电参量传感器

图3.1.4 扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线
3 测量电路 电桥供电电源可采用恒压源或者恒 流源。对于恒压源，设四个桥臂由 于应变电阻的变化为 R，四个桥臂 由于温度变化引起的电阻值的增量 为Rt，则电桥输出电压为
图 恒压（流）源供桥电路
4）隔爆型热电阻
隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒，把其外壳内部爆炸性混合 气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内，生 产现场不会引超爆炸。
3 热电阻的应用 1) 热电阻温度计 通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量 电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响常采用图3.3 所示的三导线四分之一电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两 根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，如果，则由于环境温 度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。
c)金属薄膜应变片 它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上 制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的 灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。
1 2 3 1 a) 丝式 b) 箔式 图3.1.2 体型半导体应变片 2 3
图3.1.1 金属电阻应变片结构
金属电阻应变片 • 具有高分辨率，非线性误差小； • 温漂系数小； • 测量范围大； • 价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用等优点， 因此在各行各业都广泛的应用。 • 灵敏度低
半导体应变片有以下几种类型： a）体型半导体应变片 这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片 状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图 3.1.2所示。
b）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有 绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图3.1.3。
应变片电阻通常有： • • 60、120、200、350、500、1000Ω几种，其中以120Ω为 最常用。 电阻阻值越大，可以加大应变片承受的压力，因此输出的信 也越大。但是电阻值大，敏感栅的尺寸也随之加大。
4 电阻应变片的测量电路 1）直流电桥平衡条件
R1 R3 U0 U R1 R2 R3 R4 R1 R4 R2 R3 U ( R1 R2 )( R3 R4 )
2）铠装热电阻
铠装热电阻是由感温元件 ( 电阻体 ) 、引线、绝缘材料、不锈钢套 管 组 合 而 成 的 坚 实 体 ， 它 的 外 径 一 般 为 φ2--φ8mm ， 最 小 可 达 φ1mm。与普通型热电阻相比，它有下列优点：①体积小，内部无 空气隙，热惯性上，测量滞后小；②机械性能好、耐振，抗冲击； ③能弯曲，便于安装④使用寿命长。 3）端面热电阻 端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制，紧贴在温度计 端面。它与一般轴向热电阻相比，能更正确和快速地反映被测端 面的实际温度，适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。
5 应变电阻传感器的应用 电阻应变片除可测量试件应力之外，还可制造成各种应变式传感器用于测量 力、荷重、扭矩、加速度、位移、压力等多种物理量。 应变式测力与荷重传感器
传感器由弹性元件、应变片和外壳所组成。弹性元件是传感器的基础，把被 测量转换成应变量的变化；弹性元件上的应变片是传感器的核心，它把应变 量变换成电阻量的变化。
当 Ri
Ri
时，忽略高阶增量，得：
U R1 R2 R3 R4 UK U0 (1 2 3 4 ) 4 R1 R2 R3 R4 4
单臂电桥 R1为应变片，R2，R3和R4均为固定电阻，电桥输出为：
UK UK U0 1 4 4
R l S R l S
l S
(3-1)
对于半径为r的圆柱形截面电阻丝，因为A=r2；故：
R l / (1 2 ) (1 2 ) K0 R l
K0=1+2：应变灵敏系数(1.6～2.0)； ：材料的泊松系数(0.3~0.5)
( R1 R1 )( R4 R4 ) ( R2 R2 )( R3 R3 ) U0 U ( R1 R1 R2 R2 )( R3 R3 R4 R4 )
等臂电桥 R1 R2 R3 R4 R
，则有：
R (R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2 R3 U0 U (2 R R1 R2 )(2 R R3 R4 )
电阻式传感器是一种电参量传感器，它的工作原理是 通过转换元件将被测非电量转变为电阻值，通过转换电路 将电阻值转换为电信号，再通过测量电信号达到测量非电 量的目的。 电阻应变式、压阻式、热电阻式、光敏电阻式传感器 应变、压力、位移、加速度和温度等非电量参数
3.1.1 应变式传感器
