传感器原理与应用—电阻式演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,传感器原理与应用,传统传感器原理,及应用,Traditional Transducers,2025/3/18 周二,1,传统传感器,电参量型传感器,电量型传感器,2025/3/18 周二,2,电参量型传感器是输出为,电路参数,，即,电阻、电感,(,自感,),和电容,的传感器的总称，即将被测物理量变化转换为电参数的变化，再配以适当的转换电路，将输出的电参数转变为电量输出。,电参量型传感器都属于,能量控制型传感器,。,下面将介绍几种典型的电参量型传感器，包括,电阻输出型、电感输出型、电容输出型,三类电参量型传感器。,电参量型传感器,2025/3/18 周二,3,电阻式传感器,电感式传感器,电容式传感器,电参量型传感器测量电路,电参量型传感器,2025/3/18 周二,4,被测量变化能引起传感器输出电阻值变化的传感器统称为电阻输出型传感器，简称电阻式传感器,。,电阻式传感器,2025/3/18 周二,5,电阻式传感器,电位器式传感器,电阻应变式传感器,热电阻传感器,电阻输出型半导体传感器,2025/3/18 周二,6,应用示例,：,电位器式传感器,2025/3/18 周二,7,测量原理,电位器是带有直线或旋转滑动触头的电阻性器件,。,被测量通过带动触头移动使输出电阻发生变化实现测量。在实际应用中，可以用于直线运动测量，也可用于角位移测量。,电位器式传感器,图,3.3,各种电阻体变阻器结构图,2025/3/18 周二,8,测量原理,绕线式电位器传感器的结构类型：,电位器式传感器,图,3.3.4,线绕式变阻器结构类型,(b),角位移型,(c),非线性型,(a),直线位移型,2025/3/18 周二,9,应用特性,电位器由电阻元件、滑动触头、调节杆或传动杆、轴承和外壳组成。,电位器式传感器,2025/3/18 周二,10,应用特性,电位器式传感器可输出较大的电阻变化，可采用如图,3.6,所示电阻分压电路来实现测量。,电位器式传感器,图,3.6,电阻分压电路,2025/3/18 周二,11,应用特性,电位器把机械的线位移或角位移输入量转换为电阻或电压输出。主要应用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。,电位器式传感优点是结构简单、尺寸小、重量轻、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，滑动触头的摩擦和惯性限制了其动态特性，灰尘、湿气、氧化和磨损又加大了噪声，从而使其测量分辨力下降，使用寿命缩短。此外，触头滑动形成电火花，大大降低了其安全性。,电位器式传感器,2025/3/18 周二,12,应用案例,(1),：,滑线变阻器式位移传感器,2025/3/18 周二,13,应用案例,(2),：,液体电位器气泡式水平仪,图,3.9,气泡式水平仪,x,2025/3/18 周二,14,电阻应变式传感器,应用示例,：,2025/3/18 周二,15,测量原理,电阻应变片,(,Resistance Strain Sensor,),是应变测量的关键元件，电阻应变片的工作原理是基于,应变电阻效应,。根据制作材料不同，电阻应变片通常分为,金属应变片,和,半导体应变片,两大类。,(1),应变电阻效应,电阻应变式传感器,应变电阻效应即在导体发生机械变形时，导体电阻值相应发生变化的效应。,2025/3/18 周二,16,(1),应变电阻效应,电阻应变式传感器,2025/3/18 周二,17,金属应变片的应变电阻效应,电阻应变式传感器,金属应变片的电阻变化主要由其结构尺寸变化所致，故金属应变片属于结构型传感器。,材料不同，电阻变化的主要来源不同，电阻应变片通常分为,金属电阻应变片,和,半导体电阻应变片,两大类。,2025/3/18 周二,18,半导体应变片的应变电阻效应,压阻效应,：,指半导体材料在某一轴向受外力时，其电阻率发生变化的现象,。,电阻应变式传感器,半导体应变片工作原理,：,半导体应变片是利用半导体材料的物理效应,压阻效应工作的，因此半导体应变片属于物性型传感器。,2025/3/18 周二,19,电阻应变片工作原理总结：,电阻应变片工作原理基于应变电阻效应，感受灵敏栅轴向线应变，输出电阻应变，即：,电阻应变式传感器,金属材料：,K,0,=,K,m,=,(1+2,),+,C,(1-2,),前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致,;,后部分为电阻率随应变而变的部分。,金属应变片的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，属于结构型传感器,。