傳感器及其應用第二章

復習上次課內(nèi)容一、畫出電阻、電容、電感的電路符號圖及相應的字母表示、國際單位及符號，畫出二極管、三極管、變壓器、放大器的電路符號圖。二、衡量傳感器性能好壞的特性有哪兩種？三、靜態(tài)特性有哪幾個主要性能指標？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電阻應變式傳感器

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

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

電阻應變式傳感器的工作原理：利用電阻應變片（轉(zhuǎn)換元件）將應變（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）上粘貼電阻應變片實現(xiàn)§2.1電阻應變式傳感器

一、電阻應變片的結(jié)構(gòu)和材料電阻應變片的基本結(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)劑幾個基本部分組成?！?.1電阻應變式傳感器

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

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

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

一、電阻應變片的結(jié)構(gòu)和材料半導體應變片分為：體型半導體應變片、薄膜型半導體應變片、擴散型半導體應變片半導體應變片的工作原理：在一塊半導體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導體的壓阻效應。§2.1電阻應變式傳感器

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

應變是指物體形變的比值：

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

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

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)換為應變，從而可用應變片測量上述各量，做成各種傳感器。當被測對象受力變形時，應變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，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象的應變。Ｋ＝

（ΔR／Ｒ)／ε§2.1電阻應變式傳感器

三、電阻應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、應變極限４、橫向效應８、溫度誤差§2.1電阻應變式傳感器

四、電阻應變片的測量轉(zhuǎn)換電路電阻應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，將應變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為易測量的電壓或電流信號。電橋按激勵電源的不同，可分為：直流電橋和交流電橋?！?.1電阻應變式傳感器

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

。一般我們?nèi)〖纯蓪崿F(xiàn)。現(xiàn)將換成電阻應變片，即組成半橋單臂電橋，隨構(gòu)件產(chǎn)生應變造成傳感器電阻變化時，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系，也即和應變成線性關系，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，可以采用差動半橋或并動全橋電路§2.1電阻應變式傳感器

四、電阻應變片的測量轉(zhuǎn)換電路２、電橋的連接方式

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

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

五、電阻應變片的應用１、應變測量（

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

R3

＝

R4

R1R2R3R4UUAUB當懸臂梁受力時，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變片電阻絲保護層絕緣基片受力方向上面兩只應變片下面兩只應變片固定端受力端在懸臂梁的兩個側(cè)面各粘貼2片電阻應變片電子計價秤懸臂梁應變片固定端敏感元件人體秤中的

傳感器應變片

固定端

懸臂梁

應變片的應用荷重傳感器測量汽車載重練習題

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.電阻式應變傳感器的敏感元件是__________、轉(zhuǎn)換元件是_________,轉(zhuǎn)換電路是__________。4.應變片按材料的不同分為_________和_______。5.電阻應變片的工作原理是基于_______效應，半導體應變片的工作原理是基于_______效應。練習題

6.電源按激勵方式不同，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三、壓阻式傳感器的應用§2.2壓阻式傳感器（型號）

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體的壓阻效應制成。壓阻效應：半導體材料受到應力（σ）作用時，其電阻率（ρ）會發(fā)生變化。

ΔＲ∕Ｒ＝Δρ∕ρ＝πＬσ＝πＬＥε半導體材料：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類型：體型、薄膜型、擴散型優(yōu)點：靈敏度高，測量元件尺寸小，頻率響應高，橫向效應小。缺點：溫度穩(wěn)定性差，非線性誤差大?！?.2壓阻式傳感器

三、壓阻式傳感器的應用半導體應變片：用硅、鍺等材料做成的應用：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)動或滑動系統(tǒng)（觸點）3、工作原理：將直線位移、角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定關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、對數(shù)式按結(jié)構(gòu)特點：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、在電動閥門控制器中的應用工作原理：閥門開關位置改變的同時，經(jīng)過齒條板帶動電位器傳感器旋轉(zhuǎn)，就把閥門開度位置轉(zhuǎn)換為電壓信號反饋給控制電路板。控制電路板把閥門開度位置信號與給定的控制信號進行比較，控制電機正向或反向運動，再經(jīng)過傳動機構(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行溫度測量的，當溫度變化時，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、鐵等國際上實用溫標把鉑作為標準，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標稱電阻（R0）：熱電阻在0℃時的電阻值

②溫度測量范圍及允許偏差范圍③熱響應時間

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：分度表是指以表格形式表示熱電阻的電阻－溫度對照表。分度號是指分度表的代號，一般用熱電阻金屬材料的化學符號和0℃時的電阻值表示。

如Pt100，表示金屬材料為鉑，標稱電阻為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系，呈非線性。

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)Rt：t

℃時的電阻值R0：0

℃時的電阻值

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。外加保護套管保護熱電阻。5、熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路及其應用

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；計算機軟件編程；專用集成IC；正反饋網(wǎng)絡的非線性放大電路

③應用：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：靈敏度高，比金屬電阻大很多；阻值與溫度變化呈非線性關系；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：負溫度系數(shù)

NTC

用于測溫、補償正溫度系數(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、應用：負溫度系數(shù)熱敏電阻應用：適合測量溫度變化范圍較小的場合，靈敏度很高。常應用于溫度補償、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、國防及科技等領域）正溫度系數(shù)熱敏電阻應用：溫度補償、溫度測量、溫度開關臨界溫度系數(shù)熱敏電阻應用：溫度開關熱敏電阻溫控器溫度開關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：靈敏度高，體積小，響應速度