当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

传感器原理-电阻式传感器


第 5 讲

第 2章 第 1 节

第 3 周

星期





标题: 电阻应变式传感器

教学目标

1、 了解掌握电阻应变片的概念及其灵敏度系数; 2、 了解电阻应变片的类型及常用材料; 3、 掌握标准误差、真

值和极限值的计算;

教学重点、难点: 重点:
1、 测量方法的选用与步骤; 2、 标准误差、真值和极限值的计算。

难点:
1、测量方法的选用与步骤;

思考或作业:
1、 什么是系统误差和随机误差? 2、 正确度与精密度的含义是什么?它们各反映何种误差?

教学内容 一、本次课内容
电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化, 进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检 测,它结构简单,性能稳定,成本低廉,因此,在许多行业得到了广泛应用。 目前,常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏 电阻等几大类。

教学方法 辅助手段

2.1 电阻应变片
电阻应变片是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。

2.1.1 电阻应变效应 1.概念
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。

教学内容 2.电阻的应变灵敏系数
l 根据电阻的定义式:R= ? ; A
当有变化量?ρ 、?l、?A 时,其相对变化率为:

教学方法 辅助手段 多媒体演 示,实物展 示,实训台 演示操作, 拆解电子称 了解应变片 的粘贴工 艺。

?R ?? ?l ?A ? ? ? R ? l A
2

(2-1-1)

对于直径为 d 的圆柱形截面电阻丝,因为 A=л d /4;故: ‘ 2 2 ?A=A -A=л [(d-?d) -d ]/4=2?d/d (略去高阶无穷小) 。再引进力学中的泊松比 ?=-

?d ?l / ; d l



?? ?R ?l ?? ?? / ? ?l ? (1 ? 2? ) ? ? (1 ? 2? ? ) ? K 0? ; =-2?ε; 最后得: ? R l ? ?l / l l

K0:应变灵敏系数。其中: (1+2?)是由几何尺寸改变引起的,金属导体 ?? / ? 以此为主; 表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化, 半导体材料以 ?l / l 此为主。 2.1.2 电阻应变片的类型及常用材料
根据应变片的质地,主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。

1.金属电阻应变片
此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。 ① 丝式应变片 如图 2.1.1a 所示,它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,基底 可分为纸基,胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线,使用时只要将应变片贴于弹 性体上就可构成应变式传感器。它结构简单,价格低,强度高,但允许通过的电流较小, 测量精度较低,适用于测量要求不很高的场合使用。 ② 箔式应变片 该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 0.003-0.01mm 之间,它的结构如图 2.1.1b 所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大,散热性好, 允许通过较大的电流。由于它的厚度薄,因此具有较好的可绕性,灵敏度系数较高。箔 式应变片还可以根据需要制成任意形状,适合批量生产。 ③ 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
图 2.1.1

2

3

b) 箔式
金属电阻应变片结构 图 2.1.2 体型半导体应变片结构

教学内容

教学方法 辅助手段 多媒体演示

2.半导体应变片
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。 半导体应变片有以下几种类型: 1)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 2.1.2 所示。 2)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 2.1.3。
4 1 3 4 5

2

3

2

1

1–锗膜 2--绝缘层 3–金属箔基底 4--引线
图 2.1.3 薄膜型半导体应变片

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
图 2.1.4 扩散型半导体应变片

3)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 2.1.4 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。