,半导体材料：,K,0,=,K,S,=,(1+2,),+,E,前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。,半导体应变片的压变电阻效应主要基于压阻效应，属于物性型传感器,。,2025/3/18 周二,20,(2),电阻应变式传感器的结构与类型,应变计的结构,利用导电材料的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件，即：,电阻应变计（片）,，简称,应变计（片）,strain gauge,。,电阻应变式传感器,应变计的结构型式及其组成,敏感栅、基底、引线、盖层、粘结剂。,引线,覆盖层,基片,敏感栅,2025/3/18 周二,21,应用特性,电阻应变式传感器有以下两种应用方式：,直接用来测定结构的应变和应力。,将应变片粘贴于弹性元件上，作为力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。,(2),电阻应变式传感器的结构与类型,电阻应变式传感器,应变计的结构型式及其组成,2025/3/18 周二,22,应用特性,电阻应变式传感器,应用特性：,属于接触式测量。电阻应变计测量时必须粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘贴剂和粘贴技术对测量结果有着直接影响。,一般适用于中、低频率范围。,温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。,2025/3/18 周二,23,电阻应变式传感器的测力应用,2025/3/18 周二,24,应用案例,(1),：,应变式压力传感器,应变片,膜片,弹性梁,压力,图,3.16,应变式压力传感器,2025/3/18 周二,25,电子秤,磅秤,超市打印秤,2025/3/18 周二,26,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,2025/3/18 周二,27,人体秤,2025/3/18 周二,28,吊钩秤,便携式,2025/3/18 周二,29,材料应变的测量,2025/3/18 周二,30,应变式振动、加速度检测,加速度传感器示意图,1,应变片；,2,基座；,3,质量块；,4,悬梁臂,2025/3/18 周二,31,应用案例,(2),：,应变式水平仪,图,3.18,应变式水平仪,2025/3/18 周二,32,热电阻传感器,应用示例,：,A,流体管道流量检测,2025/3/18 周二,33,热电阻传感器,测量原理,热电传感器,是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置。,热电阻传感器是热电传感器的一种。能将温度变化转换为电阻变化的热电传感器称为,热电阻传感器,。,将温度变化转换为热电势变化的热电传感器称为,热电偶传感器,。,（将在电量型传感器中介绍）,热电阻传感器根据材料不同可分为金属热电阻式（简称热电阻）和半导体热电阻式（简称热敏电阻）两大类。,2025/3/18 周二,34,热电阻传感器,(1),金属热电阻传感器,大多数的金属导体的电阻率随着温度升高而增大，具有正的温度系数，这就是热电阻测温的基础。,目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜，并且已做成标准测温热电阻。,铂热电阻及其特性,铂电阻温度计的使用范围是,-200,850,：,2025/3/18 周二,35,热电阻传感器,铂热电阻及其特性,铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂在氧化、高温环境下的物理、化学性质都非常稳定。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用在工业测量中。此外，铂电阻还被广泛地应用于温度的基准、标准的传递。价格昂贵。,铜热电阻及其特性,-200,0,温度范围内，铜电阻的阻值与温度之间的关系为：,铜容易提纯，价格便宜，在,-50150,范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出,-,输入特性接近线性关系。不足之处是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。,2025/3/18 周二,36,热敏电阻按电阻值随温度变化的特性可分为三种类型：,正温度系数,(,PTC,),热电阻传感器,(2),半导体热敏电阻传感器,半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。