y2章課件-電阻傳感器

1、1第第2 2章章 電阻式傳感器及其信號調(diào)理電阻式傳感器及其信號調(diào)理 2.1 2.1 電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片 2.2 2.2 其他電阻式傳感器其他電阻式傳感器2.3 2.3 電阻式傳感器的信號調(diào)理電阻式傳感器的信號調(diào)理2n電阻式傳感器的基本原理是依據(jù)某種物理、化學(xué)或生物效應(yīng)將某種非電量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電阻值的變化變成電信號輸出，從而完成非電量的電測量。n電阻式傳感器的類型包括熱電阻、應(yīng)變片、熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等。3n2.1 電阻應(yīng)變片n2.1.1 電阻應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變效應(yīng)n電阻應(yīng)變片基于金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)。因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為

2、電阻應(yīng)變效應(yīng)。n對于橫截面均勻的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)，其電阻為n n兩邊進(jìn)行微分運算，求得其電阻相對變化 ALRdAdAldlRdR4圖圖2-1 2-1 導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化導(dǎo)體受拉伸后的參數(shù)變化5n軸向線應(yīng)變或縱向線應(yīng)變n n面應(yīng)變n n負(fù)號表示面應(yīng)變與線應(yīng)變成正比，但是變化方向相反。n n綜合得ldll22rdAdrAr rdrldlrdr/0)/21 ()21 (KllllllRR6n2.1.2 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、種類n1 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)n電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖所示，由敏感柵(金屬絲或箔)、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線等組成。7圖圖2-2 2-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

3、8n2 電阻應(yīng)變片的種類n按敏感柵的結(jié)構(gòu)形式，金屬電阻應(yīng)變片可分為絲式、箔式、薄膜式等。圖圖2-3 2-3 金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)形式 9n2.1.3 電阻應(yīng)變片的主要特性n1 靈敏系數(shù)n靈敏系數(shù)為應(yīng)變片的電阻相對變化與試件主應(yīng)力方向的應(yīng)變之比。n電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)與單純的電阻絲的靈敏系數(shù)是不相同的,原因：(1) 試件的形變是通過剪力傳到敏感柵上的。(2) 柵絲沿長度方向承受縱向應(yīng)變時，應(yīng)變片彎角部分承受橫向應(yīng)變，其截面積變大，則應(yīng)變片直線部分電阻增加時，彎角部分的電阻值減少，也使應(yīng)變片的靈敏度下降。10n2 橫向效應(yīng)n橫向效應(yīng)：沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變 必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化

4、，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變 也會引起其電阻的相對變化。n3 機(jī)械滯后，零漂及蠕變n應(yīng)變片安裝在試件上以后，通過實驗，在一定的溫度下，在零到某一指定應(yīng)變之間的應(yīng)變范圍內(nèi)，作出應(yīng)變片電阻相對變化與試件機(jī)械應(yīng)變之間加載和卸載的特性曲線，二者并不重合，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。n產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因，主要是金屬絲、粘結(jié)劑和基底在承受機(jī)械應(yīng)變后都留有殘余變形。xy11n零漂：已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、試件上沒有應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時間的增長而逐漸變化，此變化就是應(yīng)變片的零點漂移。n蠕變：已粘貼的應(yīng)變片，在溫度保持恒定時，承受某一恒定機(jī)械應(yīng)變長時間的作用，應(yīng)變片的指示應(yīng)變會隨時

5、間而變化。n在應(yīng)變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。在蠕變值中包含著同一時間內(nèi)的零漂值，這兩項指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變片特性對時間的穩(wěn)定性，在長時間測量時其意義突出。12n4 溫度效應(yīng)n環(huán)境溫度變化時，會引起粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片阻值的變化。從電信號方面看，似乎發(fā)生了應(yīng)變，即產(chǎn)生了虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。n溫度改變引起電阻變化的主要因素有二：其一是應(yīng)變片電阻絲的溫度系數(shù)；其二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數(shù)不同。n5 應(yīng)變極限n指當(dāng)溫度一定時，指示應(yīng)變和真實應(yīng)變的相對差值不超過一定數(shù)值時的最大真實應(yīng)變數(shù)值。一般規(guī)定此差值為10，即指示應(yīng)變數(shù)值為真實應(yīng)變的90時的真實應(yīng)變值稱為應(yīng)變片的極

