第二章电阻式传感器

1、1 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。 常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。 电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高，有的还适合于动态测量。 第二章 电阻式传感器电阻应变片式传感器是一种电阻式传感器。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元器件上，加上相应的测量电路后就构成电阻应变片式传感器。这种传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定可靠、易于自动化、多点同步测量、远距离测量和遥测等特点，并且测量的灵敏度、精度和速度都很高。利用电阻应变片式传感器可测量力、位移、加速度和形变等参数。第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传

2、感器3 一、 应变片与应变效应 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器将被测量转换为电量输出的一种传感器 1电阻应变效应 导体、半导体材料在外力作用下发生机械形变，导致其电阻值发生变化的物理现象称为电阻应变效应 实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化R/R与应变是成正比，即xRKR二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构1.1.金属电阻应变片金属电阻应变片 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻值被测对象受力变形时，应变片

3、也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。化。2.2.半导体应变片半导体应变片体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型导体应变片导体应变片7三、测量转换电路 机械应变一般在10 3 000 之间，而应变灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化，最常用的电路为直流电桥和交流电桥。 8（1）直流电桥电路 直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中a、c两端接直流电压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电压为Uo。在测量前，取R1R3 = R2R4

4、，输出电压为Uo=0。 9（1）直流电桥电路 当桥臂电阻发生变化，且RiRi，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为 312124oi2123412()()RR RRRRUURRRRRR10（1）直流电桥电路 一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R， 3i124o1234()4RURRRURRRR11（2）电桥工作方式 半桥单臂工作方式 半桥双臂工作方式 全桥4臂工作方式 12（3）电桥的线路补偿 零点补偿要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U00）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进

5、行调节补偿。 13 温度补偿电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类。 在只有一个应变片工作的桥路中，可用补偿片法。在另一块和被测试件结构材料相同而不受应力的补偿块上贴上和工作片规格完全相同的补偿片，使补偿块和被测试件处于相同的温度环境，工作片和补偿片分别接入电桥的相邻两臂如图所示。补偿片法的优点是简单、方便，在常温下补偿效果比较好。缺点是温度变化梯度较大时，比较难以掌握。当测量桥路处于双臂半桥和全桥工作方式时，电桥相邻两臂受温度影响，同时产生大小相等、符号相同的电阻增量而互相抵消，从而达到桥路温度自补偿的目的。 四、四、电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用（一）测

6、力与称重传感器（一）测力与称重传感器（二）压力传感器（二）压力传感器 补偿片补偿片工作片工作片膜片膜片应变片应变片插座插座（三）加速度传感器（三）加速度传感器质质量量块块应应变变梁梁应应变变片片阻阻尼尼液液密密封封垫垫接接线线板板底座底座（四）位移传感器（四）位移传感器弹簧弹簧插头座插头座应变片应变片等宽悬臂梁等宽悬臂梁调整螺钉调整螺钉顶杆顶杆第二节第二节 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器 热电阻传感器热电阻传感器分类：分类：金属热电阻金属热电阻=热电阻热电阻半导体热电阻半导体热电阻=热敏电阻热敏电阻 热电阻传感器热电阻传感器-利用利用导体或半导体导体或半导体的的电阻值随电阻值随温度变化温

7、度变化而变的物理现象进行温度检测。而变的物理现象进行温度检测。 一、热电阻一、热电阻 优点：优点： （1 1）电阻）电阻- -温度变化具有良好的线性关系；温度变化具有良好的线性关系； （2 2）电阻温度系数大，故测量精度高；）电阻温度系数大，故测量精度高； （3 3）热容量小，反应速度快；）热容量小，反应速度快； （4 4）有较大的测量范围；）有较大的测量范围；200200500500； （5 5）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格较低。较低。 （5 5）易于使用在自动测量和远距离测量中。）易于使用在自动测量和远距离测量中。（一）铂电阻（一）铂电

8、阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所所以在温度传感器中得到了广泛应用。以在温度传感器中得到了广泛应用。 铂热电阻的特性方程：铂热电阻的特性方程： 在在0650的温度范围内的温度范围内: 在在-2000的温度范围内的温度范围内:32020)100(11ttCBtAtRRBtAtRRttR Rt t和和R R0 0分别为分别为tt和和00时铂电阻值时铂电阻值; A; A、 B B和和C C为常数。为常数。 目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两两种种, 它们的分度号分别为它们的分度号分别为Pt1

9、0和和Pt100, 其中以其中以Pt100为常用。为常用。 不同分度号有相应分度表不同分度号有相应分度表, 即即Rt-t 的关系表。的关系表。 实际测量中实际测量中, 只要测得热电阻的阻值只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从便可从分度表分度表上上查出对应的温度值。查出对应的温度值。 铂电阻丝铂电阻丝 银引出线银引出线骨架骨架铂热电阻铂热电阻P Pt100t100分度表分度表 （二）铜电阻（二）铜电阻 由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属, 在一些测量精度要求不高且温度在一些测量精度要求不高且温度较低的场合较低的场合, 可采用铜热电阻测温可采用铜热电阻测温, 测量范围测量范围-50+150。 铜热电阻

10、在测量范围内电阻值与温度的关系铜热电阻在测量范围内电阻值与温度的关系: 为铜热电阻的电阻温度系数，铜热电组的有两种分为铜热电阻的电阻温度系数，铜热电组的有两种分度号度号 Cu50(R0=50)和和Cu100（R100=100）。）。 tRRt10铜电阻丝铜电阻丝 骨架骨架铜引出线铜引出线 铜热电阻线性好铜热电阻线性好, ,测温范围小，测温范围小， 价格便宜价格便宜, , 易氧化易氧化, , 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。 铂热电阻线性好，测温范围较大，价格昂贵，不宜氧铂热电阻线性好，测温范围较大，价格昂贵，不宜氧化，在腐蚀性介质或较高温度下可以工作。化，在腐蚀

