長江大學感測技術PPT第四章 阻抗型傳感器

1、2022-1-41第四章 阻抗型傳感器電子信息學院楊 友 平2022-1-42.1 電阻式傳感器電阻式傳感器.1.1 電位器式傳感器電位器式傳感器一、組成原理一、組成原理 圖圖1-1二、輸入二、輸入輸出特性輸出特性1線性特性線性電位器xLRRxxLURRUUxx式中L觸點行程x觸點位移角位移線位移2非線性特性非線性電位器 非線性函數(shù) )(xfRx)(xfRUUx2022-1-434.1.1 電位器式傳感器)()(xfRUxfRUUUABACx 2022-1-44三、結構形式2非接觸式光電電位器 圖412四、用途：測量位移；測量可轉化為位移的其他非電量。2022-1-45圖-1-2光電電位器原理

2、圖 2022-1-464.1.2 電阻式應變傳感器和固態(tài)壓阻式傳感器電阻式應變傳感器和固態(tài)壓阻式傳感器一、電阻式應變傳感器（一）應變電阻效應應變使電阻變化1、應變：圖4-1-3 縱向線應變 橫向線應變 泊松比面應變 體應變 ldl /rdr /ldrrdr/22/rdrAdA)21 (/AdALdlVdV2022-1-472、導體電阻及其變化金屬材料 半導體材料 壓阻系數(shù) E彈性模量3、應變效應表達式： （應變材料的靈敏系數(shù)）：金屬材料 約1.02半導體材料 約50100ALRdAdALdLRdR)21 ()21 ( cvdvcdEd00KRR00/ RRK21)21 ()21 (0cKEEK

3、)21 (02022-1-484.1.2 應變式傳感器和壓阻式傳感器 dAdAldlRdR2022-1-49（二）電阻應變片1、組成結構圖4-1-43、安裝粘貼在試件表面（應使應變片軸向與所測應變方向一致）4、應變片靈敏系數(shù)應變片電阻相對變化與粘貼處試件表面應變之比RRK/(1)xxyyxxxRkkkHkR試件表面縱向線應變 試件表面橫向線應變xy)0(xy縱向靈敏系數(shù)， 橫向靈敏系數(shù)xkyk 橫向效應系數(shù)xykkH/應變片靈敏系數(shù)小于應變電阻材料靈敏系數(shù) 0)1 (kkHkkxx2022-1-4102022-1-4112022-1-412（三）應變電橋 1、電阻傳感器電橋的近似公式圖311中

4、令 在 的條件下，電橋開路輸出電壓可近似為iiiRRZiiRR 31240012344RRRRUUURRRR 非線性誤差近似為 001234012341()2UURRRReURRRR結論結論：1）如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化）如果電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂，溫度引起的電阻變化將相互抵消，其影響將減小或消除；將相互抵消，其影響將減小或消除；2）非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相同，則應將這兩）非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相同，則應將這兩電阻傳器接在電橋的相對兩臂，但是這只能提高電橋輸出電壓，電阻傳器接在電橋的相對兩臂，但是這只能提高電橋輸出電壓，并不能減小溫

5、度變化的影響和非線性誤差。并不能減小溫度變化的影響和非線性誤差。3）被測非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相反，則應將）被測非電量若使兩電阻傳感器的電阻變化符號相反，則應將這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂即構成差動電橋，這既能這兩電阻傳感器接在電橋的相鄰兩臂即構成差動電橋，這既能提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。2022-1-4132、應變電橋接入應變片的電橋1）單應變片工作：2）雙應變片工作： 一片受拉，另一片受壓，即1=x，2=-x，一片承受縱向應變x，即1=x，另一片承受橫向應變y，即2=y。因y=- x，(為泊

6、松比)，04kUU0124kUU02xkUU014xkUU 3) 四應變片工作：兩片受拉，另兩一片受壓1=3=x，2=4=-x， 兩片承受縱向應變x，另兩片承受橫向應變y1=3=x，2=4=y，y=-x(為泊松比)，0 xUkU012344kUU012xkUU 2022-1-414（四）溫度誤差及其補償1、溫度誤差產(chǎn)生原因 應變電阻隨溫度變化)1 (0tRRttRRt0tKKRRt0/試件材料與應變法的線膨脹系數(shù)不一致)1 (0tlLsst)1 (0tlLggttllllsgstgt)(0tllsg)(0產(chǎn)生電阻變化為0()tgsRktR總的電阻變化為00()tttgsRRRtktRR 202