6、限。13n6 電阻應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性n動態(tài)應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在試件中傳播的，它的傳播速度V與聲波相同。圖圖2-4 2-4 應(yīng)變波應(yīng)變波 14n2.1.4 電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)n應(yīng)變片的粘貼步驟如下：n(1) 應(yīng)變片的檢查與選擇。n(2) 試件的表面處理。n(3) 底層處理。n(4) 貼片。n(5) 固化。n(6) 粘貼質(zhì)量檢查。n(7) 引線焊接與組橋連線。 15n2.1.5 電阻應(yīng)變片的典型應(yīng)用舉例n電阻應(yīng)變片主要有以下兩種應(yīng)用方式：n1) 被測量為應(yīng)變n2) 被測量為除應(yīng)變外的其他非電量n力可以通過實心軸、空心軸、懸臂梁、雙端固支梁等結(jié)構(gòu)型式的敏感器轉(zhuǎn)換為應(yīng)變。n如圖2-5所示為實心軸

7、，通過材料力學(xué)知識的推導(dǎo)，可得軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變分別為 AEFlAEFr16圖圖2-5 2-5 實心軸力敏感器實心軸力敏感器17 圖2-6所示為采用實心軸力敏感器的電阻應(yīng)變式力傳感器，是通過將應(yīng)變片粘貼到受力的實心軸力敏感器上而構(gòu)成的。 圖圖2-6 2-6 應(yīng)變式力傳感器示意圖應(yīng)變式力傳感器示意圖 18n2.2 其他電阻式傳感器n2.2.1 壓阻式傳感器n半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“壓阻效應(yīng)”。 d19n設(shè)E為半導(dǎo)體材料的彈性模量n n同樣，由電阻定律表達(dá)式可推出半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)的定量表達(dá)式n n對于半導(dǎo)體材料 ，因此EAFsKERdRRR)21()21 (E

8、sKERR20n依據(jù)半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，制成兩類傳感器。一類是利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式應(yīng)變片，制作成半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器。另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，作為測量傳感元件，亦稱擴(kuò)散型壓阻式傳感器。n壓阻式傳感器的優(yōu)點是：靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；分辨率高，測壓力時可測10Pa至20Pa的微壓；元件有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高；可測量低頻加速度與直線加速度。n壓阻式傳感器的最大缺點是溫度誤差較大。21n2.2.2 熱電阻n利用電阻隨溫度變化的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和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類。n

9、制作溫度敏感元件的電阻材料要滿足以下要求：要有盡可能大而且穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)；電阻率大，以便在同樣靈敏度下減小元件尺寸；電阻溫度系數(shù)要保持單值，并且最好是常數(shù)，以保證電阻隨溫度變化的線性關(guān)系；性能要穩(wěn)定，在電阻的使用范圍內(nèi)，其物理、化學(xué)性能基本保持不變。n廣泛應(yīng)用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等。 22n1 鉑熱電阻傳感特性n鉑易于提純，復(fù)制性好；n在氧化性介質(zhì)中，甚至高溫下，其物理化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定；n但在還原性介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所沾污，使鉑絲變脆，并改變了它的電阻與溫度的關(guān)系。n鉑電阻溫度計的使用范圍是-200-850。n鉑熱電阻已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,常用分度號為PT

10、10023n當(dāng)溫度在-200-0范圍內(nèi)時，鉑熱電阻和溫度的關(guān)系為 當(dāng)溫度在0-850范圍內(nèi)時，鉑熱電阻和溫度的關(guān)系為 n式中 t 攝氏溫標(biāo)下的溫度值；Rtt時的阻值；R00時的阻值；A常數(shù)， B常數(shù)，C常數(shù)，)100(1 320ttCBtAtRRt)1 (20BtAtRRt313.90802 10C725.802 10C1244.27350 10C24n2 銅熱電阻傳感特性n銅熱電阻的溫度系數(shù)比鉑熱電阻大，價格低，而且易于提純；n但存在著電阻率小，機(jī)械強度差等弱點。n銅熱電阻已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,常用分度號為0n銅熱電阻在-50150的使用范圍內(nèi)，其電阻值與溫度的關(guān)系近似線性關(guān)系，可表示為式中 Rt溫度