11、性介质或较高温度下可以工作。热电阻的外形结构热电阻的外形结构 接线盒接线盒 热电阻热电阻固定螺纹固定螺纹 引线方式有两线制、引线方式有两线制、 三线制和四线制三线制和四线制, , 二线制引线电阻对二线制引线电阻对测量影响大测量影响大, , 精度低。三线制可以减小连接导线电阻因温度变精度低。三线制可以减小连接导线电阻因温度变化所引起的测量误差。化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除误差。四线制可以完全消除误差。242 热电阻的测量电路 最常用的热电阻测温电路是电桥电路 普通测量 精密测量25普通测量26精密测量273 热电阻的应用 （1）温度测量 （2）流量测量 金属热电阻传感器作温度测量的主

12、要特点是精度高，适用于测低温（测高温时常用热电偶传感器），便于远距离、多点、集中测量和自动控制。 28（1）温度测量 利用热电阻的高灵敏度进行液体、气体、固体、固熔体等方面的温度测量，是热电阻的主要应用。工业测量中常用3线制接法，标准或实验室精密测量中常用4线制。 29（2）流量测量 热电阻上的热量消耗和介质流速的关系还可以测量流量、流速、风速等 30第三节 其他电阻式传感器 1热敏电阻传感器 2 气敏电阻传感器 3.湿敏电阻传感器 312.3.1热敏电阻传感器 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。相对于一般的金属热电阻而言，它主要具备如下特点：（1）电阻温度系数大，灵敏度高，比一般金属电阻

13、大10100倍。（2）结构简单，体积小，可以测量点温度。（3）电阻率高，热惯性小，适宜动态测量。（4）阻值与温度变化呈非线性关系。（5）稳定性和互换性较差。32 1.热敏电阻结构。33MF12型型 NTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装热敏聚脂塑料封装热敏电阻电阻342.3.2 气敏电阻传感器 是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测待定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。 气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。 35气敏电阻的特性 气敏电阻的材料是金属氧化物 金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示

14、气敏特性 N型半导体 氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等 P型半导体 氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等36气敏电阻的特性 N型半导体遇到还原性气体（即可燃性气体，如一氧化碳、氢、甲烷、有机溶剂等）后，发生还原反应，电子从气体分子向半导体移动，半导体中载流子浓度增加，导电性能增强，电阻减小 P型半导体遇到氧化性气体（如氧、三氧化硫、等）后，发生氧化反应，半导体中载流子浓度减少，导电性能减弱，电阻增大 混合型材料无论吸附氧化性气体还是还原性气体，都将使载流子浓度减少，电阻增大37气敏传感器的种类主要物理属性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式电阻表面控制型氧化银、氧化锌室温450可燃气体体控制型氧化

15、钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡700以上酒精、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管 整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温200氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管150氢气、硫化氢38气敏元件的基本测量电路2 气敏元件输出电压与温度的关系 39气敏电阻元件的种类 （1）烧结型气敏元件 （2）薄膜型气敏元件 （3）厚膜型气敏元件气敏气敏电阻的应用电阻的应用（一）气敏电阻检漏报警器（一）气敏电阻检漏报警器预热预热开关开关工作工作开关开关气敏电阻气敏输出电压气敏输出电压 检出可燃气体时，气敏检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压增大，电阻减小，电压增大，V1V1触触发发V2V2，报警灯亮，

16、音频振荡，报警灯亮，音频振荡电路也自激振荡声音报警。电路也自激振荡声音报警。（二）矿灯瓦斯报警器（二）矿灯瓦斯报警器加加热热支支路路测量支路测量支路矿矿灯灯控控制制支支路路 检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1V1、V2V2导通，导通，V3V3、V4V4振荡，报警灯闪烁。振荡，报警灯闪烁。（三）一氧化碳报警器（三）一氧化碳报警器 检出检出COCO气体时，气敏电阻气体时，气敏电阻R RQ Q减小，减小，V5V5、V6V6、V7V7导通，振荡电路振荡，声音报警。导通，振荡电路振荡，声音报警。 +10V +10V以上以上 - -+ +5V5V加加热热支支路路 备用电源备用

17、电源 湿敏电阻湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致其是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致其电阻率变化的特性制成的电阻元件。电阻率变化的特性制成的电阻元件。 湿度湿度是指大气中的水蒸气含量是指大气中的水蒸气含量, , 通常采用绝对湿度和通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。相对湿度两种表示方法。 2.3.32.3.3 湿敏电阻湿敏电阻 绝对湿度绝对湿度是指单位空间中所是指单位空间中所含水蒸气的绝对含量含水蒸气的绝对含量, , 一般用符一般用符号号AHAH表示。表示。相对湿度相对湿度是指被测气是指被测气体中蒸气压和该气体在相同温度体中蒸气压和该气体在相同温度下饱和水蒸气压的百分比下饱和水蒸气压的百分比, , 一般一般用符号用符号RHRH表示，是一个无量纲的表示，是一个无量纲的量。量。 在实际使用中多使用在实际使用中多使用相对湿度相对湿度这一概念。这一概念。电阻电阻- -湿度湿度特性曲线特性曲线 一、陶瓷一、陶瓷 湿敏元件湿敏元件 感湿陶瓷感湿陶瓷MgCrMgCr2 2O O4 4- -TiOTiO2 2 加热器加热器 加热器加热器二氧化钌电极二氧化钌电极引出线引出线ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3