《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第三节 电阻式检测元件n基本原理基本原理 将将被测物理量的变化被测物理量的变化转换成转换成电阻值的变化电阻值的变化n可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、可以测量位移、形变、加速度、力、力矩、压力、温度等。温度等。n常见的电阻检测元件：常见的电阻检测元件：电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等电阻应变片、热电阻、湿敏电阻和气敏电阻等第三节 电阻式检测元件一、应变式检测元件应变式检测元件 电阻应变片：是将作用在检测件上的电阻应变片：是将作用在检测件上的应变变化应变变化转换转换成成电阻变化电阻变化的敏感元件。的敏感元件。n电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应电阻应变片根据材料不同分：金属应变片和半导体应变片。变片。n按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。按工作温度分：常温、中温、高温和低温应变片。第三节 电阻式检测元件n电阻应变片电阻应变片优点优点：1.测量范围宽、准确度高；测量范围宽、准确度高；2.测量响应速度快；测量响应速度快；3.使用寿命长、性能稳定可靠；使用寿命长、性能稳定可靠；4.价格便宜、品种多；价格便宜、品种多；5.可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化可在高低温、高速、高压、强振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀性强等恶劣环境下工作。学腐蚀性强等恶劣环境下工作。n缺点缺点：输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；输出信号微弱，抗干扰能力弱，使用时需采取屏蔽措施；易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。易受温度等环境因素影响。在大应变状态下非线性明显。电阻应变片工作原理：电阻应变片工作原理：应变效应应变效应即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化现象。的变化而发生变化现象。第三节 电阻式检测元件工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为：为：代入代入第三节 电阻式检测元件有：有：金属丝：金属丝：金属丝体积不变：金属丝体积不变：第三节 电阻式检测元件有：有：金属应变片：金属应变片：第三节 电阻式检测元件应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件丝式应变片丝式应变片根据基底材料不同分根据基底材料不同分为纸基、胶基、纸浸胶基和金为纸基、胶基、纸浸胶基和金属基等。敏感栅由金属丝绕制属基等。敏感栅由金属丝绕制而成。丝式应变片的电阻丝直而成。丝式应变片的电阻丝直径为径为0.015mm0.05mm，常用，常用的为的为0.025mm。基底很薄，一。基底很薄，一般在般在0.02mm0.04mm，保证有，保证有效地传递变形。制作简单、性效地传递变形。制作简单、性能稳定、价格便宜等，但是横能稳定、价格便宜等，但是横向效应大、散热性差。向效应大、散热性差。应变计金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式第三节 电阻式检测元件箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基利用照相制版或光刻腐蚀法，将电阻箔材在绝缘基底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在底上制成各种敏感栅图案形成的应变片。其箔栅厚度在0.0030.01mm之间。之间。金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔式应变片工作原理与金属丝式应变片完全相同，只是其敏感栅由很薄的金属箔片制成，采用了金属箔片制成，采用了光刻、腐蚀光刻、腐蚀等工序，其基底为胶底，有更多优点：等工序，其基底为胶底，有更多优点：1.工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；工艺保证线栅尺寸正确、线条均匀，大批量生产时，阻值离散程度小；2.可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基可根据需要制成任意形状的箔式应变片，尺寸下很小，如微型小基长（如基长为长为0.1mm）的应变片；）的应变片；3.敏感栅截面积为矩形，表面积大敏感栅截面积为矩形，表面积大，散热性好，在相同截面情况下能允许通过，散热性好，在相同截面情况下能允许通过较大的电流，提高灵敏度；较大的电流，提高灵敏度；4.厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；厚度薄，具有较好的可挠性，其扁平状箔栅（与粘合层）有利于形变的传递；5.疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；疲劳寿命长，蠕变小，机械滞后小；6.箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。箔式应变片的横向部分特别粗，可大大减小横向效应。7.便于批量生产，生产效率高，成本低。便于批量生产，生产效率高，成本低。应变计第三节 电阻式检测元件金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式金属应变片：一般有丝式、箔式和薄膜式采用采用真空溅射或真空沉积真空溅射或真空沉积等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合等镀膜技术制成的。将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂。制成各种各样的敏感栅薄膜（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。（薄膜厚度在零点几纳米到几百纳米），再加上保护层形成应变片。优点：优点：滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范滞后和蠕变很小；灵敏度高，易实现工业化生产；工作温度范围广，围广，-197+317，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在，也可用于核辐射等特殊情况；可以直接制作在弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工弹性敏感元件上，形成测量元件或者传感器，免去了应变片的粘贴工艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、艺过程。是一种很有前途的新型应变片，适合于制作高内阻、小型化、高精度和高稳定性的力敏器件。高精度和高稳定性的力敏器件。半导体应变片半导体应变片简化为：简化为：优点：灵敏度大优点：灵敏度大;体积小体积小;缺点：缺点：温度稳定性和可重复性温度稳定性和可重复性不如金属应变片。不如金属应变片。第三节 电阻式检测元件对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变对半导体材料，前面两项影响很小可视为不变：第三节电阻式检测元件n半导体应变片半导体应变片 半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散半导体应变片应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型和外延型等。