11、為t時的阻值；R0溫度為0時的阻值；電阻溫度系數(shù)，)1 (0tRRt314.25 10C314.2810C25圖圖2-92-9熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻的結(jié)構(gòu) 3 熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。電阻體主要組成部分為電阻絲、引出線、骨架等。26n2.2.3 熱敏電阻n熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質(zhì)制成的。1 傳感特性n熱敏電阻可分為負(fù)溫度系數(shù)NTC型熱敏電阻、正溫度系數(shù)PTC型熱敏電阻、臨界溫度系數(shù)CTR型熱敏電阻三種。27圖圖2-11 2-11 熱敏電阻的傳感特性熱敏電阻的傳感特性 28n2 伏安特性n靜態(tài)情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之

12、間的關(guān)系稱為伏安特性。圖圖2-12 2-12 熱敏電阻的伏安特性熱敏電阻的伏安特性 29n3 主要參數(shù)n（1）標(biāo)稱電阻值RHn（2）耗散系數(shù)n（3）電阻溫度系數(shù)n（4）熱容n（5）能量靈敏度n（6）時間常數(shù)n（7）額定功率30n熱敏電阻有以下優(yōu)點：n靈敏度高。半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)比金屬大，一般是金屬的十幾倍；n體積小、熱慣性小、結(jié)構(gòu)簡單?？筛鶕?jù)不同要求，制成各種形狀；n化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械性能好，價格低廉，壽命長。n熱敏電阻的缺點是復(fù)現(xiàn)性和互換性差，非線性嚴(yán)重。31圖圖2-13 2-13 利用熱敏電阻測量流量利用熱敏電阻測量流量 32n2.2.4 氣敏電阻n半導(dǎo)體氣敏電阻是用氧化鋅、氧化錫等金屬

13、氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。n1 基本結(jié)構(gòu)n直熱式氣敏電阻元件制作工藝簡單、成本低、功耗小，可在較高回路電壓下使用，可制成價格低廉的可燃?xì)怏w泄漏報警器。 33圖圖2-14 2-14 直熱式氣敏電阻直熱式氣敏電阻 34n2 工作原理n燒結(jié)型SnO2氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件。圖圖2-152-15半導(dǎo)體氣敏電阻的傳感特性示意圖半導(dǎo)體氣敏電阻的傳感特性示意圖35n2.2.5光敏電阻n1 傳感原理內(nèi)光電效應(yīng)n光敏電阻的阻值與其受到的光的照度有關(guān)。無光照時，光敏電阻阻值很高，有光照時，其阻值大大下降，光照越強其阻值越低；光照停止，又恢復(fù)高阻狀態(tài)。其依據(jù)是半導(dǎo)體材料所

14、具有的光電導(dǎo)效應(yīng)。圖圖2-16 2-16 內(nèi)光電效應(yīng)示意圖內(nèi)光電效應(yīng)示意圖36n2 光敏電阻的種類n(1) 檢測紫外光的光敏電阻n(2) 檢測可見光的光敏電阻n(3) 檢測紅外光的光敏電阻37n3 光敏電阻的基本特性n(1)光譜特性n光敏電阻的光譜特性是指光電流對不同波長單色光的相對靈敏度。圖圖2-17 2-17 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性38n（2） 光照特性n光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓下，光電流I與光照強度E的關(guān)系。圖圖2-18 2-18 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性39n(3) 伏安特性n光敏電阻的伏安特性是指在一定強度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。

15、圖圖2-19 2-19 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性40n（4) 頻率特性n頻率特性指光敏電阻上的光電流對入射光調(diào)制頻率的響應(yīng)特性。 圖圖2-20 2-20 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性 41n(5) 溫度特性n溫度特性指光敏電阻工作特性受溫度的影響。圖圖2-21 2-21 光敏電阻的溫度特性光敏電阻的溫度特性 42n2.2.6 磁敏電阻n磁敏電阻的阻值隨磁場強度的變化而變化。圖圖2-22 InSb2-22 InSb磁敏電阻的基本結(jié)構(gòu)磁敏電阻的基本結(jié)構(gòu) 43圖圖2-23 InSb2-23 InSb磁敏電阻的特性曲線磁敏電阻的特性曲線44為提高磁敏電阻的阻值，往往采用曲折型結(jié)構(gòu)圖

