【正文】 也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體電子密度增加，電阻值下降。N 型在檢測(cè)時(shí)阻值隨氣體濃度的增大而減?。?P 型阻值隨氣體濃度的增大而增大。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如 SnOZnO 、Fe 2OMgO 、NiO、BaTiO 3 等都具有氣敏效應(yīng)。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。 圖 113 正、負(fù)特性圖a. 負(fù)特性 b. 正特性 12 第三節(jié) 氣敏電阻傳感器在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。由于水分子中氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng)，當(dāng)水分子在半導(dǎo)體瓷表面吸附時(shí)可能從半導(dǎo)體瓷表面俘獲電子，使半導(dǎo)體表面帶負(fù)電，相當(dāng)于表面電勢(shì)變負(fù)（P 型半導(dǎo)體電勢(shì)下降，N 型半導(dǎo)體出現(xiàn)反型層），電阻率隨濕度增加而下降。圖 111 氯化鋰濕敏電阻 圖 112 電阻率 ρ 與 RH 關(guān)系半導(dǎo)體陶瓷濕敏電阻 半導(dǎo)體濕敏電阻通常用兩種以上的金屬——氧化物——半導(dǎo)體燒結(jié)成多孔陶瓷，材料有正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩種。當(dāng)溶液置于一定濕度場(chǎng)中，若環(huán)境 RH 上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆?，電阻?ρ 上升，反之 RH 下降，溶液失去水分子使?jié)舛壬仙?，電阻?ρ 下降（如圖 112）。在氯化鋰（LiCl）溶液中，Li 和 Cl 以正負(fù)離子的形式存在，鋰離子（Li+）對(duì)水分子的吸收力強(qiáng)，離子水合成度高。第二節(jié) 濕敏電阻傳感器濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。補(bǔ)償?shù)姆椒墒闺姌虻妮敵鲭S溫度升高而減小。如圖 110 所示，在橋臂 中串入一個(gè)銅電阻 。由于工作片和補(bǔ)償片所受溫度相同，則兩者所產(chǎn)生的熱應(yīng)變相等，因?yàn)槭翘幱陔姌虻南噜弮杀郏圆挥绊戨姌虻妮敵觥? 所謂補(bǔ)償片法，即用一個(gè)應(yīng)變片作工作片，貼在試件上測(cè)應(yīng)變。產(chǎn)生漂移的原因有：電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；應(yīng)變片材料與被測(cè)試件材料間的膨脹率不一致；電阻應(yīng)變片的粘貼情況不一致。 例如當(dāng) 時(shí)，初始不平衡輸出電壓 為負(fù)，這時(shí)可在 橋臂上接入 ，使電橋輸出達(dá)到4231R?0U1R0平衡。即使原來阻值相等，經(jīng)過貼片后將產(chǎn)生變化，這樣就使電橋不能滿足初使平衡條件，即電橋有一個(gè)零位輸出（ ） 。例如，一個(gè)單臂接入應(yīng)變片的等臂電橋，即 時(shí)，忽ZZZ?????當(dāng),14321略分母中的 的影響，根據(jù)式（116）可以得到Z? （118）tUKUm??sin410?對(duì)于一個(gè)相鄰兩個(gè)橋臂接入差動(dòng)變化的應(yīng)變片的等臂橋，即時(shí)，根據(jù)式（116）得ZZZ?????214321 , （119）tm?sin20??式（119）與式（118）比較靈敏度提高了一倍，即雙臂差動(dòng)比單臂工作效率提高一倍。此時(shí)交流電橋的輸出電壓為 （116） tUZUZUm?sin))(())(( 432143210 ??????式中： .1,1, 44332211 CjRCjRCjRCjRZ???電橋平衡的條件則為 （117）4231Z?2． 流電橋的輸出電壓由于電橋是交流電壓，因此它的輸出電壓也是交流電壓，電壓的幅值和應(yīng)變的大小成正比。在測(cè)量中，電橋的橋臂由應(yīng)變片或固定無感精密電阻組成。 UR+△R R△RR+△RR△RUoUC 2C 4C 1C 3R 1 R 2R 3R 4Uo 9 圖 16 等臂電橋 圖 17 應(yīng)變片等臂交流電橋 （二）交流電橋交流電橋通常是采用正弦交流電壓供電，在頻率較高的情況下需要考慮分布電容的影響。在實(shí)際使用中，為了進(jìn)一步提高靈敏度，常采用等臂電橋，四個(gè)應(yīng)變片接成兩個(gè)差動(dòng)對(duì)稱的全橋工作形式，如圖 16 所示。還可以看出，在橋臂電阻產(chǎn)生相同變化的情況下，等臂R??電橋以及輸出對(duì)稱電橋的輸出電壓要比電源對(duì)稱電橋的輸出電壓大，即它們的靈敏度要高。(?? 對(duì)于等臂電橋 ，當(dāng) 的電阻增量 時(shí)，由式（110）可得輸出電壓431 11為 （113）?KRR)()((20 ???