,0,40,80,120,160,200,10,0,10,2,10,4,10,6,温度,/,电阻,/,负温度系数,(NTC),正温度系数,(PTC),临界温度系数,(CTR),负温度系数,(,NTC,),临界温度系数,(,CTR,),PTC,型主要用于过热保护，定温控制，或作限流元件使用。,NTC,型具有很高的负温度系数和较大的温度敏感范围，既可用作温度测量，也可作温控器件。,CTR,型热敏电阻具有开关特性，因而主要用作温控开关。,2025/3/18 周二,37,热电阻传感器,(2),半导体热敏电阻传感器,在温度测量中，主要采用,NTC,和,PTC,型热敏电阻，其中,NTC,型热敏电阻应用最普遍。,热敏电阻与金属热电阻比较的特点：,电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的,10,倍；,结构简单，体积小，可以测量点温度；,电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；,电阻值与温度变化呈非线性关系，需进行线性化处理；,稳定性与互换性差。,热敏电阻的应用：,用于直接测量温度或可以转换为温度测量的其他物理量的测量，如,热敏电阻体温表,、热导式气体成分分析仪等。,2025/3/18 周二,38,热电阻传感器,(3),热电阻传感器的结构,热电阻主要由感温元件（电阻体）、内引线、保护管三部分构成。,安装固定件,电阻体,绝缘套筒,不锈钢套管,引线口,接线盒,图,3.21,工业热电阻的基本结构,2025/3/18 周二,39,热电阻的结构,图,3.22,热电阻的外形结构图,2025/3/18 周二,40,热敏电阻的结构,图,3.23,柱形热敏电阻结构图,钍镁丝,铂丝,电阻体,保护管,银焊点,绝缘柱,电极,电极,图,3.24,各种类型的热敏电阻,2025/3/18 周二,41,热电阻传感器,(3),热电阻传感器的结构,热电阻的连线方式：内引线是热电阻出厂时自身具备的引线，其功能是使感温元件能与外部测量及控制装置相连接。,热电阻的外引线有两线制、三线制及四线制三种。,二线制：,三线制：,四线制：,t,R,1,R,2,R,3,R,t,E,out,(a),二线制,t,R,1,R,2,R,3,R,t,E,out,(b),三线制,i,R,t,E,out,恒,流,源,(c),四线制,2025/3/18 周二,42,类型：普通型、铠装型、小型、薄膜型、防爆型等。,热电阻传感器的类型,2025/3/18 周二,43,热电阻传感器,应用特性,用于工业温度参数的测控，以及可转换成温度测量的其他物理量的测量，如流体流量检测、气体成分分析等。热电阻也常用于温度补偿电路的感温元件，或用于某些物理量温度系数的修正，如各种传感器的温度补偿电路、热电偶的冷端补偿电路等等。,2025/3/18 周二,44,热电阻测量温度,d,V,2025/3/18 周二,45,应用案例,(1),：,热电偶体温表,图,3.26,热电阻体温表,热电阻,图,3.27,调频式热电阻体温表,热电阻,2025/3/18 周二,46,应用案例,(2),：,热导式气体成分分析仪,2025/3/18 周二,47,电阻输出型半导体传感器,利用半导体材料的各种物理效应可以把一些物理量、化学量和生物量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体式传感器。,半导体传感器都是物性型传感器。,下面介绍几种典型的电阻输出型半导体传感器：,扩散硅压阻式传感器,磁敏电阻,电阻型气敏器件,湿敏电阻,2025/3/18 周二,48,电阻输出型半导体传感器,扩散硅压阻式传感器,应用示例,：,图,3.29,压阻式液位传感器,背压管,压阻式压力传感器,支架,2025/3/18 周二,49,电阻输出型半导体传感器,扩散硅压阻式传感器,(1),测量原理,利用半导体工艺中的,扩散技术,，将敏感元件（半导体应变片）和应变材料（基底）合二为一，制成扩散型压阻式传感器。这类传感器的应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅，因此统称为扩散硅压阻式传感器。,扩散硅压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的,压阻效应,。,2025/3/18 周二,50,电阻输出型半导体传感器,扩散硅压阻式传感器,(2),应用特性,扩散硅压阻式传感器是典型的,物性型传感器,。,压阻式传感器与半导体应变片的异同点：,相同点,：,都是基于半导体材料的压阻效应，都属于物性型传感器。,不同点,：,安装方式不同：半导体应变片通过粘贴的方式将灵敏栅贴于被测试件（弹性体），因此其高频特性较差，不适于高频的动态检测；压阻传感器是通过扩散技术将灵敏栅和弹性体融为一体，因此灵敏度、分辨力高。其动态性能较半导体应变片大大改善,，,可用于加速度和振动检测。,应用特点,：用于静、动态压力测量，或可以转化为压力检测的其他物理量的测量。