7、2-1-415 00()tttgsRRRtktRR 2022-1-416 3、補償溫度誤差的辦法 補償塊法 圖1-711111()ttRRRkRR 2222ttRRkRR04kUU差動電橋法 如果兩應變片型號參數(shù)、所處環(huán)境溫度及所粘貼材料均相同，只要將兩應變片接入電橋的相鄰兩臂，就可消除溫度變化引起的測量誤差。2、溫度誤差的危害產(chǎn)生應變測量誤差即“虛假視應變”溫度變化產(chǎn)生的應變片電阻的相對變化可折算成的“虛假視應變”為()()tgsgstttkk 2022-1-41704kUU2022-1-418二、固態(tài)壓阻式傳感器（一）半導體壓阻效應應力使半導體電阻率變化 dEAF)21 ( EdEdRdR

8、（二）固態(tài)電阻式傳感器特點：在半導體硅材料基底上制成擴散電阻，作為測量傳感元件，優(yōu)點：無須粘貼，便于傳感器的集成化缺點：易受溫度影響。需溫度補償或在恒溫條件下使用。（三）溫度誤差及其補償1、溫度誤差產(chǎn)生原因1電阻隨溫度變化（電橋輸出）零位漂移2溫度壓阻系數(shù)（電橋輸出）靈敏度漂移2、溫度補償電路圖4-1-81零位溫漂補償：RP起補償作用；RS起調(diào)零作用2靈敏度溫漂補償二級管V；壓降隨溫度升高而下降。2022-1-419 2022-1-4204.1.3 熱電阻和熱敏電阻一、熱電阻金屬電阻1電阻溫度特性 （正溫度特性）近似公式：一般 故 近似線性 電阻溫度系數(shù) 百度電阻比： 一般為100、50兩種分

9、度表溫度t與電阻阻值Rt的對照數(shù)據(jù)表。 Rt)1 (320ctttRRt32cttt)1 (0tRRt00R2對熱電阻材料的要求溫度特性的線性度好溫度系數(shù)大且穩(wěn)定電阻率大物理化學性能穩(wěn)定2022-1-4213常用熱電阻 W（100） 測溫范圍 價格 溫度系數(shù)鉑電阻 1.391 -200650 昂貴 高 低銅電阻 1.425 -50150 低廉 差 高二、熱敏電阻半導體電阻1、類型 圖4-1-9 特性曲線PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature

10、coefficientNTC常用于溫度測量和溫度補償 PTC、CTC常用作開關元件2022-1-4224.1.3 熱電阻和熱敏電阻011()0BTTRR e 2022-1-423 2結構及符號圖4-1-102022-1-4242022-1-4253NTC熱敏電阻電阻溫度特性)11(00TTBeRR21/TBdTdRRdTRdR2011() ()02()BBTTTdRBR eRdTT 2/TBdTRdR結論：1溫度系數(shù)比熱電阻大幾十倍 2非線性比熱電阻嚴重因為所以2022-1-426 伏安特性圖4-1-12應根據(jù)允許功能確定電流2022-1-4274.1.4 氣敏電阻氣敏電阻一、工作原理 圖3、

11、圖4半導體陶瓷與氣體接觸時電阻發(fā)生變化： 接觸氧化性氣體，電阻 接觸還原性氣體，電阻 濃度越大，電阻變化越大用途：氣體識別，濃度檢測二、材料與組成1、材料SnO2應用最廣2、組成： 氣敏電阻體；加熱器 3、結構： 燒結型；薄膜型；厚膜型2022-1-4284.1.4 氣敏電阻2022-1-429 2022-1-4304、電路符號 圖4115旁熱式 圖4115(a)(b)直熱式 圖4115(c)SLLCRLRRRUU氣敏電阻Rs與負載電阻RL分壓電路 2022-1-431氣敏電阻電橋電路 2022-1-4324.1.5 濕敏電阻濕敏電阻一、氯化化鋰濕敏電阻 是利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變

