电阻式传感器1ppt课件

1、2022-2-21检测与传感技术检测与传感技术主讲：梁炎明主讲：梁炎明 E-mail：623703852qq：133592367302022-2-22第第3章章 电阻式传感器电阻式传感器n电阻式传感器是一种把被测参量电阻式传感器是一种把被测参量转换为电阻变化的传感器转换为电阻变化的传感器n电位器式传感器电位器式传感器n电阻应变式传感器电阻应变式传感器n压阻式传感器压阻式传感器n热电阻式传感器热电阻式传感器2022-2-23一 电位器式传感器 电位器主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的输出。1、基本工作原理电位器式传感器由电阻器和电刷组成，电刷触点的移动导致输出电阻的变化。20

2、22-2-24电位器式传感器电位器式传感器2022-2-252、电位器的结构、电位器的结构2022-2-263、输出、输出输入特性输入特性线性电位器：线性电位器： 其中：其中：L电位器触点行程；电位器触点行程；x电位器电刷位移电位器电刷位移;U输入电压输入电压;Ux输出电压输出电压;Rx输出电阻输出电阻;xLRRxxLURRUUxx2022-2-274、电位器传感器的应用、电位器传感器的应用 电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。等参量。 下图是电位器式位移传感器的结构图。被测位移下图是电位器式位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向

3、移动时，带动电刷在滑线电阻上使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。2022-2-28二、应变式传感器二、应变式传感器工作原理工作原理 导体或半导体材料受到外界力作用时导体或半导体材料受到外界力作用时拉力或拉力或压力），产生机械形变，导致输出电阻的变化。压力），产生机械形变，导致输出电阻的变化。 一根金属电阻丝一根金属电阻丝, 在其未受力时在其未受力时, 原始电阻值为原始电阻值为 其中：其中： 电阻丝的电阻率电阻丝的电阻率; l 电阻丝的长度电阻丝的长度; A 电阻丝的截面积。电阻丝的截面积。lRA202

4、2-2-29 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减小横截面积相应减小A,电阻率将因晶格发生电阻率将因晶格发生变形等因素而改变变形等因素而改变, 故引起电阻值变化。故引起电阻值变化。导体受拉力后的变化：导体受拉力后的变化：LrFF2022-2-210LrFFrrLL导体受拉力后的变化：导体受拉力后的变化： 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减小横截面积相应减小A,电阻率将因晶格发生电阻率将因晶格发生变形等因素而改变变形等因素而改变, 故引起电阻值变化。故引起电阻值变化。2022-2-211dAdAldlR

5、dR其变化量为：其变化量为：ldl其中：其中： dl/l 长度相对变化量，用轴向应变长度相对变化量，用轴向应变表示：表示：rdrAdA2dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为为电阻丝的半径，电阻丝的半径， dA = 2r dr, 那么那么2022-2-212ldlrdr22dAdrAr 所以：所以：由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=为金属电阻丝的为金属电阻丝的轴向应变，轴向应变，为电阻丝材料的泊松比。为电阻丝材料的泊松比。 泊松比泊松比为

6、横向应变和纵向应变之比，亦称横向应变系数。为横向应变和纵向应变之比，亦称横向应变系数。 那么轴向应变和径向应变的关系：那么轴向应变和径向应变的关系：2022-2-213由于由于（C C由材料和加工方式决定）由材料和加工方式决定）金属导体材料的电阻率相对变化与其体积金属导体材料的电阻率相对变化与其体积应变的关系：应变的关系：21C2(1 2 )dVdldAVlA VA lVdVCd体积应变体积应变2022-2-214dAdAldlRdR由由 ：RdRRR221CmK对于金属材料对于金属材料:金属材料的应变灵敏系数金属材料的应变灵敏系数Km ：2121CKm对于金属材料存在对于金属材料存在 ：21

