常用传感器及测量转换电路

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热敏电阻除按温度系数区分外，还有以下三种分类方法: 按结构形式可分为体型、薄膜型、厚膜型三种;按工作方式可分为直热式、旁热式、延迟电路三种;按工作温度区可分为常温区、高温、低温区热敏电阻。热敏电阻可根据使用要求
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2.2 热电阻传感器
封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状、杆状、锥状、针状等，如图2-11所示。
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2.2 热电阻传感器
(1)温度测量作为测量温度的热敏电阻一般结构简单。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方，密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以使用在任何环境下。由于热敏电阻的阻值很大，故其连接导线的电阻和接触电阻可忽略。因此热敏电阻可以在距离长达几千米的远距离测量温度，测量电路多采用桥路。图2-13给出一种双桥温差测量电路。
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2.2 热电阻传感器
但温度高时易氧化，故用于温度较低的环境中。表2-1列出了热电阻的主要技术性能。
2.2.2热敏电阻
热敏电阻是近年来出现的一种新型半导体测温元件。一般按温度系数可分为负温度系数热敏电阻(NTC)、正温度系数热敏电阻( PTC)和临界温系数热敏电阻(CTR)。这三类热敏电阻的电阻率P与温度t的变化曲线如图2-10所示。从图中可以看出这些曲线都呈非线性。
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2.1电阻应变式传感器
(1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。 (2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量
和遥测。 (3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。 (4)可以测量各种物理量。因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车
工业等领域有很广的应用。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹
2.1电阻应变式传感器
扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如图2-6(c),(d)所示。另外用环状弹性敏感元件测拉(压)力也是比较普遍的，如图2-6(e)所示。
来自百度文库
2.压力传感器
应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。图 2-7中给出了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。
1.力和扭矩传感器图2-6所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。
拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图2-6(a),(b)所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和
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2.3 热电偶传感器
机械强度、导电率以及热电偶的用途和测量范围等因素决定。热电偶长度由使用情况、安装条件，特别是工作端在被测介质中的插入深度来决定。
(2)绝缘套管绝缘套管又称绝缘子，用来防止两根热电极短路，其材料的选用视使用的温度范围和对绝缘性4,5能2,2的6,1要0 求而定。绝缘套管一般制成圆形，中间有孔，长度为20 mm，使用时根据热电偶长度可多个串起来使用，常用的材料是氧化铝、耐火陶瓷等。
下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。
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2.1电阻应变式传感器
4.半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作
用应力而变化的所谓“压阻效应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。
2.1.4 测量转换电路
应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量(力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。
2.1.5 温度补偿
在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图25温度
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(2)普通型热电偶普通型热电偶外形如图2-18所示，这种类型的热电偶主要用于测量气体、蒸汽和液体介质的温度。根据测温范围和测温环境不同，可选择合适的热电偶和保护套。按其安装时的连接形式可分为螺纹连接和法兰连接两种。按使用状态的要求又可分为密封式和高压固定螺纹式。
(3)恺装热电偶恺装热电偶的外形像电缆，也称缆式热电偶。它是由金属套管、绝缘材料和热电偶丝三者组合而成一体的特殊结构的热电偶。热电偶的套管外径最细能达0. 25
2.3.3 热电偶自由端温度的补偿
热电偶在测温过程中，为了保证输出热电动势仅与被测温度有关，必须保持自由端(冷端)的温度恒定。
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2.3 热电偶传感器
1.仪表调零修正法当热电偶与动圈式仪表配套使用时，若热电偶的自由端温
度基本恒定，对测量精度要求又不高时，可将仪表的机械零点调至热电偶自由端温度的位置上. 2.自由端温度自动补偿上述方法是要求在恒定自由端温度To的条件下得以实现的。若此条件不能满足，或要求被测温度的信号立即传人控制装置，以便进行实时控制时，这一方法就难以实现。如果在热电偶与仪表之间接入一个补偿装置，这个补偿装置在热电偶自由端温度为To时，产生一个电动势为，并随To变化而相应改变，这样就可实现热电偶自由端温度的自动补偿。
测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。
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2.2 热电阻传感器
热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
2.1电阻应变式传感器
2.1.6 电阻应变式传感器的应用
电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。
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2.3 热电偶传感器
振动、抗冲击、可挠性好、便于安装等优点，因此特别适用于复杂结构(如狭小弯曲管道内)的温度测量。使用时，可以根据需要截取一定长度，将一端护套剥去，露出热电极，焊成结点，即成热电偶。恺装热电偶外形及结构如图2-19所示。
此外，还有快速测量各种表面温度的薄膜型热电偶，为测量各种固体表面温度的表面热电偶，为测量钢水和其他熔融金属温度而设计的消耗式热电偶，以石墨和难熔化合物为高温热电偶材料的非金属热电偶等。
几种常用的热敏电阻的型号及其主要参数列于表2-2.