电阻式应变式传感器是一种应用广泛的传感器，它由弹性元 件、电阻应变片和测量电路构成。 1 电阻应变效应 电阻应变片是用直径0.023mm的具有高电阻率的电阻丝制成的。
半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电 阻性元件。 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时， 它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。
R l (1 2 ) (1 2 ) R l


＝ l E
式中：l——半导体的压阻系数； E——半导体材料的弹性系数； ——沿半导体小条的应变。
式中，K——半导体应变片的灵敏系数。
半导体应变片突出的优点： •灵敏度系数高，可测量微小的应变(一般600微应变以下)； •机械滞后小； •动态效应好；体积小； 缺点： •电阻温度系数大； •灵敏度系数K随着温度变化大；非线性严重；测量范围小，因 此，在使用的需要采用温度补偿和非线性补偿措施。
2.类型和结构
主要用于对温度和温度有关的参量(如压力、流速)进行测量。
1 热电阻测温原理及材料 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一 特性来进行温度测量的。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用 最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热 电阻。
从热电阻的测温原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值 的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化 会给温度测量带来影响。 2 热电阻的类型 1）金属热电阻 铂电阻(标准热电阻，工业常用，稳定性好，－200～630oC) 铜电阻(-50~150oC)，只作为工业用 镍电阻(-60~180oC)，只作为工业用
第三章 电参量检测装臵
序
电阻式传感中的传感器，按其能量变换的情况属 于能量控制型传感器，需要外加电源，其输出端的能
量是由外加的电源电压供给的。被测量对象的信号控
制着由电源供给传感器输出端的能量。 本章主要电阻式、电感式和电容式传感器。
3.1
电阻式传感器
3.1.3 热电阻传感器
热电阻传感器是利用导体或者半导体的电阻值随着温度变 化的特性对与温度相关的参量进行测量的装臵。测温范围主要 在低中温区(－200oC~ 630oC)，测温的元件分为： 金属热电阻和半导体热电阻(制造材料来分)； 普通型热电阻，铠装热电阻和薄膜热电阻(结构来分)； 工业用热电阻，精密的和标准热电阻(用途来分)。 它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热式阻的测 量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成 标准的基准仪。
差动半桥 R1， R2为应变片，R3和R4均为固定电阻，电桥输出为：
UK UK U0 (1 2 ) 4 2
R1受拉， R2受压。 差动全桥 R1， R2 ，R3和R4均为应变片电桥输出为：
UK U0 (1 2 3 4 ) UK 4
R1和R4受拉， R2和R3受压。
注意点： 通过分析表明： Ri
Ri 时，电桥得输出电压与应变成正比关系
提高电桥得供电电压，增大应变片得灵敏系数，可以提高电桥 的输出电压。 差动电桥灵敏度为单臂电桥的两倍，全等臂电桥灵敏度为单臂 电桥的四倍。
相对两桥臂应变性一致，输出电压为两者之和，反之为两者之差
相临两桥臂应变性一致，输出电压为两者之差，反之为两者之和 为增大电桥的输出，1、 4与2、3的符号相反。
R R Rt R R Rt U0 Ui 2 R 2Rt 2 R 2Rt R Ui R Rt
桥路输出受到环境温度变化的影响，但是影响甚微。若电桥采用恒流 源供电，则桥路的输出为：
U 0 U BD
1 1 I ( R R Rt ) I ( R R Rt ) I R 2 2
当 R1 R4 R2 R3 或者
空载输出的直流电桥电路
R1 R3 R2 R4
时
电桥处于平衡状态，U0＝0。
2）不平衡直流电桥的工作原理及输出电压
当电桥接入电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥 臂、四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全 臂桥。设电桥各臂电阻均有增量，不平衡输出电压为：
c）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P 型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散 型半导体应变片。图3.1.4为扩散型半导体应变片示意图。这 是一种应用很广的半导体应变片。
4 1 3 4 5
2
2 3
1
图3.1.3 薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层 3–金属箔基底 4--引线
利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器， 主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻 值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。
2 电阻的应变灵敏系数 根据电阻的定义式:R=
；
当有变化量∆、∆l、∆S时，其相对变化率为：
R l (1 2 ) (1 2 ) l E R l