7、21C对于金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主对于金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主2022-2-215Ed半导体材料受到应力作用时，电阻率会发生半导体材料受到应力作用时，电阻率会发生变化，这种现象称为变化，这种现象称为“压阻效应压阻效应”。其电阻。其电阻率相对变化与率相对变化与 材料的轴向应力材料的轴向应力的关系：的关系： E : 半导体材料的弹性模量: 半导体材料在受力方向的压阻系数: 轴向线应变 弹性模量弹性模量E为纵向应力和纵向应变之比，亦称杨式模量。为纵向应力和纵向应变之比，亦称杨式模量。 压阻系数压阻系数为单位应力作用下电阻率的相对变化。为单位应力作用下电阻率的相对变化。 202

8、2-2-216dAdAldlRdR同样由同样由 ：2EsKRdRRR对于半导体材料对于半导体材料:半导体材料的应变灵敏系数半导体材料的应变灵敏系数Ks ：E21Ks对于半导体材料存在对于半导体材料存在 ：21E对于半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应对于半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应2022-2-217总结总结: 电阻相对变化有两部分引起，一部分是电阻相对变化有两部分引起，一部分是材料受力后的几何尺寸变化材料受力后的几何尺寸变化应变）；一应变）；一部分是材料受力后电阻率发生的改变。部分是材料受力后电阻率发生的改变。 金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主；金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为

9、主；半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应。半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应。通常通常很小，在应变测量中也常将之称为微应变很小，在应变测量中也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于应变最好不要大于1x10-3，即，即1000m/m，否则有可，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。能超过材料的极限强度而导致断裂。 半导体应变片突出优点是灵敏度高半导体应变片突出优点是灵敏度高, 比金属丝式比金属丝式高高5080倍倍, 尺寸小尺寸小, 横向效应小横向效应小, 动态响应好。但它动态响应好。但它有温度系数大有温度系数大

10、, 应变时非线性比较严重等缺点。应变时非线性比较严重等缺点。2022-2-2181、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器n电阻应变式传感器是基于应变电阻效应的电阻式电阻应变式传感器是基于应变电阻效应的电阻式传感器。传感器。n其基本组成部件包括：应变片，测量电路，弹性其基本组成部件包括：应变片，测量电路，弹性敏感元件等。敏感元件等。n应变片是由金属或半导体制成的应变应变片是由金属或半导体制成的应变-电阻元件。电阻元件。n当被测物理量作用在弹性元件上时当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将通过转换电路将其转

11、变成电量输出其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物电量变化的大小反映了被测物理量的大小。理量的大小。2022-2-219A 拉力传感器 B压力传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器照片）照片）2022-2-2202、应变片的基本结构、应变片的基本结构电阻应变片的结构：电阻应变片的结构：引 线覆 盖 层基 片电 阻 丝 式 敏 感 栅lb2022-2-221敏感栅是应变片的核心部分敏感栅是应变片的核心部分, , 它粘贴在绝缘它粘贴在绝缘的基片上的基片上, , 其上再粘贴起保护作用的覆盖层其上再粘贴起保护作用的覆盖层, , 两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感两端焊接引出导线。金属电阻应

12、变片的敏感栅有三种栅有三种: :n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片n金属薄金属薄( (厚厚) )膜应变片膜应变片5的曲率圆环，在载荷的曲率圆环，在载荷F作用下，作用下，A、B两点两点间的应变为：间的应变为： 式中式中h为薄壁厚度，为薄壁厚度，r为外径，为外径，b为宽度。为宽度。EbhFREbhFRBA2291. 109. 12022-2-272c悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器 应变片贴在固定端附近表面，顺梁方向上、下各贴两片，两片受压、另两片受拉，将其组成全桥差动电路。既提高输出电压灵敏度，又减小非线性误差。EbhFL262022-2-273各种悬臂梁各种悬臂梁 F

13、F固定点固定点固定点固定点电缆2022-2-274（2应变片压力传感器应变片压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化等。弹性元件多采用膜片式或筒式。内部的压力变化等。弹性元件多采用膜片式或筒式。 膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变片粘贴应变片粘贴应变变化图应变变化图2022-2-275应变片贴在膜片内壁应变片贴在膜片内壁, 在压力在压力p作用下作用下, 膜片产生径向应变膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t