,2025/3/18 周二,51,应用案例：,压阻式压差传感器,图,3.32,压阻式压差传感器,2025/3/18 周二,52,电阻输出型半导体传感器,磁敏电阻,应用示例,：,2025/3/18 周二,53,电阻输出型半导体传感器,磁敏电阻,(1),测量原理,磁敏电阻是利用,磁阻效应,制成的一种磁敏元件。,磁阻效应,：将一载流导体置于外磁场中，其电阻值随磁场而变化的现象称为“磁敏电阻效应”，简称“磁阻效应”。,2025/3/18 周二,54,电阻输出型半导体传感器,磁敏电阻,(1),测量原理,磁阻效应与材料性质、几何形状有关。若考虑形状的影响，其长宽比,(L/b),越小，则磁阻效应也越明显。,圆盘形磁敏电阻的磁敏效应最强，圆盘的中间和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫做,科尔比诺圆盘,，这时的效应叫做科尔比诺效应。,2025/3/18 周二,55,电阻输出型半导体传感器,磁敏电阻,(2),应用特性,磁敏电阻的实际应用可以分为以下两类，即用于,直接测量磁场,和,通过磁场变化测量其他物理量,。,第一类包括电流测量、基于测量地球磁场的电子罗盘、磁录音（对磁带速度变化不敏感）、计算机磁盘驱动器、信用卡阅读机、磁编码价格标签以及机场和零售商品安全系统。还根据铁磁物体对地磁的扰动，可检测车辆的存在，可用于包括自动开门，路况监测，停车场检测，车辆位置监测，红绿灯控制等。,第二类包括测量直线位移和角位移、旋转、位置、角度、接近开关、铁磁性金属检测，如。在所有这些应用中，移动目标必须改变磁场。为此，需要将金属目标或者带有金属覆盖物或金属识别器的目标放入恒定磁场，或使待检测活动元件携带永磁体。,2025/3/18 周二,56,S,N,磁阻元件,摆杆,磁体,外壳,(a),水平时,S,N,(b),倾斜时,应用案例：,垂直钟摆磁阻式水平仪,2025/3/18 周二,57,电阻输出型半导体传感器,电阻型气敏器件,应用示例,：,图,3.37,电阻型气敏传感器,2025/3/18 周二,58,电阻输出型半导体传感器,电阻型气敏器件,(1),测量原理,气敏传感器,是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。按照半导体变化的物理特征，可分为,电阻型,和,非电阻型,两类半导体气敏传感器。,电阻型气敏传感器,是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分。,结构,：半导体式气敏元件一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。,分类,：按其结构可分成烧结型、薄膜型和厚膜型三类。,图,3.15,半导体式传感器的器件结构,(a),烧结型,电极,氧化物半导体,加热器,玻璃（尺寸约,1mm,，也有全为半导体的）,(b),薄膜型,3mm,0.5mm,0.6mm,加热器,3mm,绝缘基片,电极,(c),厚膜型,7,3,3,0.5,（,单位,mm,）,样品,Pt,电极,氧化铝基片,器件加热用的加热器,（印制厚膜电阻）,2025/3/18 周二,59,电阻输出型半导体传感器,电阻型气敏器件,(2),应用特性,半导体式气敏传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器，也可用于对大气污染进行监测，以及在医疗上用于对,O,2,、,CO,等气体的测量，生活中则用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等。,2025/3/18 周二,60,应用案例：,MQN,型气敏测量仪,图,3.39 MQN,型气敏测量仪,2025/3/18 周二,61,电阻输出型半导体传感器,湿敏电阻,湿度是指大气中所含水蒸气量。,湿度有三种描述方法：,绝对湿度,（,kg/m,3,）,、相对湿度,（,%RH,，,大气中水汽分压与该温度下饱和水汽压的百分比,）,和露点,（,，,指水从气相变为液相的相变温度,）。,(1),氯化锂湿敏电阻,氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。,氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了对湿度的电测量。,(2),半导瓷湿敏电阻,半导瓷材料主要是不同类型的金属氧化物。按其电阻率随湿度的增加是增大或降低，半导瓷可分为正特性湿敏半导瓷和负特性湿敏半导瓷两大类。,常用典型半导瓷湿敏电阻有烧结型湿敏电阻和涂覆膜型,Fe,3,O,4,湿敏器件,。,2025/3/18 周二,62,陶瓷湿敏电阻传感器,图,3.42,陶瓷湿度传感器,2025/3/18 周二,63,应用案例：,汽车挡风玻璃自动去湿系统,2025/3/18 周二,64,