自动检测技术第二章课件

2 工作原理 烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型 气敏元件。
图2-15半导体气敏电阻的传感特性示意图 15半导体气敏电阻的传感特性示意图
2.2.5光敏电阻
1 传感原理——内光电效应 光敏电阻的阻值与其受到的光的照度有关。无光 照时，光敏电阻阻值很高，有光照时，其阻值大 大下降，光照越强其阻值越低；光照停止，又恢 复高阻状态。其依据是半导体材料所具有的光电 导效应。
图2-13 利用热敏电阻测量流量
2.2.4 气敏电阻 半导体气敏电阻是用氧化锌、氧化锡等金属氧 化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化 来检测气体的浓度。 1 基本结构 直热式气敏电阻元件制作工艺简单、成本低、 功耗小，可在较高回路电压下使用，可制成价 格低廉的可燃气体泄漏报警器。
图2-14 直热式气敏电阻
F/A ∆R = RK 0ε = RK 0 E
目
2.1 电阻应变片 2.2 其它电阻式传感器
录
2.3 电阻式传感器的信号调理
2.2 其它电阻式传感器
2.2.1 压阻式传感器
半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生 变化，这种现象称为“压阻效应”。
dρ
ρ
= Ψσ
设E为半导体材料的弹性模量
σ=
F = εE A
录
2.3 电阻式传感器的信号调理
2.1 电阻应变片
2.1.1 电阻应变片的工作原理——应变效应
电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而 使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。 对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为
L R=ρ A
两边进行微分运算，求得其电阻相对变化
dR dl dA dρ = − + R l A ρ
当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为
Rt = R0 [1 + At + Bt + C (t − 100)t ]
2 3
当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度 的关系为 2
Rt = R0 (1 + At + Bt )
式中 t —摄氏温标下的温度值； Rt—t℃时的阻值；R0—0℃时的阻值； −7 A—常数， 3.90802 × 10 −3 C −1 B—常数， −5.802 × 10 C—常数，−4.27350 ×10−12 C−4
图2-18 光敏电阻的光照特性
(3) 伏安特性 光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下， 光敏电阻的端电压与光电流的关系。
图2-19 光敏电阻的伏安特性
（4) 频率特性 频率特性指光敏电阻上的光电流对入射光调制 频率的响应特性。
图2-20 光敏电阻的频率特性
(5) 温度特性 温度特性指光敏电阻工作特性受温度的影响。
1 铂热电阻传感特性 铂易于提纯，复制性好； 在氧化性介质中，甚至高温下，其物理化学性质 极其稳定； 但在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从 氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆， 并改变了它的电阻与温度的关系。 铂电阻温度计的使用范围是-200℃--850℃。 铂热电阻已经标准化,常用分度号为PT100
图2-16 内光电效应示意图
2 光敏电阻的种类 (1) 检测紫外光的光敏电阻 (2) 检测可见光的光敏电阻 (3) 检测红外光的光敏电阻
3 光敏电阻的基本特性 (1)光谱特性 光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单 色光的相对灵敏度。
图2-17 光敏电阻的光谱特性
（2）光照特性 光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光 电流I与光照强度E的关系。
2.1.5 电阻应变片的典型应用举例 电阻应变片主要有以下两种应用方式： 1) 被测量为应变 2) 被测量为除应变外的其他非电量 力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固 支梁等结构型式的敏感器转换为应变。 如图2-5所示为实心轴，通过材料力学知识的 推导，可得轴向应变和径向应变分别为
F εl = AE
第2章 电阻式传感器及其 信号调理
电阻式传感器的基本原理是依据某种物理、化学 或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件 电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化 变成电信号输出，从而完成非电量的电测量。 电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏 电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。
目
2.1 电阻应变片 2.2 其它电阻式传感器
6 电阻应变片的动态响应特性 动态应变是以应变波的形式在试件中传播的， 它的传播速度V与声波相同。
图2-4 应变波
2.1.4 电阻应变片的粘贴技术
应变片的粘贴步骤如下： (1) 应变片的检查与选择。 (2) 试件的表面处理。 (3) 底层处理。 (4) 贴片。 (5) 固化。 (6) 粘贴质量检查。 (7) 引线焊接与组桥连线。
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2.1 电阻应变片 2.2 其它电阻式传感器
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2.3 电阻式传感器的信号调理
2.3 电阻式传感器的信号调理
2.3.1 惠斯登电桥
1 直流电桥与交流电桥 在人工静态应变测量中可采用平衡电桥，通过 对调节臂电阻的手动调节，使电桥达到平衡， 用调节臂电阻的阻值表示被测应变值。 电桥有直流电桥与交流电桥之分。
图2-11 热敏电阻的传感特性
2 伏安特性 静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电 阻的电流之间的关系称为伏安特性。
图2-12 热敏电阻的伏安特性
3 主要参数 （1）标称电阻值RH （2）耗散系数 （3）电阻温度系数 （4）热容 （5）能量灵敏度 （6）时间常数 （7）额定功率