12、化而制成的測濕元件。 氯化鋰溶液的當量電導隨著溶液濃度的增高而下降。環(huán)境的相對濕度高，氯化鋰溶液將因吸收水份而濃度降低；反之，環(huán)境的相對濕度低，則氯化鋰溶液的濃度就高。因此，氯化鋰濕敏電阻的阻值將隨環(huán)境相對濕度的改變而變化，從而實現(xiàn)了濕度的測量。二、半導瓷濕敏電阻1濕敏特性： 正特性 濕度電阻 負特性 濕度電阻2典型結構 燒結型 正濕敏特性 涂復膜型 負濕敏特性三、高分子膜濕敏電阻是采用人工合成的有機高分子膜作為濕敏材料的電阻式濕度傳感器(1)碳濕敏電阻；（2）聚苯乙烯磺酸鋰濕敏電阻2022-1-4332022-1-4342022-1-4352022-1-436電流表電流 濕敏電阻Rd校滿電阻

13、與xmax%RH對應的Rx相等。濕度RxIx注意：1不能使用電壓表，因電壓表內(nèi)阻r很大，電壓表讀數(shù)為 幾乎不隨濕度改變. 2濕敏電阻必須用交流式換向直流供電，不能用單向電流供電.4213RRRVIxxRVRRRrrRRRrUUxx33212102022-1-437.2 電容式傳感器電容式傳感器4.2.1基本原理與結構類型基本原理與結構類型一、原理1平行平面電容單層介質(zhì) s極板覆蓋面積多層介質(zhì) 2平行曲面形（同軸圓筒形）電容 L覆蓋長度當時 ， （x0時，ln x展成冪級數(shù)，取第一項， ，令 ，所以 ）二、結構類型：變極距、變面積、變介質(zhì)dsCssdddsC2211)/ln(2rRLCrrR )

14、(rRLrrRrRLC2)(112lnxxxrRx rRrrRrRrR)(2)/ln(12022-1-4384.2.1 基本原理與結構類型000001)1 (ddCdddSddSC12120CCdCCd 動極板上移差動式2022-1-439 000()(1)b lllCCdl)1 ()(0000llCdllbC單一式差動式2022-1-440 12120CCCC0000ACBCl rCCCRr2022-1-441 1212121rrCClCCl2022-1-4424.2.3 等效電路分析 2(1)eCCCCLC結論：1、激勵頻率 通常2、每當改變激勵頻率或更換連接電纜時須重新進行標定。LCff

15、2100)3121(ff 2022-1-4434.2.4 接口電路選擇接口電路選擇 盡可能使輸出電壓或頻率與被測非電量成線性關系。一、比例運算電路1、恒電流激勵電路 圖35（a） 應用于單一變極距式電容傳感器 2、恒電壓激勵電路 圖35（b） 應用于變面積式和變介質(zhì)式電容傳感器 3、恒電壓激勵差動電路 圖35（c） 應用于變面積差動式電容傳感器 .00ExCUUC .001EdUUd .001EdUUd .001ElUUl .2100ECCUUC002EUU二、交流電橋1、電阻平衡臂電橋 圖3-1-6（a）2、變壓器電橋 圖3-1-6（b）開路（ZL時）輸出電壓都為 應用于變極距差動式電容傳感

16、器 .120122CCEUCC002EdUd2022-1-444三、差動脈沖調(diào)寬電路 圖36 變極距差動式電容傳感器接入差動脈沖調(diào)寬電路圖36得 設被測量為振動位移 ，代入上式得 。顯然，低通濾波器應允許頻率為fx的被測非電信號通過，為了濾去方波基波及其諧波而且允許頻率為fx的被測非電信號通過，一般選取截止頻率fh為 00ddUUEsin2mxddf t 00sin2mExdUUf tdxhfff)53()53(02022-1-4454.3 電感式傳感器電感式傳感器4.3.1 自感式傳感器自感式傳感器一、工作原理 1、組成：鐵芯線圈 活動街鐵2、自感 式中 故 因為 所以 ，所以 所以 3、原