14、, 表表达式分别为达式分别为: 式中式中: p膜片上均匀分布的压力膜片上均匀分布的压力; R, h膜片的半径和厚度膜片的半径和厚度; x离圆心的径向距离。离圆心的径向距离。由应力分布图可知由应力分布图可知, 膜片弹性元件承受压力膜片弹性元件承受压力p时时, 其应变变化曲线的特点为其应变变化曲线的特点为: 当当x=0时时, rmax=tmax；当；当x = R时时, t= 0, r=-2rmax ；当；当x = 时时, r=0 。 由此，在平膜片圆心处切向粘贴由此，在平膜片圆心处切向粘贴R1和和R4两应变片，在边沿处径向粘贴两应变片，在边沿处径向粘贴R2和和R3两应变片，避开两应变片，避开x =

15、 位置。位置。EhxRPr2228)3)(1 (32EhxRPt2228)(1 (323R3R2022-2-276（3应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，共安装两只。下端装有感压膜，感压膜感受上高灵敏度，共安装两只。下端装有感压膜，感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。就增大。微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R2022-2

16、-277 将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为： 式中 ， K1、K2为传感器传输系数。由于hpg表示感压膜上面液体重量，对于等截面柱式容器，有： 式中Q为容器内感压膜上面溶液重量，A为柱形容器的截面积。由此可得容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系： 结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。ghKKUUU21210AQghAQKKU2102022-2-278（4应变式加速度传感器应变式加速度传感器 适用于物体加速度的测量。适用于物体加速度的测量。 根据：根据： 将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被

17、测物体以加速度将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度出电压，即可得出加速度a值的大小。值的大小。 适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为适用范围：不适用于频

18、率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。范围。 mFa 2022-2-279三、固态压阻式传感器三、固态压阻式传感器根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。 一种粘贴式应变片一种粘贴式应变片 一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻 其优点：（其优点：（1体积小；体积小； （2灵敏度高；灵敏度高； （3分辨力高；分辨力高； （4频率响应很高；频率响应很高； （5可测量低频加速度和直线加速度。可测量低频加速度和直线加速度。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。半导体

19、材料对温度非常敏感，压阻式传感器的阻值与灵敏度系半导体材料对温度非常敏感，压阻式传感器的阻值与灵敏度系数易随温度变化产生零漂和灵敏度飘移。温度误差较大，必须数易随温度变化产生零漂和灵敏度飘移。温度误差较大，必须进行温度补偿。进行温度补偿。 2022-2-280温度补偿方法：温度补偿方法：1、高掺杂浓度、高掺杂浓度 浓度低浓度低压阻系数大、温度系数大压阻系数大、温度系数大 浓度高浓度高温度系数很小、压阻灵敏度系数低温度系数很小、压阻灵敏度系数低2、等臂扩散电阻电桥、等臂扩散电阻电桥3、串并联电阻补偿电路、串并联电阻补偿电路调零漂：调零漂： 并联电阻并联电阻R负温度系数负温度系数 串联电阻串联电阻

20、Rs正温度系数正温度系数调灵敏度温漂：调灵敏度温漂： 串联负温度特性二极管串联负温度特性二极管 VD1和和VD2一般不采用一般不采用工艺难实现工艺难实现2022-2-281压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的可以将腐蚀性的气体、液体与硅气体、液体与硅膜片膜片 隔离开来。隔离开来。2022-2-282压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路2022-2-283小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器2

21、022-2-284小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管2022-2-285投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。 2022-2-286投入式液位计外形投入式液位计外形 压阻式固压阻式固态压力传感态压力传感器器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 2022-2-287投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感投入式液位传感器安装方

22、便，适应于器安装方便，适应于深度为几米至几十米，深度为几米至几十米，且混有且混有 大大 量量 污物、污物、杂质的水或其他液体杂质的水或其他液体的液位测量。的液位测量。 2022-2-288材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 2022-2-289四、热电阻和热敏电阻四、热电阻和热敏电阻 利用电阻随温度变化而制成的传感器利用电阻随温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传感器。称为电阻式温度传感器。分为：金属热电阻和半导体热敏电阻分为：金属热电阻和半导体热敏电阻2022-2-2901、金属热电阻、金属热电阻电阻温度系数大而稳定；电阻温度系数大而稳定；电阻率要大