16、圖2-24 2-24 曲折型結(jié)構(gòu)磁敏電阻曲折型結(jié)構(gòu)磁敏電阻磁敏電阻直接測量的非電量是磁感應(yīng)強度。若某種非電量能夠借助敏感元件轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強度，則也可用磁敏電阻完成該非電量的檢測。例如，可采用磁敏電阻檢測位移、角度、電流、電功率等。45n2.3 電阻式傳感器的信號調(diào)理n2.3.1 惠斯登電橋n1 直流電橋與交流電橋n在人工靜態(tài)應(yīng)變測量中可采用平衡電橋，通過對調(diào)節(jié)臂電阻的手動調(diào)節(jié)，使電橋達(dá)到平衡，用調(diào)節(jié)臂電阻的阻值表示被測應(yīng)變值。n電橋有直流電橋與交流電橋之分。46n2 直流電橋n 時，稱為等臂電橋；n ， ( )時，稱為輸出對稱電橋。n ， ( )時，稱為電源對稱電橋。1234RRRRR12RR

17、R340RRR0RR14RRR230RRR0RR47n電橋輸出電壓為n電橋平衡條件為31423112341234()()scacbcRR RR RRUUUUUURRRRRRRR3121242121234()scRR RRRRUURRRRRR3124RRRR48圖圖2-262-26單臂工作電橋單臂工作電橋RRUUSC449圖圖2-27 2-27 雙臂電橋雙臂電橋圖圖2-28 42-28 4壁電橋壁電橋RRUUSC2RRUUSC50n3 3 交流電橋交流電橋n交流電橋的一般形式如圖交流電橋的一般形式如圖2-302-30所示。所示。圖圖2-30 2-30 交流電橋的一般形式交流電橋的一般形式 51與

18、分析直流電橋的分析方法、結(jié)論表達(dá)形式完全相同。同理也可推出交流供電的單臂、全橋時的表達(dá)式。交流電橋初始調(diào)平衡更為復(fù)雜些，一般既有電阻預(yù)調(diào)平衡，也有電容預(yù)調(diào)平衡。52n2.3.2 測量放大電路n1 實際運算放大電路分析n目前集成運算放大器在開環(huán)增益和輸入電阻上大多可以接近理想運算放大器。在一般放大電路的設(shè)計中采用虛短和虛斷的概念是允許的。n對于交流放大電路，主要關(guān)心的是交流信號的幅值。多級放大電路的各級之間一般有隔直措施，此時主要關(guān)注的是電路的頻率特性。53圖圖2-31 2-31 輸入電流的影響分析輸入電流的影響分析理想運算放大器兩輸入端的輸入電流為零，實際運算放大器兩輸入端的輸入電流卻不可能為

19、零。54n。圖圖2-32 2-32 改進(jìn)的反相和同相放大器改進(jìn)的反相和同相放大器圖圖2-33 2-33 輸入失調(diào)電壓影響分析輸入失調(diào)電壓影響分析55對差動輸入放大器進(jìn)行討論。輸出電壓中存在一個數(shù)值為ZfZ1(Ui+-Ui-)的項，該項正比于差分輸入信號，是差動放大器期望的輸出結(jié)果。但是在輸出結(jié)果中還存在始終等于同相輸入Ui+的另一項，這使得輸出電壓與差分輸入電壓呈非線性關(guān)系。56n圖2-34為改進(jìn)的差動放大電路。利用虛短和虛斷的概念，得到Uo的表達(dá)式為n令Z2Z1，Z3=Zf n輸出與差分輸入之間的線性關(guān)系。3233231iifioU ZUZZZU ZUZZZ1()oiifUUUZZ圖圖2-3