2.2.3 热电阻传感器的应用
1.金属热电阻传感器在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行温度测量，用电
桥作为测量电路。在进行测量时，总要采用连接导线，但由于金属电阻本身阻值很小，所以引线电阻及其变化就不能忽略。为了消除或减少引线电阻的影响，通常采用三线制连接法，如图2-12所示。 2.半导体热电阻传感器热敏电阻传感器应用范围广，具有尺寸小、响应速度快、灵敏度高等优点。下面介绍几种常见的应用。
(3)保护套管保护套管的作用是使热电极与测温介质隔离，使之免受化学侵蚀或机械损伤。热电极在套上绝缘套管后再装入保护套管内。对保护套管的基本要求是经久耐用及传热良好。常用的保护套管材料有金属和非金属两类，应根据
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2.3 热电偶传感器
几种常用标准化热电偶的测温范围及特点。非标准化热电偶有钨锌丝热电偶、铱铬丝热电偶、铁一康铜丝热电偶等。非标准化热电偶在高温、低温、超低温、真空和核辐射等特殊环境中使用具有良好的性能。它们在节约贵重稀有金属方面具有重要意义。这类热电偶无统一分度表。
2.3.1 热电偶传感器的工作原理
1.热电势效应将两种不同材料的导体构成一闭合回路，若两个接点处温
度不同，则回路中会产生电动势，从而形成电流，这个物理现象称为热电势效应，简称热电效应。图2-15所示为热电偶回路及符号。 2.热电偶回路的主要性质
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2.3 热电偶传感器
(1)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体C，只要第三种导体的两端温度相同，则这一导体的引入将不会改变原来热电偶的热电动势大小。即
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2.2 热电阻传感器
(3)工业控制将开关型的热敏电阻埋设在被测物中，并与继电器串联，给电路加上恒定电压，当周围介质温度升到一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，引起继电器动作，从而实现温度控制或过热保护等。
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2.3 热电偶传感器
热电偶传感器是将温度转换成电动势的一种测温传感器。它与其他测温装置比较，具有精度高、测温范围宽、结构简单、使用方便、可远距离测量等优点。在轻工、冶金、机械及化工等工业领域中被广泛用于温度的测量、调节和自动控制等方面。
常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。
2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.003~0.01mm
电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。 3.金属薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或
真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0. 1 m以
EABC (T ,T0 ) EAB (T ,T0 )
其中C导体两端温度相同。
从实用观点看，这个性质很重要，正是由于这个性质存在，才可以在回路中引入各种仪表、连接导线等，而不必担心会
对热电动势有影响，而且也允许采用任意的焊接方法来焊制
热电偶。同时应用这一性质可以采用开路热电偶对液态金属
和金属壁面进行温度测量，如图2-16所示。只要保证两热电极A,B插入地方的温度一致，则对整个回路的总热电动势将不产生影响。
第2章常用传感器及测量转换电路
2.1电阻应变式传感器 2.2 热电阻传感器 2.3 热电偶传感器 2.4 电涡流式传感器 2.5 电容式传感器 2.6 电感式传感器 2.7 压电式传感器 2.8 磁电式传感器
2.1 电阻应变式传感器
2.9 光电式传感器 2.10 数字式传感器 2.11 霍尔传感器 2.12 差分变压器式传感器 2.13 气敏传感器
2.2.1 热电阻
热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在‘范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，
性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。
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2.1电阻应变式传感器
短接式应变片两端用直径比栅线直径大5~10倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。
(2)温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，例如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联，如图2-14所示。在三极管电路、对数放大器等电路中也常用热敏电阻补偿由于温度引起的漂移误差。
图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒腔内压力等。
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2.1电阻应变式传感器
3.加速度传感器加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图2-9所示。