23、；微小的温度传感器电阻率要大；微小的温度传感器 电阻温度系数保持单值电阻温度系数保持单值,最好为常数；最好为常数；金属的物理、化学性能稳定；金属的物理、化学性能稳定；电阻电阻材料材料条件条件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。 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。

24、值与温度的变化趋势相同。2022-2-291易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 2022-2-292(a)铂电阻铂电阻 ：n铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。所以在温度传感器中得到了广泛应用。按按IEC标准标准, 铂热电阻的使用温度范围为铂热电阻的使用温度范围为-200+850。412273/1022.4/10847.5/1096847.3CCCBCA850,010 ,200100120320tBtAtRRttCtCBtAtRRtt2022-2-2932

25、022-2-294（b铜电阻铜电阻150,501320tCtBtAtRRt精度要求不高，温度较低的场合精度要求不高，温度较低的场合易氧化，体积大，但便宜易氧化，体积大，但便宜39273/10233. 1/10133. 2/1028899. 4CCCBCA2022-2-295小型铂热电阻小型铂热电阻 2022-2-296n它由电阻体、它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。接线盒等部分组成。 n电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻体由电阻丝和电阻支架组成。 电阻丝电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑

26、料支架上云母、石英或陶瓷塑料支架上, 支架起支撑支架起支撑和绝缘作用和绝缘作用, 引出线通常采用直径引出线通常采用直径1mm的的银丝或镀银铜丝银丝或镀银铜丝, 它与接线盒柱相接它与接线盒柱相接, 以便以便与外接线路相连而测量显示温度。与外接线路相连而测量显示温度。工业用热电阻结构工业用热电阻结构2022-2-2972022-2-298防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 2022-2-299n用热电阻传感器进行测温时用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常测量电路经常采用电桥电路。采用电桥电路。 而热电阻与检测仪表相隔而热电阻与检测仪表相隔一段距离一段距离, 因此热电阻的引线对测量结果有因此热电阻的引

27、线对测量结果有较大的影响。较大的影响。n热电阻引线方式有两线制、热电阻引线方式有两线制、 三线制和四线三线制和四线制三种。制三种。 n二线制中引线电阻对测量影响大二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温用于测温精度不高场合。精度不高场合。n三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。差。 n四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测用于高精度温度检测2022-2-21002022-2-2101汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传

28、感器及水温表 铜热电阻铜热电阻2022-2-2102铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器2022-2-2103可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械旋转式机械 设设定开关定开关拨码式拨码式设定开关设定开关2022-2-21042、热敏电阻、热敏电阻a) 温度特性温度特性（1负温度系数电阻负温度系数电阻NTC）（2正温度系数电阻正温度系数电阻PTC） （3临界温度系数电阻临界温度系数电阻CTC）107104OCTCPTCNTC40 80 120 160 200温度/热敏电阻的典型特性2022-2-2105b)热敏电阻的结构及符号热敏电阻的结构及符号热敏电阻主要由热敏探头

29、、引线、壳体构成。热敏电阻主要由热敏探头、引线、壳体构成。RTRT符号构造1探头；2引线；3壳体2022-2-2106c)NTC热敏电阻的特性热敏电阻的特性 R, Ro为温度为温度T(K)和和T0(K)时的电阻值时的电阻值 B热敏电阻的材料常数，热敏电阻的材料常数， 一般情况下一般情况下B=2000K6000K 温度系数温度系数:21TBdTdRR CTRRNTCTTB450,100:01102022-2-2107d)伏安特性伏安特性50mW10mW1mW502010510.20.10.05470K100K22K10K2.2K0.20.5125102050100I(mA)U功耗特性发热2022

30、-2-2108热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻2022-2-2109其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTCNTC热敏电阻热敏电阻MF58 型热敏电阻型热敏电阻2022-2-2110其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻2022-2-2111其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 贴片式贴片式NTC热热敏电阻敏电阻2022-2-2112热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻热敏电阻LCD2022-2-2113热敏电阻体温表热敏电阻体温表 2022-2-2114热敏电阻用于热敏电阻用于CP