傳感器及其應(yīng)用第二章

復(fù)習(xí)上次課內(nèi)容一、畫出電阻、電容、電感的電路符號(hào)圖及相應(yīng)的字母表示、國際單位及符號(hào)，畫出二極管、三極管、變壓器、放大器的電路符號(hào)圖。二、衡量傳感器性能好壞的特性有哪兩種？三、靜態(tài)特性有哪幾個(gè)主要性能指標(biāo)？四、簡述靈敏度的定義，其公式是什么？第二章電阻式傳感器

§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

§2.2壓阻式傳感器

§2.3電位器式傳感器

§2.4熱電阻傳感器

§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料二、電阻應(yīng)變片的工作原理三、電阻應(yīng)變片的工作特性及參數(shù)四、電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路五、電阻應(yīng)變片的應(yīng)用§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是目前工程測力傳感器中應(yīng)用最普遍的一種傳感器，它測量精度高，范圍廣，頻率響應(yīng)特性較好，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，易實(shí)現(xiàn)小型化，并能在高溫、強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境下使用，并且工藝性好，價(jià)格低廉。它主要應(yīng)用在力作用下，將材料應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓瑥亩鴮?shí)現(xiàn)力值的測量。組成電阻應(yīng)變片的材料一般為金屬或半導(dǎo)體材料?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理：利用電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）將應(yīng)變（ε）轉(zhuǎn)換為電阻變化（ΔR）的傳感器結(jié)構(gòu)：通過在彈性元件（敏感元件）上粘貼電阻應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，由敏感柵1、基底2和蓋層3、引線4和黏結(jié)劑幾個(gè)基本部分組成?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料根據(jù)敏感柵材料的不同，應(yīng)變片分為：金屬電阻應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片各種應(yīng)變片力傳感器上的應(yīng)變片§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料金屬電阻應(yīng)變片，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式分：絲式、箔式、薄膜式。絲式應(yīng)變片a）箔式單向應(yīng)變片（b）箔式轉(zhuǎn)矩應(yīng)變片（c）箔式壓力應(yīng)變片（d）箔式花狀應(yīng)變片

各種箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片因其一系列優(yōu)點(diǎn)而將逐漸取代絲式應(yīng)變片，并占主要地位?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料半導(dǎo)體應(yīng)變片分為：體型半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片、擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理：在一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

二、電阻應(yīng)變片的工作原理１、電阻應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化，這一物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。什么叫做應(yīng)變

應(yīng)變是指物體形變的比值：

ε＝ΔL／LFLΔLF電阻應(yīng)變片根據(jù)應(yīng)變效應(yīng)制成，它將物體的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，用來測量微小的機(jī)械形變。２、電阻應(yīng)變片的工作原理

由物理學(xué)可知，電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率、導(dǎo)體長度及截面積存在如下關(guān)系電阻絲應(yīng)變效應(yīng)Ｋ＝（ΔR／Ｒ)／(ΔL／L)=（ΔR／Ｒ)／ε２、電阻應(yīng)變片的工作原理

通過彈性敏感元件，可以將位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，從而可用應(yīng)變片測量上述各量，做成各種傳感器。當(dāng)被測對(duì)象受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，這樣就能直接測量被測對(duì)象的應(yīng)變。Ｋ＝

（ΔR／Ｒ)／ε§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

三、電阻應(yīng)變片的工作特性及參數(shù)１、靈敏系數(shù)Ｋ５、遲滯２、電阻值６、零漂與蠕變３、最大工作電流７、應(yīng)變極限４、橫向效應(yīng)８、溫度誤差§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

四、電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用萬用表電阻擋測量其電阻的變化十分困難，且誤差很大。常采用電橋電路，將應(yīng)變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為易測量的電壓或電流信號(hào)。電橋按激勵(lì)電源的不同，可分為：直流電橋和交流電橋?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

四、電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路１、電橋的工作原理（直流電橋）電橋平衡時(shí)，即，只要

。一般我們?nèi)〖纯蓪?shí)現(xiàn)?，F(xiàn)將換成電阻應(yīng)變片，即組成半橋單臂電橋，隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓瘯r(shí)，一般，可忽略，由此可得可見，輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系，也即和應(yīng)變成線性關(guān)系，由此即可測出力值，半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度為了提高輸出電壓靈敏度，可以采用差動(dòng)半橋或并動(dòng)全橋電路§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

四、電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路２、電橋的連接方式

差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋即差動(dòng)半橋可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍，而差動(dòng)全橋電路電壓靈敏度又比差動(dòng)半橋電壓靈敏度提高一倍?？梢?，利用差動(dòng)全橋，并提高供電電壓E，可提高靈敏度系數(shù)?！?.1電阻應(yīng)變式傳感器

四、電阻應(yīng)變片的測量轉(zhuǎn)換電路３、調(diào)零電路即使在未受力的時(shí)候，橋路的輸出也不一定為零，因此必須設(shè)置調(diào)零電路。用一可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)零。提問：為什么要調(diào)零？§2.1電阻應(yīng)變式傳感器