20、4 2-34 差動放大器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計差動放大器的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計57n2 測量放大電路的基本要求與類型n基本要求：n輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；n穩(wěn)定的放大倍數(shù)；n低噪聲；n低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；n足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率(無畸變地放大瞬態(tài)信號)；n高共模輸入范圍(如達(dá)幾百伏)和高共模抑制比；n可調(diào)的閉環(huán)增益；n線性度好、精度高；n成本低。 n按測量放大電路的結(jié)構(gòu)原理可分為差動直接耦合式、調(diào)制式和自動穩(wěn)定式三大類。58n3 典型測量放大電路的工作原理n當(dāng)傳感器的工作環(huán)境惡劣時，傳感器的輸出有各種噪聲，共模干擾很大，而傳感器的輸出信號弱、輸出阻抗大時，一般運放已不能勝任，在這種情況

21、下可用儀器放大器對差值信號進(jìn)行放大。n儀器放大器輸入阻抗高，易于與各種信號源相匹配。它的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流及輸入偏置電流小，并且溫漂小，時間漂移小，因而穩(wěn)定性好。它的共模抑制比高，適于在高共模電壓的背景下對微小差值信號進(jìn)行放大。59n（1）儀器放大器的工作原理n圖2.45是儀器放大器的原理圖。由運算放大器A1和A2構(gòu)成第1級，由運放A3構(gòu)成第級。各運放一般是高性能放大器。圖圖2-35 2-35 三運放儀器放大器原理圖三運放儀器放大器原理圖60n4 單片集成測量放大器n近年來，利用線性集成電路先進(jìn)工藝而設(shè)計制成的單片集成測量放大器。圖圖2-36 AD6122-36 AD612集成測量放大

22、器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)集成測量放大器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)61圖圖2-37 AD6122-37 AD612集成測量放大器和測量電橋的接線圖集成測量放大器和測量電橋的接線圖62圖圖2-38 AD5212-38 AD521的的R R、S S端的連接端的連接a)a)接有遠(yuǎn)距離負(fù)載接有遠(yuǎn)距離負(fù)載 b)b)輸出端接有跟隨器輸出端接有跟隨器63n2.3.3 多功能傳感信號調(diào)理電路AD693nAD693是ADI公司推出的一種單片信號調(diào)理器，它具有高精度、多功能的特點。其用途十分廣泛，使用也非常靈活；n可用做小信號U/I轉(zhuǎn)換器，還可作為各種傳感器(例如鉑熱電阻、熱電偶、電阻應(yīng)變片測量電橋)的信號調(diào)理器。nAD693適用于傳感測

23、試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制及自動化儀表領(lǐng)域。nAD693的同類產(chǎn)品為AD694，AD694適合接收高電平輸入信號，但芯片內(nèi)部沒有備用放大器。64n1 AD693的性能特點n內(nèi)含可編程輸入放大器、U/I轉(zhuǎn)換器和多路輸出式基準(zhǔn)電壓源。n輸出電流有三種形式：4mA20mA(單極性)，020mA(單極性)，12mA8mA(雙極性)。n輸入電壓范圍和電流零點均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響。用戶可根據(jù)需要靈活設(shè)計輸入電壓范圍。n高精度。n利用芯片中的備用放大器，可對由鉑熱電阻(PRTD)、各種熱電偶及電阻應(yīng)變片橋路所產(chǎn)生的信號進(jìn)行調(diào)理(包括緩沖、放大、與其他信號進(jìn)行組合等)。65n帶Ptl00型PRTD接口，配鉑熱電阻時的測溫誤差為0.5。n利用外部電阻可選配不同類型的熱電偶并設(shè)定最高測量溫度。n具有過電流保護(hù)和反向過電壓保護(hù)功能。nAD693通常由環(huán)路電源供電，特殊情況下也可由本地電源單獨供電。n2 AD693的工作原理nAD693采用DIP20陶瓷封裝或LCCC20扁平封裝，其引腳排列及內(nèi)部電路框圖如圖2-39所示。n（1）可編程輸入放大器n輸入放大器有兩個作用，一是進(jìn)行緩沖放大，二是用來設(shè)定輸入電壓范圍。66圖圖2-39 AD6932-39 AD693的引腳排列及內(nèi)部電路框圖的引腳排列及內(nèi)部電路框圖67（a a） (b) (c) (d)(b) (c) (d)圖圖2-40 2-40 設(shè)