3.应变片的常用材料及粘贴技术
1) 常用材料 I. 4YC3:4YC3 是 Fe-Cr-Al 系 550℃高应变电阻合金,其电阻率高,电阻温度系 数低,热稳定性好,主要用于工作温度≦550℃的电阻应变计。 II. 4YC4:4YC4 是 Fe-Cr-Al 系 750℃高温应变电阻合金,其电阻率高、电阻温度 系数低, 尤其是在 600℃以上有较好的热输入和重现性低的零飘。 合金主要用作工作温度 ≦750℃的电阻应变计, 用于大型汽轮机、 航空、 原子反应堆等领域中静态和准静态测量。 III. 4YC8:4YC8 铜镍锰钴合金精密箔材,专用于高精度箔式电阻应变计,其温度 自补偿性能及其它技术指标符合《电阻应变计》标准规定的 A 级产品质量要求。箔材平 均热输出系数 ct<1μ ε /℃,用它制成箔式应变计可以在钛合金、普通钢、不锈钢、铝 合金、镁合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果,优于国外同类合金 箔材,技术性能达到国外先进水平。 4YC9:4YC9 是 Ni-Mo 系 500℃自补偿应变电阻合金,它的ρ 值高,电阻温度系数 小,热输出、热稳定性好,适用于制作在≦500℃工作的自补偿电阻应变计。 2) 应变片的粘贴工艺步骤 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

教学内容

教学方法 辅助手段 多媒体演示

4.应变计的自动补偿及其选用
1) 温度补偿及选用 应变计安装在具有某一线膨胀系数的试件上,试件可以自由膨胀并不受外力作用, 在缓慢升(或降)温的均匀温度场内,由温度变化引起的指示应变称为热输出。热输出 是由应变计敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料与被测试件材料之间线膨胀系数的 差异共同作用、迭加的结果,可由以下公式表示: ξ t=[(α t/k)+β e-β g]]△t (2-1-2) 式中α t、β g 分别为应变计敏感栅材料的电阻温度系数(1/C)和线膨胀系数(1/C),K 为应变计的灵敏系数,β e 为试件的线膨胀系数(1/C),△t 为偏离参考温度的温度变化量 (C)。热输出是静态应变测量中最大的误差源,而且应变计的热输出分散随着热输出值的 增大而增大.当测试环境存在温度梯度或瞬变时,这种差异就更大。因此,理想的情况是 应变计的热输出值超于零,满足这一要求的应变计称为温度自补偿应变计。 通过调整合金成配比,改变冷轧成型压缩率以及适当的热处理,可以使敏感栅材料的内 部晶体结构重新组合,改变其电阻温度系数,从而使应变计的热输出超过零,实现对弹性 元件的温度自补偿。 2) 蠕变自补偿及选用 传感器弹性元件因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性,表现为传感器的输 出随时间增加而增加(正蠕变) 。电阻应变计的基底和贴片用粘结剂具有一定的粘弹性, 使应变计的输出随时间的增加而减少;而敏感栅材料存在滞弹性效应使应变计输出随时 间的增加而增加,迭加后的结果是应变计在承受固定载荷时呈现或正或负的蠕变特性, 其方向和数值可以通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数加以调 节。在弹性体确定后选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计,就能对 弹性体本身的不完善性进行补偿。同理,对传感器制造过程中其他因素引入的蠕变误差 也可以用此方法进行调整,并把传感器的综合蠕变数值控制在最小范围内,这就是应变 计蠕变补偿的基本原理。我厂批量提供数十种形成蠕变梯度的应变计系列(相临标号之 间蠕变相差 0.01-0.015%F。S/30min )供传感器制造厂家选用。 3) 弹性模量自补偿及选用 材料的弹性模量一般随着环境温度的升高而下降。根据虎克定律ε =δ /E,在载荷不 变的情况下,随着温度的升高构件的变形量将增大,因而应变计所测量的应变ε 也随之 增加,这时,如果应变计的灵敏系数 K 能随温度升高而适当降低,根据 R/R=Kε ,将会是 应变计的输出不随温度改变,从而实现弹性模量补偿,这类应变计就称为弹性模量自补 偿应变计。 弹性模量自补偿应变计能起到普通应变计和弹性模量补偿电阻器的共同作用,将自动消 除传感器因弹性模量随温度变化所造成的测量误差。如果弹性模量自补偿应变计与弹性 体材料良好匹配, 则传感器温度灵敏度漂移可优于 0.001%F.S。 他于目前常用的串联弹性 模量补偿电阻器降低拱桥电压的方法相比,具有补偿精度高、稳定性好、灵敏度高、传 感器制造工艺简单、成本低等优点。但单纯弹性模量自补偿应变计存在以下问题:应变 计热输出值较大,致使传感器输出电阻温度系数超差,零点温度漂移较大。我厂经过多 年研究,研制并开发生产出温度自补偿与弹性模量自补偿兼顾型应变计,尤其是半桥和 全桥应变计因温度性能比较好而受用户欢迎,被广泛采用。

