量方法選用原則：較高溫度——熱電偶中低溫區(qū)——熱電阻一般以500℃為分界，但不絕對(duì)。原因：(1)在中低溫區(qū)，熱電偶輸出的熱電勢(shì)很小，對(duì)測(cè)量?jī)x表放大器和抗干擾要求很高。

(2)由于參比端溫度變化不易得到完全補(bǔ)償，在較低溫度區(qū)內(nèi)引起的相對(duì)誤差就很突出。另外，還應(yīng)注意工作環(huán)境，如環(huán)境溫度、介質(zhì)性質(zhì)（氧化性、還原性、腐蝕性）等，選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)套管、連接導(dǎo)線等。熱電偶與熱電阻的選用熱敏電阻將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化。靈敏度高，其靈敏度比熱電阻要大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。熱敏電阻測(cè)溫范圍約為-10~+300°C。測(cè)溫度時(shí)采用的也是電橋測(cè)量電路。(2)半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）mAIrRURERrUTRTR5R6R3(R1)En+－+－U2R1EnAR1R2R4R3U’+

－測(cè)量電橋及其等效電路熱敏電阻圖示按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性可分為：1．正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡(jiǎn)稱PTC熱敏阻器。2．負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡(jiǎn)稱NTC熱敏電阻器。3．突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR）該類電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。CTR是一種開(kāi)關(guān)型NTC。熱敏電阻的分類

熱敏電阻器的電阻——溫度特性（RT—T）

1234鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱敏電阻的電阻--溫度特性曲線1-NTC；2-CTR；3-4PTCρT—T與RT—T特性曲線一致。由熱敏電阻器RT和與溫度無(wú)關(guān)的線性電阻器Rp并聯(lián)后與被補(bǔ)償電阻Rs串聯(lián)組成。熱敏電阻器用作溫度補(bǔ)償

RRsRPRT3.4.1電阻傳感器

3光電阻傳感器光電效應(yīng)按作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。1）光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻和反向工作的光敏晶體管等。2）光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。被測(cè)量光信號(hào)電阻光電導(dǎo)效應(yīng)幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。沒(méi)有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很??；當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值（亮電阻）減小，電流（亮電流）增大。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。光敏電阻工作原理和特性

(a)光電阻外形圖(b)光電阻原理圖(c)接線圖光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光敏晶體管工作原理和特性

光敏三極管光信號(hào)檢測(cè)方法反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)反射鏡反射型光電開(kāi)關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對(duì)安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器表面覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來(lái)的偏振光。反射板反射鏡被測(cè)物體偏振光發(fā)射光光電耦合器被測(cè)物漫反射型光電開(kāi)關(guān)漫反射光線反射光線被檢測(cè)物體發(fā)射光線

漫反射型光電開(kāi)關(guān)集光