传感器与检测技术基础知识（4）—

0.1 什么是传感器

国家标准GB 7665-87对传感器下的定义是:能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置, 通常由敏感元件和转换元件组成

0.2 什么是敏感元件

是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分

0.3 什么是转换元件

是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。

1 电阻式传感器——能量控制型传感器

1.1 什么是电阻式传感器

把被测量对象的变化量转换为电阻变化的传感器

1.2 怎么定义电阻

对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值R可用下式表示：
R=ρlAR=\rho{\frac {l}{A}} R=ρAl
L——电阻丝的长度；

A——电阻丝的截面积；

ρ——电阻丝的电阻率，取决于导体材料的性质

1.3 电阻式传感器的种类

1.3.1 电位器式

这个高中已经讲过基本的内容了，所以这里不详述，大致分为直线位移型变阻式传感器，角位移型变阻式传感器，非线性型变阻式传感器（下图左到右）

1.3.1.1 对于直线位移型

首先我们根据高中知识可以知道它的变化是线性的，但是这是近似的结果，对于绕线式的电位器来说，如下图：

当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈的时候，电阻值的变化是台阶形的，这限制了电位器的分辨率。实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线移动式装置来说，分辨率最小为 40μm40\mu m40μm ，而对于一个直径为 5cm5cm5cm 的单线圈转动式电位器来说，其最好的角分辨率约为 0.1°0.1°0.1°

1.3.1.2 应用举例

落料重量自动检测
煤气包储量检测

1.3.1.3 变阻式传感器的性能参数

线性性
分辨率
整个电阻值的偏差
移动或旋转角度范围
电阻温度系数
寿命

1.3.1.4 电位计式传感器的优点

结构简单，尺寸小，重量轻，价格低廉且性能稳定
受环境因素（如温湿度，电磁场干扰等）影响小
可以实现输入输出间任意函数关系
输出信号大，一般不需要放大

1.3.1.5 电位计式传感器的缺点

存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；
由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低精度，所以分辨率较低
动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量

1.3.2 电阻应变片式

1856 年英国物理学家 W. Tomson 发现了金属材料的应变效应，即一根金属导线在其拉长时电阻增大，在受压缩短时电阻减小。这个规律被称为金属材料的电阻应变效应。

1.3.2.1 电阻应变效应

导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值响应发生变化

1.3.2.2 应变片工作原理

对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值 RRR 可用下式表示：
R=ρlAR=\rho {\frac{l}{A}} R=ρAl
根据上述电阻应变效应，金属应变片电阻 RRR 为 R=ρl/AR =\rho l/AR=ρl/A, 其中任何一个参数变化均会引起电阻变化，对公式进行微分可得
dR=ρAdl−ρlA2dA+lAdpdR={\frac{\rho}{A}dl}-{\frac{\rho l}{A^2}dA}+{\frac{l}{A}dp} dR=Aρdl−A2ρldA+Aldp
带入R=ρl/AR =\rho l/AR=ρl/A ，得：
dR=Rdll−dAAR+dρρRdR=R{\frac{dl}{l}}-{\frac{dA}{A}R}+{\frac{d\rho}{\rho}R} dR=Rldl−AdAR+ρdρR
整理得：
dRR=dll−dAA+dρρ{\frac {dR}{R}}={\frac{dl}{l}}-{\frac{dA}{A}}+{\frac{d\rho}{\rho}} RdR=ldl−AdA+ρdρ
圆截面金属丝的面积为 A=πr2A= \pi r^2A=πr2 ，则变为：
dRR=dll−2drr+dρρ{\frac {dR}{R}}={\frac{dl}{l}}-{\frac{2dr}{r}}+{\frac{d\rho}{\rho}} RdR=ldl−r2dr+ρdρ
子项分别定义：
纵向应变：dll=ε横向应变：drr=−μdll=−με（为电阻丝径向相对变化，当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小）纵向应变：{\frac {dl}{l}}=\varepsilon \\横向应变：{\frac {dr}{r}}=-\mu{\frac {dl}{l}}=-\mu\varepsilon （为电阻丝径向相对变化，当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小）纵向应变：ldl=ε横向应变：rdr=−μldl=−με（为电阻丝径向相对变化，当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小）
其中， μμμ 为材料的泊松比，对于一般金属而言， μ=0.3~0.5 。

电阻率相对变化率：dρρ=λεE{\frac{d\rho}{\rho}}=\lambda\varepsilon\Epsilonρdρ=λεE

其中，λ\lambdaλ 为材料的纵向压阻系数， E\EpsilonE 为材料的弹性模量。

电阻丝电阻率的相对变化与其轴向所受正应力 σ\sigmaσ 有关。一般金属导体的入很小，可以忽略不计，但对千某些半导体来说，情形则大不一样。根据上述定义，可以表示为:
dRR=ε+2με+λEε{\frac {dR}{R}}=\varepsilon+2\mu\varepsilon+\lambda\Epsilon\varepsilon RdR=ε+2με+λEε
定义 S0=1+2μ+λEεS_0=1+2\mu+\lambda\Epsilon\varepsilonS0=1+2μ+λEε 为电阻应变片的灵敏度系数。该值对于特定的材料为一个常数，表明电阻值相对变化与应变成正比，因此通过测量应变 ε\varepsilonε 便可测量电阻变化，这就是应变片的工作原理。