17、理：被測量變化R-m變化L變化類型：1、變所隙式 變化L變化 2、變面積式 A變化L變化 3、螺管插鐵式 變化L變化INLmRNImRNL2RRRFmFFFFAlRAR020FRRFRRm20222ANRNRNLm二、輸入輸出特性1變氣隙式自感傳感器; 2變面積式自感傳感器; 3螺管插鐵式自感傳感器.2022-1-446 0000020021)1 (2)(2LANANL0=(0.1-0.5)mm;=(0.1-0.2) 0單一式 圖4-3-1（a） 2022-1-44702112aaLLLL00222112)(1(1)(1(xxlxrrlxrrLLLLcrcr02112LLLL差動式 圖4-3-

18、2 (a) (b) (c)2022-1-448三、等效電路圖3-3LjcjLje11LcLLe21LcLdLLdLee21/結論：1、應選擇激勵頻率，最好選擇能使品質(zhì)因數(shù)最高的最佳激勵頻率。 Lcff2102、更換連接電纜時，須重新進行校準。2022-1-449四、接口電路選擇 盡可能使輸出電壓、電流或頻率與被測非電量成線性關系。1、變壓器電橋 圖316(b)211202LLLLEU1）單一式 L2=L0（固定電感） )21/(4200000ELLLLEUxx2）差動式： 002EU結論：1、差動式比單一式靈敏度提高一倍 2、差動式可消除非線性2、差動電感脈沖調(diào)寬電路圖328 適用于差動自感傳

19、感器21210LLLLUUUEAB2022-1-450 3、比例電路（與圖325相似）適用于單一式自感傳感器 圖中L0為固定電感，其值等于自感傳感器LX的初始值。 2022-1-4514.3.2 互感式傳感器一、互感與自感dtdiMdtdNu1212122112121IMjU緊耦合時 所以 112112121NNLM二、互感式傳感器（差動變壓器）組成原理差動變壓器也有變氣隙式、變面積式和螺管式三種類型。2022-1-4522、差動變壓器工作原理.1212212211211()()jMMUUUjMMIUrj L 2022-1-453 2022-1-45402010ELNUUNR三、輸出特性202

20、2-1-455結論：應選取合適的較高的激勵頻率，以保持靈敏度不變。2022-1-456.2222222212111()()22UUUUUU四、測量電路2022-1-457 電流輸出 電壓輸出 全波整流 圖4-3-9（a） 圖4-3-9（c）半波整流 圖4-3-9（b） 圖4-3-9（d）差動輸出 21IIIabbcacabUUU注意點：1）整流二極管方向與輸出電流方向一致。2）電位器用于輸出調(diào)零。2022-1-458 2022-1-4594.3.3壓磁式傳感器壓磁式傳感器 是利用鐵磁物質(zhì)的壓磁效應工作的傳感器一、壓磁效應1、“磁致伸縮效應”鐵磁材料在磁場中磁化時，在磁場方向會伸長或者縮短，這種

21、現(xiàn)象稱為“磁致伸縮效應”。2、“壓磁效應”鐵磁物質(zhì)在外界機械力(拉、壓、扭)作用下，磁導率發(fā)生變化，外力取消后，磁導率復原，這種現(xiàn)象稱為“壓磁效應” (又稱磁彈性效應)。鐵磁材料的相對磁導率變化與機械應力之間有如下關系：22ssB 二、基本結構型式1、組成： 壓磁元件（由硅鋼片粘疊而成閉合的磁路） 線圈（繞制在壓磁元件上）。2、類型：2022-1-4601）自感型壓磁傳感器壓磁元件上若只繞上一組線圈 圖43-1112LkkF2022-1-4612211( )NUUk FFN2）互感型壓磁傳感器壓磁元件上同時繞制激勵繞組和輸出繞組 圖3-122022-1-4623）常用的互感型壓磁傳感器圖3-132022-1-463三、測量電路 圖3-142022-1-4644.3.4 電渦流式傳感器 一、電渦流效應 1、電渦流的產(chǎn)生：成塊金屬置于交變磁場中或在固定磁場中運動，金屬導體內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形感應電流電“渦流”。2、電渦流的強度與分布 圖315)(111 212xRII強度一般取X/R=(0.05-0.15)mm2022