五、電阻應(yīng)變片的應(yīng)用１、應(yīng)變測量（

ε

）→ΔＲ→Ｕ或Ｉ２、力的測量（F）→ΔＲ→Ｕ或Ｉ彈性元件的形式：柱形、環(huán)形、梁形３、加速度的測量（a）→Ｆ→ΔＲ→Ｕ或Ｉ４、測量扭矩（T）

→ΔＲ→Ｕ或Ｉ崇明躍進(jìn)橋檢測——布置應(yīng)變片橋梁加載，檢測橋梁的應(yīng)變測量電路——電橋應(yīng)變片（R2、R3）應(yīng)變片（R1、R4）懸臂梁的上、下表面各粘貼2片應(yīng)變片，它們的電阻值相同。R1R2R3R4UR1＝R2＝

R3

＝

R4

R1R2R3R4UUAUB當(dāng)懸臂梁受力時(shí)，梁的上表面伸長，R1、R4電阻值增大；梁的下表面壓縮，R2、R3電阻值減小。此時(shí)UA＜UB，電橋失去平衡，輸出與壓力成正比的電壓。

小小大大FR2R3R1R4R2R3R1R4R1＝R2＝

R3＝

R4

R=ρ·L／S懸臂梁受力后產(chǎn)生形變，應(yīng)變片將懸臂梁的形變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，并以電壓形式輸出。

FR2R3R1R4R1R2R3R4U力傳感器的測量過程力形變形變電阻值變化電阻值變化電壓變化應(yīng)變片電阻絲保護(hù)層絕緣基片受力方向上面兩只應(yīng)變片下面兩只應(yīng)變片固定端受力端在懸臂梁的兩個(gè)側(cè)面各粘貼2片電阻應(yīng)變片電子計(jì)價(jià)秤懸臂梁應(yīng)變片固定端敏感元件人體秤中的

傳感器應(yīng)變片

固定端

懸臂梁

應(yīng)變片的應(yīng)用荷重傳感器測量汽車載重練習(xí)題

1.傳感器是由________、_________和轉(zhuǎn)換電路三部分組成的。2.傳感器的靜態(tài)特性包括________、________、_______、測量范圍、誤差特性等。3.電阻式應(yīng)變傳感器的敏感元件是__________、轉(zhuǎn)換元件是_________,轉(zhuǎn)換電路是__________。4.應(yīng)變片按材料的不同分為_________和_______。5.電阻應(yīng)變片的工作原理是基于_______效應(yīng)，半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于_______效應(yīng)。練習(xí)題

6.電源按激勵(lì)方式不同，分為_______和_______。7.電橋分為_________和_________。8.直流電橋分為________、________和_______。

9.電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理：利用_________將__________轉(zhuǎn)換為_________的傳感器。10.電阻式應(yīng)變傳感器可用于測量_____、_____、_______和扭矩等物理量?！?.2壓阻式傳感器

一、壓阻式傳感器基本原理二、壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)三、壓阻式傳感器的應(yīng)用§2.2壓阻式傳感器（型號(hào)）

水壓力傳感器液壓、氣壓、油壓傳感器§2.2壓阻式傳感器

一、壓阻式傳感器基本原理

壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制成。壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力（σ）作用時(shí)，其電阻率（ρ）會(huì)發(fā)生變化。

ΔＲ∕Ｒ＝Δρ∕ρ＝πＬσ＝πＬＥε半導(dǎo)體材料：Ｋ＝(ΔＲ∕Ｒ)∕ε＝πＬＥ§2.2壓阻式傳感器

二、壓阻式傳感器類型與特點(diǎn)類型：體型、薄膜型、擴(kuò)散型優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，測量元件尺寸小，頻率響應(yīng)高，橫向效應(yīng)小。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，非線性誤差大?！?.2壓阻式傳感器

三、壓阻式傳感器的應(yīng)用半導(dǎo)體應(yīng)變片：用硅、鍺等材料做成的應(yīng)用：壓阻式壓力傳感器（測壓力），可用于測量心血管、顱內(nèi)、尿道、眼球內(nèi)等的壓力?！?.3電位器式傳感器§2.3電位器式傳感器一、電位器的概念和分類1、概念：是一種可調(diào)的電子元件2、結(jié)構(gòu)：電阻體、轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)（觸點(diǎn)）3、工作原理：將直線位移、角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定關(guān)系的電阻或電壓輸出§2.3電位器式傳感器一、電位器的概念和分類