灵敏度系数 S0S_0S0 中 (1+2μ)ε(1+2μ)\varepsilon(1+2μ)ε 项是由几何尺寸变化引起的，λEε\lambda E\varepsilonλEε 项是由于电阻率变化引起的。

对于金属丝应变片
dRR≈ε+2με=(1+2μ)ε{\frac {dR}{R}}≈\varepsilon+2\mu\varepsilon=(1+2\mu)\varepsilon RdR≈ε+2με=(1+2μ)ε
对于半导体
S0≈λES_0≈\lambda \Epsilon S0≈λE

1.3.2.3 分类

金属电阻应变片

金属应变片电阻的相对变化与轴向应变e 成正比。对千同一电阻材料，灵敏度系数为常数。一般用于制造金属丝电阻应变片的金属丝其灵敏度系数多在1.7~3.6 之间。

常用金属电阻应变片，除电阻丝应变片外，还有箔式应变片和薄膜应变片。
- 主要结构
- 分类
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。半导体应变片的工作原理是基千半导体材料的压阻效应的。采用集成电路制程的扩散工艺可制成扩散性半导体应变片
- 分类
  
  半导体电阻可以分为体型、薄膜型、扩散性三种。如在膜片压力传感器中，采用硅来代替金属材料制成膜片，通过在膜片中淀积杂质来实现应变片效应，从而可在所需的位置上形成内在的应变片
- 优点
  
  灵敏度高（比金属丝应变片灵敏度大50~70 倍），体积小。
- 缺点
  
  温度稳定性和可重复性不如金属应变片，存在非线性及安装困难等

1.3.2.4 应变片的作用

1.3.2.5 应变片测量电路

1.3.2.6 应变片应用实例

柱力式传感器
梁力式传感器
应变式压力传感器
应变式加速度传感器

1.3.3 敏感电阻式

1.3.3.1 热电阻

导体的电阻随温度变化而变化，通过其阻值的测量可以推算出被测物体的温度。纯金属和极大多数合金的电阻率随温度的增加而增加（具有正温度系数）
在一定的温度范围内，这种电阻温度关系是线性的。这种温度传感器的材料通常为铂，镍和铜，最知名的温度计的材料为铂。
导体电阻值随温度变化的关系式为： R=R1[1+α(t2−t1)]=R1(1+αδt)R=R_1[1+\alpha (t_2-t_1)]=R_1(1+\alpha \delta t)R=R1[1+α(t2−t1)]=R1(1+αδt) 。其中 R1R_1R1 为温度 t1t_1t1 时的电阻值； α\alphaα 为金属材料在温度 t1t_1t1 时的温度系数； δt=t2−t1\delta t=t_2-t_1δt=t2−t1 。
材料：

（1）材料的电阻温度系数要大，这样才能使热电阻有足够大的灵敏度，一般热电阻采用纯金属材料

（2）在测量的温度范围内，材料的物理、化学性能要稳定

（3）在测温范围内，电阻温度系数较稳定

（4）具有比较大的电阻率，有利于减小热电阻的体积，减小热惯性

（5）材料应具有良好的复现性，以便于批量生产。最常见的热电阻：铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻是一种性能很好的热电阻，广泛应用于温度的基准、标准的传递。铜热电阻也是一种常用的热电阻，优点是价格比较低，电阻温度系数相较于铂电阻要高，在测量精度要求不高的领域（-50~15℃）普遍代替铂电阻

1.3.3.2 热敏电阻

利用半导体制成，其特点是电阻率随温度显著变化。因为其电阻温度系数大，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的应用
热敏电阻是非线性电阻，它的非线性特性上表现在电阻与温度的关系不是直线关系，而是指数关系，电压、电流的变化不服从欧姆定律
热敏电阻的类型：
1. PTC：正温度系数热敏电阻的阻值随着温度升高而急剧增大
2. NTC：负温度系数热敏电阻的阻值随温度升高而急剧减小
  
  特点：电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；可以测量 0.001~0.005℃ 的微小温度变化；结构简单，可以测点温（0.1mm直径）；电阻率、测量范围大（-200~+1000℃）热惯性小，适用于动态测量；制造简单、使用寿命长；互换性差、非线性较大
3. CTR：
  
  特点：临界热敏电阻，特定温度下，电阻值会发生突变

1.3.3.3 光敏电阻

半导体材料受到光照时会产生电子-空穴时，使其导电性能增强，光线愈强阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为内光电效应（光电导效应）。光敏电阻阻值的变化与光波有关，不同半导体材料的光谱特性也不同。
光敏电阻；光敏二极管；光敏三极管

1.3.3.4 气敏电阻

利用某些半导体材料吸收某种气体后发生氧化还原反应制成，当期敏元件表面吸附有被测气体的时候，其电导率会发生变化。

1.3.3.5 湿敏电阻

利用湿敏材料吸收水分引发材料自身电阻改变的性能，当空气之中的水分发生变化，其电阻也将随着发生改变。材料分：半导体陶瓷，氯化锂，高分子膜

1.3.3.6 磁敏电阻

利用材料电阻随磁场强度改变而变化的性质

1.3.3.7 压敏电阻

材料电阻随着材料二端电压改变而改变的性质

1.3.3.8 力敏电阻

电阻也将随着发生改变。材料分：半导体陶瓷，氯化锂，高分子膜