由上面三種結(jié)果可以看出，當(dāng)橋臂應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的輸出電壓也隨著變化。當(dāng) R1 臂產(chǎn)生電阻增量 時(shí)，由式（110）得?4132 R??1 （112）UU220 )39。當(dāng) 感受應(yīng)變產(chǎn)生電阻增量 1R1時(shí)，由初始平衡條件 得 ，代入式（19） ，則電橋由于 產(chǎn)生不平衡引起的1R?4231?342 1R?輸出電壓為 （110）URURU)(()( 2111210 ?????對(duì)于輸出對(duì)稱電橋，此時(shí) ， R180。2. 直流電橋的電壓輸出當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以，可以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻為無窮大， 8 這時(shí)電橋以電壓的形式輸出。)(39。4)(39。 214343214321 RRIgABg ?????當(dāng) Ig=0 時(shí)，電橋平衡。由圖中可以看出 URAC21?? URBC43?? 所以，電橋輸出端的開路電壓 為AB = － = （14） CR))((4321?應(yīng)用有源——端口網(wǎng)絡(luò)定理，電流輸出電橋可以簡(jiǎn)化成圖 15b 所示的電路。E39。電阻應(yīng)變片接入電橋電路通常有以下接法：如果電橋一個(gè)臂接入應(yīng)變片，其他三個(gè)臂采用固定電阻，稱為單臂工作電橋；如果電橋兩個(gè)臂接入應(yīng)變片稱為雙臂工作電橋，又稱半橋形式；如果四個(gè)臂都接入應(yīng)變片稱為全橋形式。（一） 直流電橋如圖 14 所示，電橋各臂的電阻分別為 RR R R 4，U 為電橋的直流電源電壓。這樣小的電阻變化，用一般測(cè)量電阻的儀表很?2KR難直接測(cè)出來，必須用專門的電路來測(cè)量這種微弱的電阻變化。通常金屬電阻應(yīng)變片靈敏度系數(shù) K 很小，機(jī)械應(yīng)變一般在 10106～300010 6之間，可見，電阻相對(duì)變化是很小的。連接長(zhǎng)度應(yīng)盡量一致，且不宜過多。(7) 引線焊接與組橋連線 檢查合格后既可焊接引出導(dǎo)線，引線應(yīng)適當(dāng)加以固定。(6)粘貼質(zhì)量檢查 首先是從外觀上檢查粘貼位置是否正確，粘合層是否有氣泡、漏粘、破損等。無論是自然干燥還是加熱固化都要嚴(yán)格按照工藝規(guī)范進(jìn)行。(5) 固化 黏合劑的固化是否完全，直接影響到膠的物理機(jī)械性能。（4）貼片 將應(yīng)變片底面用清潔劑清洗干凈，然后在試件表面和應(yīng)變片底面各涂上一層薄而均勻的黏合劑。如果不立刻貼片，可涂上一層凡士林暫作保護(hù)。為了表面的清潔，可用化學(xué)清洗劑如氯化碳、丙酮、甲苯等進(jìn)行反復(fù)清洗，也可采用超聲波清洗。（2） 試件的表面處理 為了獲得良好的黏合強(qiáng)度，必須對(duì)試件表面進(jìn)行處理，清除試件表面雜質(zhì)、油污及疏松層等。 2．應(yīng)變片的粘貼工藝步驟（1） 應(yīng)變片的檢查與選擇 首先要對(duì)采用的應(yīng)變片進(jìn)行外觀檢查，觀察應(yīng)變片的敏感柵是否整齊、均勻，是否有銹斑以及短路和折彎等現(xiàn)象。箔材平均熱輸出系數(shù) ct1με／℃，用它制成箔式應(yīng)變計(jì)，可以在鈦合金、普通鋼、不銹鋼、鋁合金、鎂合金等多種材料制成的試件上達(dá)到良好的溫度自補(bǔ)償效果，優(yōu)于國(guó)外同類合金箔材，技術(shù)性能達(dá)到國(guó)外先進(jìn)水平。合金主要用作工作溫度≦750℃的電阻應(yīng)變計(jì)，用于大型汽輪機(jī)、航空、原子反應(yīng)堆等領(lǐng)域中靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量。三、應(yīng)變片的常用材料及粘貼技術(shù)1．常用材料（1） 4YC3：4YC3 是 FeCrAl 系 550℃高應(yīng)變電阻合金，其電阻率高，電阻溫度系數(shù)低，熱穩(wěn)定性好，主要用于工作溫度≦550℃的電阻應(yīng)變計(jì)。實(shí)驗(yàn)也表明，在金屬電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。 k0稱為金屬電阻的靈敏度系數(shù)，由式（1－3）可見， k0受兩個(gè)因素影響，一個(gè)是（1+2 μ ），它是材料的幾何尺寸變化引起的，另一個(gè)是 Δ ρ/ （ ρε ） ，是材料的電阻率 ρ 隨應(yīng)變引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)式（1－1）全微分，并用相對(duì)變化量來表示，則有: (12)??????SL 圖 13 電阻絲拉伸應(yīng)變示意圖 5 式中的 為電阻絲的軸向應(yīng)變，用 ε 表示。二、應(yīng)變片的工作原理當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，可在197℃～317℃溫度下工作。3. 