4、分類：按電阻體材料：線繞式、非線繞式按調(diào)節(jié)方式：旋轉(zhuǎn)式、推拉式、直滑式按電阻值變化規(guī)律：直線式、指數(shù)式、對(duì)數(shù)式按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：單圈、多圈、單聯(lián)、多聯(lián)等§2.3電位器式傳感器二、電位器的空載特性處于空載狀態(tài)：是線性的三、電位器的負(fù)載特性處于有載狀態(tài)：是非線性的其測量轉(zhuǎn)換電路，一般采用電阻分壓電路（串聯(lián)）§2.3電位器式傳感器四、在電動(dòng)閥門控制器中的應(yīng)用工作原理：閥門開關(guān)位置改變的同時(shí)，經(jīng)過齒條板帶動(dòng)電位器傳感器旋轉(zhuǎn)，就把閥門開度位置轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)反饋給控制電路板?？刂齐娐钒灏验y門開度位置信號(hào)與給定的控制信號(hào)進(jìn)行比較，控制電機(jī)正向或反向運(yùn)動(dòng)，再經(jīng)過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變閥門的開度位置。如此組成閉環(huán)系統(tǒng)，使閥門穩(wěn)定在所需位置上?！?.4熱電阻式傳感器

工作原理：熱電阻溫度傳感器是利用物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的特性來進(jìn)行溫度測量的，當(dāng)溫度變化時(shí)，熱電阻的電阻值隨溫度變化而變化。用轉(zhuǎn)換電路可將變化的電阻值轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，從而得到被測溫度。按材料不同分：金屬熱電阻（熱電阻）半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）一、熱電阻（熱電偶傳感器）1、常用的金屬熱電阻材料：鉑、銅、鎳、銦、錳、鐵等國際上實(shí)用溫標(biāo)把鉑作為標(biāo)準(zhǔn)，測量－50℃~150℃的溫度常使用銅作為熱電阻傳感器。一、熱電阻（熱電偶傳感器）2、熱電阻的基本參數(shù)①標(biāo)稱電阻（R0）：熱電阻在0℃時(shí)的電阻值

②溫度測量范圍及允許偏差范圍③熱響應(yīng)時(shí)間

④額定工作電流：熱電阻連續(xù)工作所允許通過的最大電流，一般為2~5mA

⑤分度表與分度號(hào)：分度表是指以表格形式表示熱電阻的電阻－溫度對(duì)照表。分度號(hào)是指分度表的代號(hào)，一般用熱電阻金屬材料的化學(xué)符號(hào)和0℃時(shí)的電阻值表示。

如Pt100，表示金屬材料為鉑，標(biāo)稱電阻為100Ω一、熱電阻（熱電偶傳感器）3、熱電阻的溫度特性指熱電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系，呈非線性。

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)Rt：t

℃時(shí)的電阻值R0：0

℃時(shí)的電阻值

4、普通工業(yè)用熱電阻傳感器的基本結(jié)構(gòu)外形如下圖一、熱電阻（熱電偶傳感器）溫度傳感器溫度傳感器中的熱電阻由鉑金屬制成。傳感器的金屬管內(nèi)充滿導(dǎo)熱硅脂，便于外界溫度通過金屬管傳遞到鉑電阻。鉑電阻一、熱電阻（熱電偶傳感器）常用熱電阻傳感器：Pt100和Cu50結(jié)構(gòu)：將金屬電阻絲繞在云母片上，并使其長度調(diào)節(jié)為0℃時(shí)電阻值，為固定值。電阻絲常采用雙線并繞，制成無感電阻。外加保護(hù)套管保護(hù)熱電阻。5、熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路及其應(yīng)用

①測量轉(zhuǎn)換電路：電橋電路（熱電阻的三線連接法）

②非線性校正：串聯(lián)熱敏電阻；計(jì)算機(jī)軟件編程；專用集成IC；正反饋網(wǎng)絡(luò)的非線性放大電路

③應(yīng)用：工業(yè)生產(chǎn)中測量溫度二、熱敏電阻一、熱敏電阻材料：半導(dǎo)體材料制成的，通常采用重金屬錳、鈦、鈷的氧化物，在高溫下燒結(jié)混合而成二、熱敏電阻特性：是一種新型的半導(dǎo)體測溫元件，其電阻值隨溫度的變化而變化三、熱敏電阻特點(diǎn)：靈敏度高，比金屬電阻大很多；阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系；結(jié)構(gòu)簡單；體積小等四、熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）：T↑，R↑負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）：T↑，R↓臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）：T變化，R急劇變化各類熱敏電阻的特性曲線

熱敏電阻分類：負(fù)溫度系數(shù)

NTC

用于測溫、補(bǔ)償正溫度系數(shù)

PTC

用于特定溫度的檢測和控制臨界溫度

CTR

用于特定溫度的檢測和控制二、熱敏電阻五、應(yīng)用：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用：適合測量溫度變化范圍較小的場合，靈敏度很高。常應(yīng)用于溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流、溫度測量、溫度控制（空調(diào)、冰箱、熱水器、節(jié)能燈、國防及科技等領(lǐng)域）正溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用：溫度補(bǔ)償、溫度測量、溫度開關(guān)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻應(yīng)用：溫度開關(guān)熱敏電阻溫控器溫度開關(guān)熱敏電阻溫度變化電阻值變化熱敏電阻熱敏油墨熱敏燈罩記憶合金對(duì)溫度敏感的材料

熱敏電阻電冰箱的控制器

電壓力鍋電腦型微波爐電腦型電飯鍋熱敏電阻用于測量二、熱敏電阻六、熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小，響應(yīng)速度