检测技术与智能仪表设计第三专题

检测技术与智能仪表设计第三专题2023/8/211第1页，课件共80页，创作于2023年2月

电阻应变传感器

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。第2页，课件共80页，创作于2023年2月

我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω。第3页，课件共80页，创作于2023年2月一、应变原理演示

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。第4页，课件共80页，创作于2023年2月二、应变片的工作原理

设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，它的电阻值R可表示为

K—电阻应变片的灵敏度当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中

、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。当金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；某些半导体受拉时，

将变大，导致R变大。电阻丝及应变片的电阻相对变化量

R

R与材料力学中的轴向应变

x的关系在很大范围内是线性的，即

第5页，课件共80页，创作于2023年2月微应变(με)

对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率

会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，

x=

l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。

x通常很小。例如，当

x为0.000001（10-6）时，在工程中常表示为1

m/m或1微应变(1με)。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1

10-3，即1000

m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。

第6页，课件共80页，创作于2023年2月应变片用于测量力F的计算公式由材料力学可知，

x=F/(AE)，所以

R/R又可表示为

如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出

R/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小，可用于电子秤的称重和测量拉力等。第7页，课件共80页，创作于2023年2月二、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各种应变式传感器中。第8页，课件共80页，创作于2023年2月金属丝式应变片的结构第9页，课件共80页，创作于2023年2月半导体应变片半导体应变片的主要优点是灵敏度高；缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。

第10页，课件共80页，创作于2023年2月箔式应变片的外形第11页，课件共80页，创作于2023年2月应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

第12页，课件共80页，创作于2023年2月三、测量转换电路——不平衡电桥

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100

，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2

。

所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将

R/R转换为输出电压Uo。

第13页，课件共80页，创作于2023年2月为什么要使用不平衡电桥

把对某物理量的电阻敏感材料加工成传感器，作为电桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个在很大的基值上附加的一个很小的信号是很困难的。利用电桥可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，并且可以通放大电路来增大灵敏度。第14页，课件共80页，创作于2023年2月什么是电桥

不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo

。b、d的对地电压相等时称作“电桥平衡”；反之，称作“电桥不平衡”。

电桥平衡的条件是：上下桥臂的左右位置电阻比例相等。第15页，课件共80页，创作于2023年2月三、测量转换电路——不平衡电桥

由电工学可知：若桥路4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路的输出电压反而相互叠加。第16页，课件共80页，创作于2023年2月电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

调节RP

，最终可以使R1

/R2

=R4/R3（R1

、R2

是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5的作用是什么？又称为

电阻？

第17页，课件共80页，创作于2023年2月单臂电桥单臂半桥的灵敏度最低。计算公式第18页，课件共80页，创作于2023年2月双臂电桥

R1、

R2为应变片，

R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变

1、

2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。第19页，课件共80页，创作于2023年2月四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变

1~

4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。

上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高?哪一种灵敏度最低?

第20页，课件共80页，创作于2023年2月全桥的温度补偿原理

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂最小；请说出半桥克服温漂的原理！采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。第21页，课件共80页，创作于2023年2月四、应变效应的应用

电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；

第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

第22页，课件共80页，创作于2023年2月应变式力传感器

S型力传感器

FFFF第23页，课件共80页，创作于2023年2月各种悬臂梁

第24页，课件共80页，创作于2023年2月各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆第25页，课件共80页，创作于2023年2月应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形第26页，课件共80页，创作于2023年2月荷重传感器原理演示贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变长。第27页，课件共80页，创作于2023年2月汽车衡测量装货量或判断超载第28页，课件共80页，创作于2023年2月汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）第29页，课件共80页，创作于2023年2月电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示第30页，课件共80页，创作于2023年2月电子天平电子天平的精度可达十万分之一第31页，课件共80页，创作于2023年2月人体秤

怎样改造，才能适合盲人使用？第32页，课件共80页，创作于2023年2月吊钩秤

便携式如何将信号传送到计算机中？第33页，课件共80页，创作于2023年2月电子秤中的各类弹性元件

第34页，课件共80页，创作于2023年2月材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

第35页，课件共80页，创作于2023年2月材料应变的测量（续）预应力管桩的质量检验：工作人员正在贴应变片

应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固定第36页，课件共80页，创作于2023年2月第三节测温热电阻传感器

一、金属热电阻

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，即电阻值与温度的变化趋势相同。测温热电阻可分为金属和半导体两大类。第37页，课件共80页，创作于2023年2月金属丝电阻随温度增高而变大的演示

我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω，如图2-4所示。第38页，课件共80页，创作于2023年2月易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

请挑选适合于制作热电阻的金属材料第39页，课件共80页，创作于2023年2月金属热电阻材料的主要技术性能

第40页，课件共80页，创作于2023年2月薄膜式及装配式铂热电阻

第41页，课件共80页，创作于2023年2月小型铂热电阻

第42页，课件共80页，创作于2023年2月汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻第43页，课件共80页，创作于2023年2月学习查“铂热电阻分度表”请判断铂热电阻是否线性第44页，课件共80页，创作于2023年2月铂电阻温度显示、变送器上下限设定键上限下限上上限下下限测量值第45页，课件共80页，创作于2023年2月可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关拨码式设定开关第46页，课件共80页，创作于2023年2月热电阻的测量转换电路1－连接电缆二线制单臂电桥测量电路2023/8/2147第47页，课件共80页，创作于2023年2月热电阻的测量转换电路二线制电桥测量电路的缺点：（1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失去了平衡，需重新调零。（2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样，阻值也会升高，叠加在Rt的变化上，引起测量误差，且无法纠正。2023/8/2148第48页，课件共80页，创作于2023年2月四线制电桥测量电路的缺点：由于输出电压是直接从Rt两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。四线制测量电路的缺点是：A/D转换器得到的电压中，本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的ΔUo相对较小，降低了系统的分辨力。3－恒流源2023/8/2149第49页，课件共80页，创作于2023年2月热电阻的测量转换电路三线制单臂电桥测量电路2－屏蔽层RP1－调零电位器RP2－调满度电位器2023/8/2150第50页，课件共80页，创作于2023年2月二、热敏电阻

热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。

NTC又可分为两大类：第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于控制温度。第51页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻的外形、结构及符号

a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

第52页，课件共80页，创作于2023年2月PTC热敏电阻

PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元件。恒温加热PTC热敏电阻第53页，课件共80页，创作于2023年2月下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？第54页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第55页，课件共80页，创作于2023年2月其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻第56页，课件共80页，创作于2023年2月其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻第57页，课件共80页，创作于2023年2月其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻第58页，课件共80页，创作于2023年2月其他形式的热敏电阻（续）

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）第59页，课件共80页，创作于2023年2月非标热敏电阻第60页，课件共80页，创作于2023年2月非标热敏电阻（续）

第61页，课件共80页，创作于2023年2月非标热敏电阻（续）

第62页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD第63页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻体温表

第64页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）第65页，课件共80页，创作于2023年2月热敏电阻用于电热水器的温度控制

第66页，课件共80页，创作于2023年2月第五节湿敏电阻传感器

许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的相对湿度保持在60%～70%；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。湿度有绝对湿度和相对湿度之分。在这一节里，卡卡给大家介绍测量相对湿度的湿敏电阻传感器特性及其应用。2023/8/2167第67页，课件共80页，创作于2023年2月绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。

相对湿度（RH％）：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。

湿敏电阻的原理：水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。

2023/8/2168第68页，课件共80页，创作于2023年2月湿度传感器的分类

2023/8/2169第69页，课件