金屬薄膜應(yīng)變片　　　 　　金屬薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。（4）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)。散熱條件好，允許電流大，提高了輸出靈敏度。金屬箔式應(yīng)變片是在絕緣基底上，將厚度為 ～ 的電阻箔材，利用照相制版或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀， 4 圖 12 金屬箔式應(yīng)變片　　它的優(yōu)點(diǎn)是：（1）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵，柵長(zhǎng)最小可做到 ，以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金以及貴金屬（鉑、鉑鎢合金）等。由于焊點(diǎn)多，易在焊點(diǎn)處出現(xiàn)疲勞損壞，制造工藝要求高，使用較少?！　榱丝朔M向效應(yīng)，有短接式應(yīng)變片。因制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，所以最為常用。圖 11 所示為回線式應(yīng)變片，它的敏感柵絲的直徑在 圖 11 絲式應(yīng)變片～，以 左右為最常用，絲線的曲率半徑 r 為 ～，基片用厚度為 左右的薄紙（稱紙基），用黏結(jié)劑和有機(jī)樹脂基膜制成（稱膠基），粘貼性能好，能保證有效地傳遞變形。金屬電阻應(yīng)變片分金屬絲式、金屬箔式和金屬薄膜式三種。 1 傳 感 器 實(shí) 驗(yàn) 實(shí) 訓(xùn) 教 程目 錄第一部分 傳感器與檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ) .............................................................7第一章 電阻式傳感器 ........................................................................7第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器 ..................................................................7第二節(jié) 濕敏電阻傳感器 ....................................................................15第三節(jié) 氣敏電阻傳感器 ....................................................................16第二章 電感式傳感器 ........................................................................17第一節(jié) 差動(dòng)變壓器 ........................................................................17第二節(jié) 自感傳感器 ........................................................................19第三節(jié) 電渦流傳感器 ......................................................................21第三章 電容傳感器 .......................................................................24第四章 壓電傳感器 .......................................................................28第五章 霍爾傳感器 ........................................................................32第二部分 傳感器實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) ........................................................................33第三章 CSY2022 型傳感器與檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介 .................................................33一、CSY2022 型傳感器實(shí)驗(yàn)儀簡(jiǎn)介 .............................................................78二、電路原理 ..............................................................................78三、使用方法 .................................................