傳感器原理與應(yīng)用-電阻式

傳統(tǒng)傳感器原理及應(yīng)用TraditionalTransducers2023/2/51傳統(tǒng)傳感器

電參量型傳感器

電量型傳感器2023/2/52電參量型傳感器是輸出為電路參數(shù)，即電阻、電感(自感)和電容的傳感器的總稱(chēng)，即將被測(cè)物理量變化轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的變化，再配以適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路，將輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵?。電參量型傳感器都屬于能量控制型傳感器。下面將介紹幾種典型的電參量型傳感器，包括電阻輸出型、電感輸出型、電容輸出型三類(lèi)電參量型傳感器。電參量型傳感器2023/2/53電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器電參量型傳感器測(cè)量電路電參量型傳感器2023/2/54被測(cè)量變化能引起傳感器輸出電阻值變化的傳感器統(tǒng)稱(chēng)為電阻輸出型傳感器，簡(jiǎn)稱(chēng)電阻式傳感器。電阻式傳感器2023/2/55電阻式傳感器

電位器式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器熱電阻傳感器電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器2023/2/56應(yīng)用示例：電位器式傳感器2023/2/57測(cè)量原理電位器是帶有直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)觸頭的電阻性器件。被測(cè)量通過(guò)帶動(dòng)觸頭移動(dòng)使輸出電阻發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，可以用于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量，也可用于角位移測(cè)量。電位器式傳感器圖3.3各種電阻體變阻器結(jié)構(gòu)圖2023/2/58測(cè)量原理繞線(xiàn)式電位器傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型：電位器式傳感器圖3.3.4線(xiàn)繞式變阻器結(jié)構(gòu)類(lèi)型(b)角位移型(c)非線(xiàn)性型(a)直線(xiàn)位移型2023/2/59應(yīng)用特性電位器由電阻元件、滑動(dòng)觸頭、調(diào)節(jié)桿或傳動(dòng)桿、軸承和外殼組成。電位器式傳感器2023/2/510應(yīng)用特性電位器式傳感器可輸出較大的電阻變化，可采用如圖3.6所示電阻分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。電位器式傳感器圖3.6電阻分壓電路2023/2/511應(yīng)用特性電位器把機(jī)械的線(xiàn)位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為電阻或電壓輸出。主要應(yīng)用于測(cè)量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，滑動(dòng)觸頭的摩擦和慣性限制了其動(dòng)態(tài)特性，灰塵、濕氣、氧化和磨損又加大了噪聲，從而使其測(cè)量分辨力下降，使用壽命縮短。此外，觸頭滑動(dòng)形成電火花，大大降低了其安全性。電位器式傳感器2023/2/512應(yīng)用案例(1)：滑線(xiàn)變阻器式位移傳感器2023/2/513應(yīng)用案例(2)：液體電位器氣泡式水平儀

圖3.9氣泡式水平儀x2023/2/514電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用示例：2023/2/515測(cè)量原理電阻應(yīng)變片(ResistanceStrainSensor)是應(yīng)變測(cè)量的關(guān)鍵元件，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變電阻效應(yīng)。根據(jù)制作材料不同，電阻應(yīng)變片通常分為金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類(lèi)。(1)

應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變電阻效應(yīng)即在導(dǎo)體發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，導(dǎo)體電阻值相應(yīng)發(fā)生變化的效應(yīng)。

2023/2/516(1)

應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器2023/2/517金屬應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻應(yīng)變式傳感器金屬應(yīng)變片的電阻變化主要由其結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，故金屬應(yīng)變片屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。

材料不同，電阻變化的主要來(lái)源不同，電阻應(yīng)變片通常分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類(lèi)。2023/2/518半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)：指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理：半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的物理效應(yīng)——壓阻效應(yīng)工作的，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片屬于物性型傳感器。

2023/2/519電阻應(yīng)變片工作原理總結(jié)：電阻應(yīng)變片工作原理基于應(yīng)變電阻效應(yīng)，感受靈敏柵軸向線(xiàn)應(yīng)變，輸出電阻應(yīng)變，即：電阻應(yīng)變式傳感器金屬材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致;后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。金屬應(yīng)變片的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主，屬于結(jié)構(gòu)型傳感器。半導(dǎo)體材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同樣為尺寸變化所致；后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致。半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)，屬于物性型傳感器。2023/2/520(2)

