第二章 电阻传感器

1、2020/7/5,1,第二章 电阻传感器,本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。,2020/7/5,2,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。,2020/7/5,3,一、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 。,2020/7/5,4,二、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

2、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,2020/7/5,5,微应变(),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

3、时，在工程中常表示为110-6或m/m。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应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,2020/7/5,6,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以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,2020/7/5,7,二、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

4、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。,2020/7/5,8,箔式应变片的外形,2020

5、/7/5,9,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,2020/7/5,10,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？,2020/7/5,11,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。,2020/7/5,12,2.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 。,2020/7/5,13,3.测量 ：从分开的端

6、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。,2020/7/5,14,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,2020/7/5,15,5.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。,2020/7/5,16,三、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=21011N/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

7、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。,2020/7/5,17,三、测量转换电路不平衡电桥,2020/7/5,18,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。,2020/7/5,19,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。,2020/7/5,20,双臂电桥,R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。应变片

8、R1 、R2 感受到的应变12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。,2020/7/5,21,四臂全桥,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14）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。,2020/7/5,22,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。,2020/7/5,23,

9、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。,2020/7/5,24,（一）应变式力传感器,1、应变式力传感器,F,F,F,F,2020/7/5,25,各种悬臂梁,2020/7/5,26,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,2020/7/5,27,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,2、应变式荷重传感器的外

10、形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,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。,2020/7/5,32,汽车衡,2020/7/5,33,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）,汽车衡称重系统,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？,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，

11、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F m=100103N，KF= 2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重,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？,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

12、缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,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2500N.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。,2020/7/5,44,3、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。,2020/7/5,45,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。,2020

13、/7/5,46,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,2020/7/5,47,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,2020/7/5,48,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,2020/7/5,49,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,2020/7/5,50,4、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。,2020/7/5,51,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,光柱

14、显示器,橡胶 背压管,2020/7/5,52,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。,2020/7/5,53,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。,2020/7/5,54,（二）电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999； 分辨率： 1；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120或其他阻值； 测量点数：8/16点；,2020/7/5,55,电阻应变仪（续）,右图所示的静动态

15、 应变仪技术指标： 量程：110000 频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3% 零点飘移：- /：0.1- /24小时：0.5 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）,2020/7/5,56,电阻应变仪（续）,接线端子,2020/7/5,57,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,2020/7/5,58,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,2020/7/5,59,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，

16、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。,2020/7/5,60,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 。,2020/7/5,61,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,2020/7/5,62,表2-2 热电阻的主要技术性能,2020/7/5,63,热电阻工作原理及结构,热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 热电阻、热敏电阻。 热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。

17、标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。,2020/7/5,64,热电阻的结构,电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。,2020/7/5,65,常用的热电阻 (1) 铂热电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。 按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200850。铂热电阻的特性方程为：在-2000的温度范围内,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),2020/7/5,66,(2) 铜热电阻 在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温， 它的测量范围为-

18、50150。 铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地表示为 Rt=R0（1+t） =4.2810-3/ 两种分度号：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 ,2020/7/5,67,用热电阻传感器进行测温时，测量电路经常采用电桥电路。 热电阻与检测仪表相隔一段距离，因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制三种。,2. 热电阻的测量电路,2020/7/5,68,二线制电桥测量电路,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

19、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。,2020/7/5,69,三线制电桥测量电路,热电阻R t用三根导线、引至测温电桥。其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量电桥相邻两臂的R1、R4上，引线的长度变化不影响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受环境影响而引起的测量误差。ri与激励源Ei串联，不影响电桥的平衡，可通过调节RP2来微调电桥的满量程输出电压。,结论：三线制电桥测量电路的稳定性较好， 灵敏度较高，所以我们采用第三个方案 。,2020/7/5,70,四线制恒流测量电路,由于输出电压是直接从R t两端引出的，所以激励

20、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Uo相对较小，降低了系统的分辨力。,2020/7/5,71,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,2020/7/5,72,薄膜型及普通型铂热电阻,2020/7/5,73,小型铂热电阻,2020/7/5,74,防爆型铂热电阻,2020/7/5,75,汽车用水温传感器及

21、水温表,铜热电阻,2020/7/5,76,学习查“铂热电阻分度表”,附录 铂热电阻分度表,2020/7/5,77,铂电阻温度显示、变送器,2020/7/5,78,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,2020/7/5,79,二、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 。,2020/7/5,80,下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,1 2 3 4 5,2020/7/5,81,热敏电阻

22、外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,2020/7/5,82,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,2020/7/5,83,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,2020/7/5,84,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,2020/7/5,85,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）,2020/7/5,86,非标热敏电阻,2020/7/5,87,非标热敏电阻（续）,2020/7/5,88,非标热敏电阻（续）,2020/7/

23、5,89,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,2020/7/5,90,热敏电阻体温表,2020/7/5,91,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？,2020/7/5,92,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,2020/7/5,93,热敏电阻用于电热水器的温度控制,2020/7/5,94,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

24、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。,2020/7/5,95,图2-24 MQN型气敏电阻结构及测量电路,2020/7/5,96,a）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

25、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200300，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）。,2020/7/5,97,气敏电阻外形,酒精传感器,其他可燃性气体传感器,2020/7/5,98,酒精测试仪,呼气管,2020/7/5,99,酒精传感器的选择性,2020/7/5,100,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？,2020/

26、7/5,101,家庭用煤气报警器,2020/7/5,102,家庭用液化气报警器,2020/7/5,103,一氧化碳传感器,2020/7/5,104,其他气体传感器,NH3传感器,甲烷传感器,2020/7/5,105,二、二氧化钛氧浓度传感器图2-26 TiO2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。,2020/7/5,106,二、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

27、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。,2020/7/5,107,图2-26 TiO2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 7TiO2氧敏电阻 8进气口 9引脚,2020/7/5,108,氧浓度传感器外形,可用于汽车尾气测量,2020/7/