教学内容 5.应变电阻传感器的应用

教学方法 辅助手段

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 多媒体演示 重、扭矩、加速度、位移、压力等多种物理量。 ⑴ 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。 传感器弹性元件的结构形式多种多样,根据被测量大小不同,常见的有柱式、悬臂 梁式环式等等。 如 GX-1 型悬臂梁称重传感器。 结构外形如图 2.1.5 所示, 结构尺寸如图 2.1.6 所示。

图 2.1.5 GX-1 型悬臂梁称重传感器

图 2.1.6

GX-1 型悬臂梁称重传感器结构尺寸

⑵应变式压力传感器 应变式压力传感器的测量范围在 104~107Pa 之间。常见的结构形式有简式、膜片式 和组合式等。 筒式压力传感器见图 2.1.7,通常用于测量较大的压力。它的一端为盲孔,另一端为 法兰与被测系统联接。应变片贴于筒的外表面,工作片贴于空心部分,补偿片贴在实心 部分。

教学内容
1 2

教学方法 辅助手段 多媒体演示

p

1-工作片 2-补偿片
图 2.1.7 筒式压力传感器

⑶ 应变式加速度传感器 应变式加速度传感器是将质量块相对于基座(被测物体)的移动转换为应变值的变 化而得到加速度的。 ⑷ 应变式位移传感器 应变式位移传感器是测量静态直线位移及与位移有关物理量的传感器,这种传感器 线性较好,分辨率高,结构简单,使用方便。

二、本次课程小结
2.1 电阻应变片 2.1.1 电阻应变效应 1.概念 2.电阻的应变灵敏系数

2.1.2 电阻应变片的类型及常用材料
1.金属电阻应变片 1)丝式应变片 2)箔式应变片 3)金属薄膜应变片 2.半导体应变片 1)体型半导体应变片 2)薄膜型半导体应变片 3)扩散型半导体应变片 3.应变片的常用材料及粘贴技术 1) 常用材料 2)应变片的粘贴工艺步骤 4.应变计的自动补偿及其选用 1) 温度补偿及选用 2) 蠕变自补偿及选用 3) 弹性模量自补偿及选用 5.应变电阻传感器的应用

第 6 讲

第 2 章 第 2、3、4、5 节

第 3 周

星期





标题:热电阻式传感器、气敏和湿敏电阻、光敏电阻的原理与应用

1、 了解掌握热敏电阻、压敏电阻的原理; 2、 了解气敏电阻的原理与应用; 教学目标 3、 了解掌握湿敏电阻、光敏电阻的原理与应用;

教学重点、难点: 重点:
1、 压敏电阻的原理与应用; 2、 光敏电阻的原理与应用。

难点:
1、光敏电阻的原理与应用;

思考或作业:
1、 热电阻测量时采用何种测量电路?为什么要采用这种测量电路?说明这种电路的工作原理。

2、光敏电阻有哪些重要特性,在工业应用中是如何发挥这些特性的?

