第三章现代传感器技术-电阻电容电感传感器解读.ppt

现代传感器技术—面向物联网专业 第二篇 基本感测原理和效应及器件 --基本电参量的传感原理与测量 3. 基本电参量的传感原理与测量 基本电参量传感与测量方法的重要性 信息系统中尤其是计算机处理的信息主要是电信息； 许多传感器能通过多种变换把被测量或其变化转换成电 阻、电容、电感、电流、电压等基本电参量； 测量电压、电流、频率等电信号的方法与技术相对成 熟、易实现； 制作电阻、电容器件的许多材料具有敏感功能； 以磁场为媒介，一些物理量能使电感线圈的参数变化从 而感知被测量； 电阻、电容及电感容易与后接电路耦合，从而也容易借 助对电压、电流、频率等电信号的测量实现对这三种电 量的测量。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.1电阻传感原理与器件 原理： 通过各种途径或方式（如受力作用、加热、冷却），可将被测量的变化转换成电阻值变化，测量阻值变化而得到被测量。 器件： 敏感电阻，品种类型很多； 特点： 作为敏感元件或转换元件的电阻对不同参量敏感的原理或方式虽有差异，但都存在确定的一一对应关系。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.2 电阻测量方法 重要性：以电阻实现准确感知，要求准确测量敏感电阻阻 值及其变化； 测量方法：按阻值大小分类，选用适当的测量方法。 电阻可分为低阻(毫欧~约10Ω)、中阻(10Ω～100 kΩ)、高 阻（兆欧级）、超高阻值（109Ω以上）。 一般中高阻值的测量常用伏安法； 低阻值的测量需要能克服被测电阻引线电阻和接触电阻的 影响的方法； 超高阻值的测量常用基于电容充电原理的测量方法，例如 采用运算放大器与数字测量结合的方法。 对于高精度要求，无论恒压或恒流激励，都需考虑电源稳 定性的影响。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方法 1）应考虑的主要问题与对策 电阻自热：自热导致阻值变化，影响分辨率或测量精度； 需控制工作电流或散热，具体通过对发热导致的允许温升 来计算控制电流大小或所需散热条件。 引线电阻：影响对小电阻测量的准确性；使用三、四线制元件，电流源的输出阻抗和电压表的输入阻抗足够大； 非线性：导致测量的非线性误差； 可通过信号调理电路对电阻的非 线性变化进行线性化。 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方法 2）一般方法 偏转法：用恒压源供电测量电阻电流，或用恒流源供电测量电阻电压；两者是最简单的偏转法。 右图为恒流激励电阻测量法，给定激励电压Ur，参考电阻Rr的电流Ir = Ur /Rr，传感电阻的电压为 Uo与初值为Ro的传感电阻R的变化率x 呈线性关系，但存在零位电压UrRo/Rr。 若x1，则对应x的输出叠加在一个大零位电压上。 该电路适合x较大的情况，如热敏电阻等。 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方法 2）一般方法 若通过调理电路从输出中减去零位电压，如取Rr＝Ro，则 从Uo中减去IrRr得到输出：Us= Uo?IrRr= Ur(1+x)?Ur= Urx 偏转法中的双读数 (比例)法- 先读固定电阻端电压Ur=IRr； 再读串接的待测电阻端电压Uo=IRo；计算可得： 若Rr≈Ro，则两次读数的电压表误差相似， 并且在取商时误差将相互抵消。通常在测量 范围内，选择Rr=Rmax。 优点：测量时只需一个精密电阻元件。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方法 2）一般方法 分压法： 常用于测阻值变化范围很大的传感器及非线性敏感电阻。 检测方法如图所示，其中图（a）的输出电压： 传感器电阻值 若R与Rr交换位置，则 分压电路中的电流与被测电阻有关， 输出电压与电阻不是线性关系。 此特性有时可用于非线性传感器的非线性校正。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方法 2）一般方法 分压法： 上图（b）所示分压器电路的优点是有源电路的驱动负载能 力强，与下一级电路连接方便，传感器电阻上的电压降就 是激励电压Ur，不会随传感器的电阻变化而改变。 同样，R与Rr交换位置，得到输出与R变化率x的线性关系 显然，在x很小时，测量效果受零位电压影响。 分压器法一般不适于测电阻变化范围很小(x1)的情况。 3.1 电阻传感与电阻的测量 3.1.3 电阻测量需考虑的常见问题与一般方