热敏电阻有以下优点： ①灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大， 一般是金属的十几倍； ②体积小、热惯性小、结构简单。可根据不同 要求，制成各种形状； ③化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，寿 命长。 热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性 严重。
图2-1 导体受拉伸后的参数变化
轴向线应变或纵向线应变 面应变
dl εl = l
dA dr εr = =2 = −2 µε A r
负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方 向相反。
dr / r dr / r µ= =− dl / l ε
实验证明，体应变
dV / V = dl dA + = (1 − 2 µ )ε l A
金属材料
dρ
ρ
=c
dV = c(1 − 2µ )ε V
综合得
∆R ∆l ∆ρ = (1 + 2 µ ) + = (1 + 2 µ )ε + c(1 − 2µ )ε = K 0ε R l ρ
2.1.2 电阻应变片的结构、种类 1 电阻应变片的结构 电阻应变片的结构如图所示，由敏感栅(金属 丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等 组成。
零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件 上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时 间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点 漂移。 蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承 受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指 示应变会随时间而变化。 在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在 蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指 标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在 长时间测量时其意义突出。
4.25 × 10
−3
C
−1
4.28 × 10 − 3 C − 1
3 热电阻的结构 热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。 电阻体主要组成部分为电阻丝、引出线、骨架等。
图2-9热电阻的结构
2.2.3 热敏电阻 热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变 化而变化的性质制成的。 1 传感特性 热敏电阻可分为负温度系数NTC型热敏电阻、 正温度系数PTC型热敏电阻、临界温度系数CTR 型热敏电阻三种。
2 横向效应 横向效应：沿应变片轴向的应变 ε x 必然引起应 变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的 横向应变 ε y 也会引起其电阻的相对变化。 3 机械滞后，零漂及蠕变 应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的 温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内， 作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加 载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象 称为应变片的机械滞后。 产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和 基底在承受机械应变后都留有残余变形。
图2-2 金属电阻应变片的结构
2 电阻应变片的种类 按敏感栅的结构形式，金属电阻应变片可分为 丝式、箔式、薄膜式等。
图2-3 金属应变片的结构形式
2.1.3 电阻应变片的主要特性
1 灵敏系数 灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力 方向的应变之比。 电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系 数是不相同的,原因： (1) 试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。 (2) 栅丝沿长度方向承受纵向应变时，应变片弯角 部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直 线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也 使应变片的灵敏度下降。
同样，由电阻定律表达式可推出半导体材料压 阻效应的定量表达式
∆R dR ≈ = [(1 + 2 µ ) + ψE ]ε = K sε R R
对于半导体材料
ψE >> (1 + 2 µ )
，因此
∆R ≈ ψ Eε = K s ε R
依据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类 是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片， 制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体 材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作 为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。 压阻式传感器的优点是： ①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直 接用于测量； ②分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压； ③元件有效面积可做得很小，故频率响应高； ④可测量低频加速度与直线加速度。 压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。
C −2
2 铜热电阻传感特性 铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而 且易于提纯； 但存在着电阻率小，机械强度差等弱点。 铜热电阻已经标准化,常用分度号为ＣＵ５0 铜热电阻在-50℃—150℃的使用范围内，其电阻 值与温度的关系近似线性关系，可表示为 Rt = R0 (1 + αt ) 式中 Rt——温度为t℃时的阻值； R0——温度为0℃时的阻值； α——电阻温度系数，