教学内容 一、回顾上次课内容
2.1 电阻应变片 2.1.1 电阻应变效应 1.概念 2.电阻的应变灵敏系数

教学方法 辅助手段

2.1.2 电阻应变片的类型及常用材料
1.金属电阻应变片 1)丝式应变片;2)箔式应变片;3)金属薄膜应变片 2.半导体应变片 1)体型半导体应变片;2)薄膜型半导体应变片;3)扩散型半导体应变片 3.应变片的常用材料及粘贴技术 1) 常用材料; 2)应变片的粘贴工艺步骤 4.应变计的自动补偿及其选用 1) 温度补偿及选用;2) 蠕变自补偿及选用;3) 弹性模量自补偿及选用 5.应变电阻传感器的应用

教学内容

教学方法 辅助手段 多媒体演示

二、本次课内容
2.2 2.2.1 热电阻及热敏电阻 热电阻

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高,性能稳 定。其中铂热是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。

2.2.1.1

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。

2.2.1.2

热电阻的类型

1)普通型热电阻 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)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φ 2--φ 8mm,最小可达φ mm。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。 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。隔爆型热电阻可用 于 Bla--B3c 级区内具有爆炸危险场所的温度测量。

2.2.1.4

铂电阻

铂易于提纯,物理化学性质稳定,电阻率较大,能耐较高的温度, ;因此用铂电阻作为复 现温标的基准器。

2.2.1.5

铜电阻

铂是贵重金属,因此在一些测量精度要求不高,测温范围较小(-50~150℃)的情况下, 普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数,材料容易提纯,铜电阻的阻值与温 度之间接近线性关系,铜的价格比较便宜,所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻 的缺点是电阻率较小,稳定性也较差,容易氧化。

教学内容 2.2.1.6 热电阻的应用

教学方法 辅助手段 多媒体演示

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 2.2.1 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 ? R 1 ? R ? ,则由于环境温度变化吼起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消。 2

R1

R2

Rˊ Rt 1
ˊ R2

R4
图 2.2.1

R3

热电阻的测量电路

2) 热电阻式流量计 图 2.2.2 是一个热电阻流量计的电原理图。两个铂电阻探头 Rt1、Rt2,Rt1 放在管道中央, 它的散热情况受介质流速的影响。Rt2 放在温度与流体相同,但不受介质流速影,响的小 室中。 当介质处于静止状态时, 电桥处于平衡状态, 流量计没有指示。 当介质流动时,R t1 由于介质流动带走热量,温度的变化引起阻值变化,电桥失去平衡而有输出,电流计酌 指示直接反映了流量的大小。

R1

R2

Rw RT2

RT1
图 2.2.2 热电阻流量计电原理图

2.2.2 热敏电阻
2.2.2.1 半导体热敏电阻的工作原理

热敏电阻是一种利用半导体制成的敏感元件,其特点是电阻率随温度而显著变化。 热敏电阻因其电阻温度系数大,灵敏度高;热惯性小,反应速度快;体积小,结构简单; 使用方便,寿命长,易于实现远距离测量等特点得到广泛地应用。

教学内容
根据电阻值的温度特性,热敏电阻有正温度系数、负温度系数和临界热敏电阻几种 类型。热敏电阻的结构可以分为柱状、片状、珠状和薄膜状等形式。 热敏电阻的缺点是互换性较差,同一型号的产品特性参数有较大差别。再就是其热 电特性是非线性的,这给使用带来一定不便。尽管如此,热敏电阻灵敏度高、便于远距 离控制、成本低适合批量生产等突出的优点使得它的应用范围越来越广泛。随着科学技 术的发展;生产工艺的成熟,热敏电阻的缺点都将逐渐得到改进,在温度传感器中热敏 电阻已取得了显著的优势。

教学方法 辅助手段 多媒体演示

2.2.2.2

常用材料

按温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻, 反之为负温度系数热敏电阻。

2.2.2.3

热敏电阻的型号表示

我国产热敏电阻是按部颁标准 SJ1155-82 来制定型号,由四部分组成。 第一部分:主称,用字母‘M’表示 敏感元件;第二部分:类别;第三部分:用途 或特征;第四部分:序号。

2.2.2.4

热敏电阻器的主要参数

各种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。热敏电阻的主要参 数有十余项:标称电阻值、使用环境温度(最高工作温度) 、测量功率、额定功 率、标 称电压(最大工作电压) 、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。

2.2.2.5 热敏电阻选择
首选普通用途负温度系数热敏电阻,因它随温度变化一般比正温度系数热敏电阻易 观察,电阻值连续下降明显。若选正温度系数热敏电阻,温度应在该元件居里点温度附 近。