電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型

應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)利用導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測(cè)量試件表面應(yīng)變的敏感元件，即：電阻應(yīng)變計(jì)（片），簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變計(jì)（片）

straingauge

。電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)型式及其組成敏感柵、基底、引線(xiàn)、蓋層、粘結(jié)劑。引線(xiàn)覆蓋層基片敏感柵2023/2/521應(yīng)用特性電阻應(yīng)變式傳感器有以下兩種應(yīng)用方式：直接用來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力。

將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，作為力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。

(2)

電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型

電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)型式及其組成2023/2/522應(yīng)用特性電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用特性：屬于接觸式測(cè)量。電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量時(shí)必須粘貼在試件或彈性元件上才能工作，因此粘貼劑和粘貼技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有著直接影響。一般適用于中、低頻率范圍。溫度的變化會(huì)引起電阻值的變化，從而需要采取溫度補(bǔ)償措施。2023/2/523電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)力應(yīng)用2023/2/524應(yīng)用案例(1)：應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片膜片彈性梁壓力圖3.16應(yīng)變式壓力傳感器2023/2/525電子秤

磅秤超市打印秤2023/2/526電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一2023/2/527人體秤

2023/2/528吊鉤秤

便攜式2023/2/529材料應(yīng)變的測(cè)量2023/2/530應(yīng)變式振動(dòng)、加速度檢測(cè)加速度傳感器示意圖1－應(yīng)變片；2－基座；3－質(zhì)量塊；4－懸梁臂

2023/2/531應(yīng)用案例(2)：應(yīng)變式水平儀圖3.18應(yīng)變式水平儀2023/2/532熱電阻傳感器應(yīng)用示例：A流體管道流量檢測(cè)2023/2/533熱電阻傳感器測(cè)量原理熱電傳感器是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參量隨溫度變化的特性，對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的裝置。熱電阻傳感器是熱電傳感器的一種。能將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的熱電傳感器稱(chēng)為熱電阻傳感器。將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的熱電傳感器稱(chēng)為熱電偶傳感器。（將在電量型傳感器中介紹）

熱電阻傳感器根據(jù)材料不同可分為金屬熱電阻式（簡(jiǎn)稱(chēng)熱電阻）和半導(dǎo)體熱電阻式（簡(jiǎn)稱(chēng)熱敏電阻）兩大類(lèi)。2023/2/534熱電阻傳感器(1)

金屬熱電阻傳感器大多數(shù)的金屬導(dǎo)體的電阻率隨著溫度升高而增大，具有正的溫度系數(shù)，這就是熱電阻測(cè)溫的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用最廣泛的熱電阻材料是鉑和銅，并且已做成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮?。鉑熱電阻及其特性鉑電阻溫度計(jì)的使用范圍是-200℃～850℃：

2023/2/535熱電阻傳感器鉑熱電阻及其特性鉑電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠。鉑在氧化、高溫環(huán)境下的物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。鉑電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)使用，也常被用在工業(yè)測(cè)量中。此外，鉑電阻還被廣泛地應(yīng)用于溫度的基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。價(jià)格昂貴。

銅熱電阻及其特性-200℃～0℃溫度范圍內(nèi)，銅電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系為：銅容易提純，價(jià)格便宜，在-50℃~150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出-輸入特性接近線(xiàn)性關(guān)系。不足之處是測(cè)量精度較鉑電阻稍低、電阻率小。2023/2/536熱敏電阻按電阻值隨溫度變化的特性可分為三種類(lèi)型：正溫度系數(shù)(PTC)熱電阻傳感器(2)

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件。04080120160200100102104106溫度/℃電阻/Ω負(fù)溫度系數(shù)(NTC)正溫度系數(shù)(PTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)臨界溫度系數(shù)(CTR)PTC型主要用于過(guò)熱保護(hù)，定溫控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的負(fù)溫度系數(shù)和較大的溫度敏感范圍，既可用作溫度測(cè)量，也可作溫控器件。CTR型熱敏電阻具有開(kāi)關(guān)特性，因而主要用作溫控開(kāi)關(guān)。2023/2/537熱電阻傳感器(2)

半導(dǎo)體熱敏電阻傳感器在溫度測(cè)量中，主要采用NTC和PTC型熱敏電阻，其中NTC型熱敏電阻應(yīng)用最普遍。

熱敏電阻與金屬熱電阻比較的特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，約為熱電阻的10倍；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量點(diǎn)溫度；電阻率高，熱慣性小，適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量；電阻值與溫度變化呈非線(xiàn)性關(guān)系，需進(jìn)行線(xiàn)性化處理；穩(wěn)定性與互換性差。熱敏電阻的應(yīng)用：用于直接測(cè)量溫度或可以轉(zhuǎn)換為溫度測(cè)量的其他物理量的測(cè)量，如熱敏電阻體溫表、熱導(dǎo)式氣體成分分析儀等。2023/2/538熱電阻傳感器(3)

熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻主要由感溫元件（電阻體）、內(nèi)引線(xiàn)、保護(hù)管三部分構(gòu)成。

安裝固定件電阻體絕緣套筒不銹鋼套管引線(xiàn)口接線(xiàn)盒圖3.21工業(yè)熱電阻的基本結(jié)構(gòu)2023/2/539熱電阻的結(jié)構(gòu)圖3.22熱電阻的外形結(jié)構(gòu)圖2023/2/540熱敏電阻的結(jié)構(gòu)圖3.23柱形熱敏電阻結(jié)構(gòu)圖釷鎂絲鉑絲電阻體保護(hù)管銀焊點(diǎn)絕緣柱電極電極圖3.24各種類(lèi)型的熱敏電阻2023/2/541熱電阻傳感器(3)

熱電阻傳感器的結(jié)構(gòu)熱電阻的連線(xiàn)方式：內(nèi)引線(xiàn)是熱電阻出廠時(shí)自身具備的引線(xiàn)，其功能是使感溫元件能與外部測(cè)量及控制裝置相連接。熱電阻的外引線(xiàn)有兩線(xiàn)制、三線(xiàn)制及四線(xiàn)制三種。①二線(xiàn)制：三線(xiàn)制：四線(xiàn)制：tR1R2R3RtEout(a)二線(xiàn)制tR1R2R3RtEout(b)三線(xiàn)制i

RtEout恒流源(c)四線(xiàn)制2023/2/542類(lèi)型：普通型、鎧裝型、小型、薄膜型、防爆型等。熱電阻傳感器的類(lèi)型2023/2/543熱電阻傳感器應(yīng)用特性用于工業(yè)溫度參數(shù)的測(cè)控，以及可轉(zhuǎn)換成溫度測(cè)量的其他物理量的測(cè)量，如流體流量檢測(cè)、氣體成分分析等。熱電阻也常用于溫度補(bǔ)償電路的感溫元件，或用于某些物理量溫度系數(shù)的修正，如各種傳感器的溫度補(bǔ)償電路、熱電偶的冷端補(bǔ)償電路等等。

2023/2/544熱電阻測(cè)量溫度dV2023/2/545應(yīng)用案例(1)：熱電偶體溫表圖3.26熱電阻體溫表熱電阻圖3.27調(diào)頻式熱電阻體溫表熱電阻2023/2/546應(yīng)用案例(2)：熱導(dǎo)式氣體成分分析儀2023/2/547電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器利用半導(dǎo)體材料的各種物理效應(yīng)可以把一些物理量、化學(xué)量和生物量的變化轉(zhuǎn)換為便于處理的電信號(hào)，從而制成各種半導(dǎo)體式傳感器。半導(dǎo)體傳感器都是物性型傳感器。下面介紹幾種典型的電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器：

擴(kuò)散硅壓阻式傳感器

磁敏電阻

電阻型氣敏器件

濕敏電阻2023/2/548電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器擴(kuò)散硅壓阻式傳感器應(yīng)用示例：圖3.29壓阻式液位傳感器背壓管壓阻式壓力傳感器支架2023/2/549電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器擴(kuò)散硅壓阻式傳感器(1)

測(cè)量原理利用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散技術(shù)，將敏感元件（半導(dǎo)體應(yīng)變片）和應(yīng)變材料（基底）合二為一，制成擴(kuò)散型壓阻式傳感器。這類(lèi)傳感器的應(yīng)變電阻與基底是同一塊材料，通常是半導(dǎo)體硅，因此統(tǒng)稱(chēng)為擴(kuò)散硅壓阻式傳感器。擴(kuò)散硅壓阻式傳感器的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。2023/2/550電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器擴(kuò)散硅壓阻式傳感器(2)