型和外延型等。扩散硅压力传感器结构图半导体应变片半导体应变片第三节 电阻式检测元件体型半导体体型半导体应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切应变片是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条，粘贴于基片上制作而成。割成细条，粘贴于基片上制作而成。薄膜型半导体薄膜型半导体应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材应变片是利益能够真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成。扩散型半导体扩散型半导体应变片是将应变片是将P型杂质扩散到高阻的型杂质扩散到高阻的N型硅片上，型硅片上，形成一层极薄的敏感层制成。形成一层极薄的敏感层制成。外延型半导体外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成。单晶硅制成。半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，半导体应变片与金属丝应变片和箔式应变片相比较，第三节 电阻式检测元件优点优点：1.灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大灵敏系数高。比金属应变片的灵敏度系数大50100倍。解决倍。解决了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就了处理微弱小信号的困难，大大简化了线路。工作时不必用放大器就可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。可用电压表或者示波器等简单仪器记录测量结果。2.体积小，耗电量体积小，耗电量少。少。3.机械滞后小，动态特性好。机械滞后小，动态特性好。缺点缺点：半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大半导体应变片的电阻温度系数大（温度稳定性差），测量较大应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展应变时非线性严重，灵敏度分散性大。但是半导体集成电路工艺发展迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如迅速，扩散型、外延型和薄膜型，使其缺陷得到一定改善。例如扩散扩散型半导体应变片型半导体应变片是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，是在感压硅膜上采用集成工艺扩散技术形成力敏电阻，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，将膜片和力敏电阻做成一体，不需要粘贴，精度高，容易实现小型化，抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。抗振和耐冲击能力强，是国外目前应用最普遍的一种类型。电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力第三节电阻式检测元件标准产品标准产品第三节电阻式检测元件案例：案例：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量第三节电阻式检测元件案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。第三节电阻式检测元件案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测第三节电阻式检测元件案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量第三节电阻式检测元件案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n应变片的主要特性应变片的主要特性n应变片的电阻值应变片的电阻值 应变片在没有受到应力和产生变形前，应变片在没有受到应力和产生变形前，在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。在室温下测定的电阻值称为初始电阻值。n灵敏系数灵敏系数 n绝缘电阻绝缘电阻 绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件绝缘电阻是指已安装的应变计的敏感栅和引线与被测构件之间的电阻值。之间的电阻值。第三节电阻式检测元件n横向效应横向效应 直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数应变敏感栅的电阻变化仍要小一些，从而导致灵敏系数 的的改变，这种现象称为横向效应改变，这种现象称为横向效应。n机械滞后机械滞后 应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸应变片贴在试件上后，在一定温度下，进行循环的加载和卸载，加载和卸载时的输入载，加载和卸载时的输入-输出特性曲线不重合的现象称机械输出特性曲线不重合的现象称机械滞后滞后。第三节电阻式检测元件n零漂和蠕变零漂和蠕变 n粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变粘贴在试件上的应变片，在恒定温度下，不承受机械应变时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂时指示应变值随时间变化的特性称为应变片的零漂 n在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应在恒定温度下，使应变片承受一恒定的机械应变，指示应变值随时间变化的特性称应变片的蠕变变值随时间变化的特性称应变片的蠕变 n允许电流允许电流 允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量准确度所允许通过的最大电流所允许通过的最大电流 第三节电阻式检测元件n应变极限应变极限 应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与应变片的应变极限是指在规定的使用条件下，指示应变与真实应变的相对误差不超过规定值真实应变的相对误差不超过规定值 （一般为（一般为10%10%）时的最）时的最大真实应变值大真实应变值第三节电阻式检测元件二、热电阻式检测元件热电阻式检测元件n原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。原理：热电阻效应，物质的电阻率随温度变化。n热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导热电阻式检测元件分为两大类，一是金属热电阻，二是半导体热敏电阻体热敏电阻 n金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负金属热电阻大多具有正温度系数；半导体热敏电阻大多为负温度系数。温度系数。一、金属热电阻一、金属热电阻金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：金属热电阻丝材料一般应满足如下要求：电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻温度系数要大，以便提高热电阻的灵敏度。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。电阻率尽可能大，以便在相同灵敏度下减少热电阻体尺寸。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。