2.2.2.6

热敏电阻的应用

热敏电阻与简单的放大电路结合,就可检测千分之一度的温度变化,所以和电子仪 表组成测温计, 能完成高精度的温度测量。 普通用途热敏电阻工作温度为-55℃~+315℃, 特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃,可达-273℃。

2.3

压敏电阻

固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它 具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、体积小和便于 批量生产等特点,因此得到了广泛的应用。由于它克服了半导体应变片存在的问题并能 将电阻条、补偿线路、信号转换电路集成在一块硅片上,甚至将计算处理电路与传感器 集成在一起,制成了智能型传感器,这是一种具有发展前途的传感器。

教学内容

教学方法 辅助手段 多媒体演示

2.3.1

压敏电阻的工作原理

单晶硅材料在受到力的作用后,其电阻率将随作用力而变化.这种物理现象称为固 态压阻式传感器。 半导体材料电阻的变化率Δ R/R 主要由Δ ρ /ρ 引起,即取决辛半导体材料的压阻 效应,所以可以用下式表示

?R ?? (2-3-1) ? ? ?? R ? 式中 ? 为压阻系数; ? 为就应力; ? 为半导体材料的电阻率。
在弹性变形限度内,硅的压阻效应是可逆的,即在应力作用下硅的电阻发生变化, 而当应力除去时,硅的电阻又恢复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不 同。 固态压阻式传感器的核心是硅膜片。 通常多选用 N 型硅晶片作硅膜片, 在其上扩散 P 型杂质,形成四个阻值相等的电阻条。图 2.3.1 是硅膜片芯体的结构图。将芯片封接在 传感器的壳体内,再联接出电极引线就制成了典型的压阻式传感器。
A A R1 F E F

R1
φ 17
E

R2
B C

R2 R4 B R3 C D

R4

R3

D 0.025

图 2.3.1

固体压阻式传感器膜片芯体结构

2.3.2

压敏电阻的型号

压敏电阻的型号由四部分组成,第一部分用字母 “M” 表示主称为敏感电阻器。 第二部分用字母 “Y” 表示敏感电阻器为压敏电阻器。 第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。 第四部分用数字表示序号,有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体 直径、电压误差、标称电压等。

2.3.3

压敏电阻的应用

由于压敏电阻具有频率响应高、体积小、精度高、灵敏度高等优点,所以它在航空、 航海、石油、化工、动力机械、兵器工业以及医学等方面得到了广泛的应用。 1、 用于压力测量; 2、 用于加速度检测

教学内容

教学方法 辅助手段 多媒体演示

2.4

气敏电阻

在现代社会的生产和生活中,人们往往会接触到各种各样的气体,需要对它们进行 检测和控制。比如化工生产中气体成分的检测与控制;煤矿瓦斯浓度的检测与报警;环 境污染情况的监测;煤气泄漏:火灾报警;燃烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感 器就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换为电信号的传感器。

2.4.1 气敏电阻的工作原理及其特性
气敏电阻是一种半导体敏感器件,它是利用气体的吸附而使半导体本身的电导率发 生变化这一机理来进行检测的。 常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。 接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化 层) ,使用时对铂丝通以电流,保持 300℃~400℃的高温,此时若与可燃性气体接触,可 燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧,因此,铂丝的温度会上升,铂丝的电阻值也上 升;通过测量铂丝的电阻值变化的大小,就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器 一般利用液体(或固体、有机凝胶等)电解质,其输出形式可以是气体 直接氧化或还原 产生的电流,也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏 度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点,应用极其广泛;半导体气敏元件有 N 型和 P 型之分。 N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小;P 型阻值随气体浓度的增大而增大。象 SnO2 金属氧化物半导体气敏材料, 属于 N 型半导体, 200~300℃温度它吸附空气中的 在 氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当遇到 有能供给电子的可燃气 体(如 CO 等)时,原来吸附的氧脱附,而由可燃气体以正离子 状态吸附在金属氧化物半导体表面;氧脱附放出电子,可燃行气体以正离子状态吸附也 要放出电子, 从而使氧化物半导体导带电子密度增加,电阻值下降。可燃性气体不存在 了,金属氧化物半导体又会自动恢复氧的负离子吸附,使电阻值升高到初始状态。这就 是半 导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。 目前国产的气敏元件有 2 种。一种是直热式,加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物 半导体管芯内;另一种是旁热式,这种气敏元件以陶瓷管为基底,管内穿加热丝,管外 侧有两个测量极,测量极之间为金属氧化物气敏材料,经高温烧结而成。