應(yīng)用特性擴(kuò)散硅壓阻式傳感器是典型的物性型傳感器。壓阻式傳感器與半導(dǎo)體應(yīng)變片的異同點(diǎn)：相同點(diǎn)：都是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，都屬于物性型傳感器。不同點(diǎn)：安裝方式不同：半導(dǎo)體應(yīng)變片通過(guò)粘貼的方式將靈敏柵貼于被測(cè)試件（彈性體），因此其高頻特性較差，不適于高頻的動(dòng)態(tài)檢測(cè)；壓阻傳感器是通過(guò)擴(kuò)散技術(shù)將靈敏柵和彈性體融為一體，因此靈敏度、分辨力高。其動(dòng)態(tài)性能較半導(dǎo)體應(yīng)變片大大改善，可用于加速度和振動(dòng)檢測(cè)。應(yīng)用特點(diǎn)：用于靜、動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，或可以轉(zhuǎn)化為壓力檢測(cè)的其他物理量的測(cè)量。2023/2/551應(yīng)用案例：壓阻式壓差傳感器圖3.32壓阻式壓差傳感器2023/2/552電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻應(yīng)用示例：2023/2/553電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻(1)

測(cè)量原理磁敏電阻是利用磁阻效應(yīng)制成的一種磁敏元件。

磁阻效應(yīng)：將一載流導(dǎo)體置于外磁場(chǎng)中，其電阻值隨磁場(chǎng)而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為“磁敏電阻效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“磁阻效應(yīng)”。

2023/2/554電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻(1)

測(cè)量原理磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)。若考慮形狀的影響，其長(zhǎng)寬比(L/b)越小，則磁阻效應(yīng)也越明顯。

圓盤(pán)形磁敏電阻的磁敏效應(yīng)最強(qiáng)，圓盤(pán)的中間和邊緣處為兩電極。這種圓盤(pán)形磁阻器叫做科爾比諾圓盤(pán)，這時(shí)的效應(yīng)叫做科爾比諾效應(yīng)。2023/2/555電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器磁敏電阻(2)

應(yīng)用特性磁敏電阻的實(shí)際應(yīng)用可以分為以下兩類(lèi)，即用于直接測(cè)量磁場(chǎng)和通過(guò)磁場(chǎng)變化測(cè)量其他物理量。第一類(lèi)包括電流測(cè)量、基于測(cè)量地球磁場(chǎng)的電子羅盤(pán)、磁錄音（對(duì)磁帶速度變化不敏感）、計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、信用卡閱讀機(jī)、磁編碼價(jià)格標(biāo)簽以及機(jī)場(chǎng)和零售商品安全系統(tǒng)。還根據(jù)鐵磁物體對(duì)地磁的擾動(dòng)，可檢測(cè)車(chē)輛的存在，可用于包括自動(dòng)開(kāi)門(mén)，路況監(jiān)測(cè)，停車(chē)場(chǎng)檢測(cè)，車(chē)輛位置監(jiān)測(cè)，紅綠燈控制等。第二類(lèi)包括測(cè)量直線(xiàn)位移和角位移、旋轉(zhuǎn)、位置、角度、接近開(kāi)關(guān)、鐵磁性金屬檢測(cè)，如。在所有這些應(yīng)用中，移動(dòng)目標(biāo)必須改變磁場(chǎng)。為此，需要將金屬目標(biāo)或者帶有金屬覆蓋物或金屬識(shí)別器的目標(biāo)放入恒定磁場(chǎng)，或使待檢測(cè)活動(dòng)元件攜帶永磁體。2023/2/556SN磁阻元件擺桿磁體外殼(a)水平時(shí)SN(b)傾斜時(shí)應(yīng)用案例：垂直鐘擺磁阻式水平儀2023/2/557電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器電阻型氣敏器件應(yīng)用示例：圖3.37電阻型氣敏傳感器2023/2/558電阻輸出型半導(dǎo)體傳感器電阻型氣敏器件(1)

測(cè)量原理氣敏傳感器是一種將檢測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。按照半導(dǎo)體變化的物理特征，可分為電阻型和非電阻型兩類(lèi)半導(dǎo)體氣敏傳感器。電阻型氣敏傳感器是利用敏感元件吸附氣體后電阻值隨著被測(cè)氣體的濃度改變來(lái)檢測(cè)氣體的濃度或成分。結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體式氣敏元件一般由敏感元件、加熱器和外殼三部分組成。

分類(lèi)：按其結(jié)構(gòu)可分成燒結(jié)型、薄膜型和厚膜型三類(lèi)。圖3.15

半導(dǎo)體式傳感器的器件結(jié)構(gòu)(a)燒結(jié)型電極氧化物半導(dǎo)體加熱器玻璃（尺寸約1mm，也有全為半導(dǎo)體的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加