电阻传感器 页

电阻传感器页第1页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20231第一节电阻应变式传感器

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。电阻应变式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116页，创作于2023年2月9/1/20232一、工作原理应变片的工作原理

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。第3页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20233二、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

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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，

将变大，导致R变大。实验证明，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

K—电阻应变片的灵敏度第4页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20234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=

/称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。

x通常很小，常用10-6表示之。例如，当

x为0.000001时，在工程中常表示为1

10-6或

m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。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断裂。

第5页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20235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，例如可用于电子秤的称重。第6页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20236二、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。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、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。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。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，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。第7页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20237箔式应变片的外形第8页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20238半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构第9页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/20239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10页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202310应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

第11页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202311

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第12页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202312

3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第13页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202313

4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

第14页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202314

5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

第15页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202315三、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。例如，有一金属箔式应变片，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。下面分析该桥式测量转换电路是如何将

R/R转换为输出电压Uo的。

第16页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202316三、测量转换电路——不平衡电桥

第17页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202317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是用于减小调节范围的限流电阻。

第18页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202318单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。第19页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202319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20页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202320四臂全桥

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，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。第21页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202321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，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。第22页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202322四、应变效应的应用

应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。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23页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202323应变式力传感器

应变式力传感器

FFFF第24页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202324各种悬臂梁

第25页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202325各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆第26页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202326应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

第27页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202327应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4第28页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202328应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第29页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202329应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF第30页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202330荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

第31页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202331汽车衡第32页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202332汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）第33页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202333汽车衡称重系统第34页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202334荷重传感器计算公式

当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？第35页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202335荷重传感器应用估算

例2-2现用图2-8所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。解

从图2-8所示的荷重传感器铭牌上得到Fm=100

103N，KF=2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重

第36页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202336荷重传感器应用估算

在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。

汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？

第37页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202337荷重传感器用于构件的称重

荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆第38页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202338电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示第39页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202339电子天平电子天平的精度可达十万分之一第40页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202340人体秤

第41页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202341吊钩秤

便携式第42页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202342应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。第43页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202343压阻式固态压力传感器

利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

第44页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202344压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

第45页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202345压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路第46页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202346小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器第47页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202347小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器第48页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202348小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管第49页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202349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，并用硅油传导压力而与液体相通。

第50页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202350投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器

光柱显示器

橡胶背压管

第51页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202351

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

第52页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202352投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压

p1=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（

g）

例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。第53页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202353电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με；分辨率：1με；电桥电压：直流2.5V；

应变片：120Ω或其他阻值；测量点数：8/16点；第54页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202354电阻应变仪（续）右图所示的静动态应变仪技术指标：量程：1±10000με频率范围：0-150kHz平衡方式：手动精度：0.3%零点飘移：

-/℃：±0.1με

-/24小时：±0.5με灵敏度变化：

-/℃：±0.05%

-/24小时：±0.3%信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）第55页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202355电阻应变仪（续）接线端子第56页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202356与计算机接口的多路电阻应变测量模块

第57页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202357材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

第58页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202358第一节作业P38，2、3第59页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202359第二章：第二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。第60页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202360

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484

。

第61页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202361易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

第62页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202362表2-2热电阻的主要技术性能

第63页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202363图2-21

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64页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202364薄膜型及普通型铂热电阻

第65页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202365小型铂热电阻

第66页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202366防爆型铂热电阻

第67页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202367汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻第68页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202368学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表

第69页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202369铂电阻温度显示、变送器第70页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202370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71页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202371二、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：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；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。第72页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202372下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？12345第73页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202373热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻第74页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202374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75页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202375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76页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202376其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻第77页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202377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78页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202378非标热敏电阻第79页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202379非标热敏电阻（续）

第80页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202380非标热敏电阻（续）

第81页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202381热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD第82页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202382热敏电阻体温表

第83页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202383热敏电阻体温表的调试、标定方法

调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？如何检验表面刻度中其他各点是否准确？具体步骤如何进行？

第84页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202384热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）第85页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202385热敏电阻用于电热水器的温度控制

第86页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202386第二章：第三节气敏电阻

气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。

一、还原性气体传感器

所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。

第87页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202387图2-24MQN型气敏电阻结构及测量电路第88页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202388a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源

MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。

气敏电阻工作时必须加热到200

300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。

第89页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202389气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器第90页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202390酒精测试仪呼气管第91页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202391酒精传感器的选择性第92页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202392

气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？请说明非线性特性对浓度超限报警是否有利，为什么？第93页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202393家庭用煤气报警器第94页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202394家庭用液化气报警器第95页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202395一氧化碳传感器第96页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202396其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器第97页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202397二、二氧化钛氧浓度传感器图2-26TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路

a）结构

b）测量转换电路

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

第98页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202398二、二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

图2-26是用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。

在图b中，与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt

起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。

第99页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/202399图2-26TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路

1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚

第100页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/2023100氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量第101页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/2023101汽车尾气分析第102页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/2023102有毒气体传感器的使用第103页，课件共116页，创作于2023年2月9/1/2023103第四节湿敏电阻传感器

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