2.4.2

常用的气敏电阻

气敏电阻根据加热的方式可分为直热式和旁热式两种,直热式消耗功率大,稳定性较差, 故应用逐渐减少。旁热式性能稳定,消耗功率小,其结构上往往加有封压双层的不锈钢 丝网防爆,因此安全可靠,其应用面较广

2.4.3 气敏电阻的应用
气敏电阻应用较广泛的是用于防灾报警,如可制成液化石油气、天燃气、城市煤气、 煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器。

教学内容 2.6.2.3 光电特性

教学方法 辅助手段 多媒体演示

2.5光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图 2.6.3 所示,光敏电阻的 湿敏电阻
光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件,这是光敏电阻的缺点之一,在自动控制中 随着现代工业技术的发展,纤维、造纸、电子、建筑、食品、医疗等部门提出了高 它常用做开关式光电传感器。 精度高可靠性测量和控制湿度的要求。因此,各种湿敏元件不断出现。利用湿敏电阻进 行湿度测量和控制具有灵敏度高、体积小、寿命长、不需维护、可以进行遥测和集中控 2.6.2.4 光谱特性 制等优点。 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而 对于不同波长的入射光,光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。 制成的。

2.6.2.5 频率特性 2.5.1 常见类型及其应用
当光敏电阻受到脉冲光照时,光电流要经过一段时间才能达到稳态值,光照突然消 1、半导体陶瓷湿敏元件 失时,光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时 2、 氯化锂湿敏电阻 延特性不同,所以它们的频率特性也不相同。 3、有机高分子膜湿敏电阻

2.6.2.6

2.6
2.6.1

光敏电阻

温度特性

光敏电阻和其他半导体器件一样,受温度影响较大,当温度升高时,它的暗电阻会 下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。

工作原理

2.6.4 光敏电阻的应用 光敏电阻是采用半导体材料制作,利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作
用下其阻值往往变小,这种现象称为光导效应,因此,光敏电阻又称光导管。 光敏电阻可广泛应用于各种光控电路,如对灯光的控制、调节等场合,也可用于光 Φ 控开关,下面给出几个典型应用电路。 1、 光敏电阻调光电路 2、 光敏电阻式光控开关

三、本次课内容回顾 I
Φ

2.2 热电阻与热敏电阻 2.3 压敏电阻原理与应用 mA 2.4 气敏电阻原理与应用 图 2.6.1 光敏电阻结构示意图及图形符号 2.5 湿敏电阻原理与应用 在黑暗环境里,它的电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料的 2.6 光敏电阻原理及其特性 禁带宽度,则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个 带正电荷的空穴,这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目, 使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强,阻值愈低。入射光消失后, 由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合,光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压,其中便有电流通过,受到适当波长的光 线照射时,电流就会随光强的增加而变大,从而实现光电转换。光敏电阻没有极性,纯 粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。

第 7、8 讲

第 2 章 第



第 4 周

星期





标题: 电阻式传感器的性能测试(实训)
1、弄清电阻应变式传感器的基本结构、工作原理及其实际应用情况; 2、掌握基本电桥电路的测量原理和方法; 3、了解浙江大学 CSY2001B 型传感器系统综合实验台的构造情况及基本布置; 4、学会液晶直流电压表的使用;