在整个测量温度范围内，物理化学性能稳定。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。应有良好的可加工性、复现性好、价格便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n金属热电阻金属热电阻 金属热电阻需考虑问题nR0（t0的R）的大小综合考虑常用R050R0100n电阻丝的粗细综合考虑常用铂电阻d0.030.07mm铜电阻d0.1mm热电阻丝铂电阻分度表铂电阻分度表 第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件n一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测一般的金属的电阻值都随温度的升高而升高。但作为测温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前温的导体，应具有一定的条件，同时也要标准化。目前常用的金属热电阻有铂、铜常用的金属热电阻有铂、铜n铂电阻：铂电阻：n铜电阻：铜电阻：第三节电阻式检测元件n铂热电阻的特点铂热电阻的特点：精度高、稳定性好、性能可靠。因为铂在氧化性介质中，甚至在高温下物理化学性质都非常稳定。但在还原介质中，特别是在高温下容易被从氧化中还原出来的蒸汽沾污，使铂丝变脆，并改变其温度系数，所以采用铂热电阻测量温度的范围是有限的。一般为-200850 。n铜热电阻的优点：铜热电阻的优点：1）价格便宜；2）铜的电阻与温度几乎是线性的；3）电阻温度系数较大；n铜热电阻的缺点：铜热电阻的缺点：1）电阻率较小，体积较大；2）易氧化，使用环境要求高；3）测量温度范围小-50150 。第三节电阻式检测元件n金属热电阻特点：精度高。要注意金属热电阻特点：精度高。要注意自热误差和引线电阻自热误差和引线电阻的影响的影响n自热误差：自热误差：通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。通电流有功耗，发热导致电阻值发生变化。解决办法是限制电流，不超过解决办法是限制电流，不超过6mA;n引线电阻的影响：引线电阻的影响：热电阻本身电阻值较小，引线电阻不热电阻本身电阻值较小，引线电阻不能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。能忽略。通常采用三线制或者四线制接法避免。热电阻传感器 热电阻传感器的组成热电阻传感器的组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成由热电阻、连接导线及显示仪表组成第三节电阻式检测元件用用热热电电阻阻传传感感器器进进行行测测温温时时，测测量量电电路路经经常常采采用用电电桥桥电电路路。热热电电阻阻与与检检测测仪仪表表相相隔隔一一段段距距离离，因因此此热热电电阻阻的的引线对测量结果有较大的影响。引线对测量结果有较大的影响。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。第三节电阻式检测元件内部引线方式 第三节电阻式检测元件两线制n这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及这种引线方式简单、费用低，但是引线电阻以及引线电阻的变化会带来附加误差。引线电阻的变化会带来附加误差。n两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合两线制适于引线不长、测温精度要求较低的场合。第三节电阻式检测元件三线制用于工业测量，一般精度第三节电阻式检测元件四线制实验室用，高精度测量第三节电阻式检测元件热敏电阻n热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而特性制成的一种热敏元件，其特点是电阻率随温度而显著变化显著变化。第三节电阻式检测元件热敏电阻热敏电阻n金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它金属的电阻值随温度的升高而增大，半导体相反：它的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一的阻值随温度的升高而急剧减小，并呈现非线性。一般来说，般来说，半导体比金属具有更大的电阻温度系数半导体比金属具有更大的电阻温度系数。在。在温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻温度变化相同时，热敏电阻的阻值变化约为铂热电阻的的10倍，因此可用来测量倍，因此可用来测量0.01 或者更小的温度差异。或者更小的温度差异。n半导体的这种温度特性源于半导体的半导体的这种温度特性源于半导体的导电方式导电方式是载流是载流子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目子（电子、空穴）导电，由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。远比金属中的自由电子少的多，所以它的电阻率很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目就会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。会增多，半导体电导率增加，它的电阻率也就降低。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性热敏电阻的电阻温度特性nNTC热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的热敏电阻：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。非线性。NTC热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：特别适用于：50300之间测温。之间测温。nPTC热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设方向快速变化。其用途主要是彩电消磁、各种电器设备的过热保护等。备的过热保护等。nCTR也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。急剧下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。主要用作温度开关。n各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制各种热敏电阻的阻值在常温下很大，不必采用三线制或四线制接法，给使用带来方便。或四线制接法，给使用带来方便。第三节电阻式检测元件热敏电阻的电阻温度特性曲线第三节电阻式检测元件第三节电阻式检测元件工业热电阻铠装式热电阻辐射式温度计.第三节电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件三、其它电阻式检测元件湿敏元件结构原理图湿敏电阻工作过程：湿敏电阻工作过程：水分子极易吸附于固水分子极易吸附于固体表面体表面渗透到固体渗透到固体内部内部半导体的电阻半导体的电阻值降低值降低第三节电阻式检测元件n湿敏电阻的特性湿敏电阻的阻值随湿度增加而减小，而且湿敏电阻的特性与温度有关，所以在使用中，要采用温度补偿措施湿敏电阻特性曲线第三节电阻式检测元件高分子湿敏电阻高分子湿敏电阻湿敏电阻第三节电阻式检测元件n气敏电阻气敏电阻是由某些半导体材料制成，它是利用半导体与特定气体接触时，其电阻值发生变化的效应进行测量的。第三节电阻式检测元件n醉驾手持数字酒精测试仪手持数字酒精测试仪呼气管呼气管家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器一氧化碳检测仪一氧化碳检测仪