教学目标

教学重点、难点: 重点: 1、 差动放大器的调零 2、 应变电桥的使用 3、 电阻应变片输出性能的标定 难点:
1、 差动放大器的调零

2、应变电桥的使用

思考或作业: 1、电阻应变式传感器的灵敏度与哪些因素有关? 2、试分析所测数据中存在的非线性因素,并说明解决的办法。 3、分析你在本实训中测得的数据可能存在的误差情况。

教学内容

教学方法 辅助手段

本次实训的内容主要有:
1.2.1 差动放大器的调零
差动放大器在每次使用前均应调零,因为差放会存在一定的零漂,为保证测量 的准确性,必须调零。要耐心仔细地进行调整,直到差放的输出为零。

1.2.2 液晶直流电压表的使用
该电压表是一种显示精度较高的仪表,为保证其精确显示,要注意输出电压的 大小,不能超过其量程,否则会损坏仪表。

1.2.3 应变电桥的使用
应变电桥是本次实训的关键部件,它将电阻的变化转换成了电压的变化,要合 理选择电桥上各桥臂的电阻,使其在零位能达到平衡,可通过电位器来调节它。

1.2.4 电阻应变片输出性能的标定
每放一个砝码测得一个输出电压值,记录在表中,待全部测完数据,经过整理 得出其线性范围,通过计算求出其标定值——即电压灵敏度 K。

1.2.5 按规定要求完成实训报告及思考题


相关文章:
电阻式传感器的工作原理及应用
电阻式传感器的工作原理及应用_电子/电路_工程科技_专业资料。电阻式传感器的工作原理及应用 ———气敏传感器气敏传感器是气敏电阻利用气体在半导体表面的氧化和还原...
电阻式传感器原理及应用
电阻式传感器 3页 1财富值如要投诉违规内容,请到百度文库投诉中心;如要提出功能问题或意见建议,请点击此处进行反馈。 电阻式传感器原理及应用 电阻式传感器的应用实例...
电阻应变式传感器的工作原理及其应用
电阻应变式传感器的工作原理 电阻应变式传感器的工作原理 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器, 最常用的传感 元件为电阻应变片。 应用范围:...
传感器原理-电阻式传感器
教学内容 一、本次课内容电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化, 进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种...
电阻应变式传感器的基本原理、结构和应用
电阻应变式传感器的基本原理、结构和应用_信息与通信_工程科技_专业资料。结构分析...电阻应变式位移传感器 2. 电阻应变式位移传感器 图示 将应变片贴在西、 悬臂梁...
电阻式传感器
一. 电阻式传感器、 二. 压阻式传感器 三. 电位计式传感器 四. 热电阻式传感器 3.1.1 工作原理及特性 1 电阻应变片的分类 电阻应变片有很多种分类方法,如按...
电阻式传感器应用与发展
电阻式传感器发展与应用李文东 1040604218 在众多的传感器中, 有一大类是通过电阻...电阻式传感器的基本原理: 电阻式传感器的基本原理是将被测量转化成为传感元件电阻...
电阻式传感器原理及应用
电阻式传感器原理及应用 电阻式传感器 下载本文档需要登录,并付出相应积分。如何获取积分? 大小: 486.0KB 所需积分: 2 当前文档信息 已有4人评价 浏览:13次下载...
电阻式传感器测量原理和测量电路
电阻式传感器测量原理和测量电路 一、电阻式传感器测量原理 电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转化成电阻值的变化,再经过转换电路变成电量输出。根 据传感器...
传感器原理与应用习题_第2章电阻式传感器
传感器原理与应用习题_第2章电阻式传感器_工学_高等教育_教育专区。传感器原理与应用的第2章电阻式传感器习题及部分答案。《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术...
更多相关标签:
电阻式传感器工作原理 | 电阻应变式传感器原理 | 电阻式湿度传感器原理 | 电阻式压力传感器原理 | 铂电阻温度传感器原理 | 光敏电阻传感器原理 | 热敏电阻传感器原理 | 热电阻传感器工作原理 |