傳感器-2電阻傳感器課件

第二章電阻傳感器

本章學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，包括：電阻應(yīng)變片、測溫?zé)犭娮?、氣敏電阻、濕敏電阻及磁敏電阻、電位器等?/6/20231第一節(jié)電阻應(yīng)變傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。2/6/20232一、應(yīng)變原理演示

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。2/6/20233微應(yīng)變(με)

對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。在材料力學(xué)中，x=l/l稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。

x通常很小。例如，當(dāng)x為0.000001（10-6）時，在工程中常表示為1m/m或1微應(yīng)變(1με)。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致非線性或斷裂。

2/6/20235應(yīng)變片用于測量力F的計算公式由材料力學(xué)可知，x=F/(AE)，所以R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，可用于電子秤的稱重等。2/6/20236二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應(yīng)變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。2/6/20237半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點是靈敏度高；缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時，需采用溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。

2/6/20239箔式應(yīng)變片的外形2/6/202310應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

2/6/202311

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。2/6/2023133.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。2/6/202314

4.焊接：

將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

2/6/202315三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例：金屬箔式應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量僅為0.2。

所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

2/6/202317三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

由電工學(xué)知識可知：若橋路4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路的輸出電壓反而相互疊加。2/6/202318電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP

，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

2/6/202319雙臂電橋

R1、R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1、2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。計算公式2/6/202321四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。

上述三種工作方式中，哪一種靈敏度最高?哪一種靈敏度最低?

計算公式2/6/202322全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最小；請說出半橋克服溫漂的原理！采用全橋（或雙臂半橋）能實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。2/6/202323應(yīng)變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF2/6/202325各種懸臂梁

2/6/202326各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜2/6/202327應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R42/6/202329應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF2/6/202330應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF2/6/202331荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應(yīng)變片在向下力的作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。2/6/202332汽車衡測量裝貨量或判斷超載2/6/202333汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）2/6/202334荷重傳感器計算公式

當(dāng)KF為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。思考：綜合考慮靈敏度與功耗、發(fā)熱等因數(shù)，Ui的取值范圍多少為好？2/6/202335荷重傳感器應(yīng)用估算

例現(xiàn)用某荷重傳感器稱重。當(dāng)橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸出電壓Uo為8mV，求被測荷重為多少噸。解

從該荷重傳感器銘牌上得到Fm=100103N，KF=2mV/V，可計算得到Uom=12mV。根據(jù)上述公式計算得被測荷重：2/6/202336荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達(dá)到均衡目的，另兩個未拍出）底座墊塊電纜2/6/202337電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示2/6/202338電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一2/6/202339應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手?jǐn)?shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程2~500N·m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。2/6/202340應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手（續(xù)）2/6/202341壓阻式固態(tài)壓力傳感器

利用擴(kuò)散工藝制作的四個半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。

2/6/202342壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

2/6/202343小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口2/6/202344小型壓阻式固態(tài)差壓傳感器（續(xù)）可用于呼吸、透析和注射泵等設(shè)備p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管電纜引出2/6/202345小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管2/6/202346汽車子午線輪胎胎壓的測量子午線輪胎汽車胎壓傳感器的安裝2/6/202347投入式液位計

壓阻式固態(tài)壓力傳感器的p1進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力。硅杯不與液體相通，耐腐蝕。

2/6/202348投入式液位計外形（續(xù)）壓阻式固態(tài)壓力傳感器

與水位成正比的光柱

橡膠背壓管

進(jìn)水孔2/6/202349投入式液位傳感器

投入式液位傳感器必須使用安裝支架，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。2/6/202350投入式液位計液位的計算：

安裝高度h0處水的表壓

p1=gh1

所以：

h=h0+h1=h0+p1/（g）

例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，求水的深度h。2/6/202351材料應(yīng)變的測量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試

2/6/202352材料應(yīng)變的測量（續(xù)）預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗：工作人員正在貼應(yīng)變片

應(yīng)變片粘貼在管樁上，引出線應(yīng)良好固定2/6/202353第二節(jié)測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?/p>

一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。測溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。2/6/202354

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484。

請說明鎢絲的溫度系數(shù)的正負(fù)。

2/6/202355易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

請?zhí)暨x適合于制作熱電阻的金屬材料2/6/202356金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能

2/6/202357薄膜式及裝配式鉑熱電阻

2/6/202358小型鉑熱電阻

2/6/202359防爆型鉑熱電阻

堅實的外殼起“隔爆”作用2/6/202360汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2/6/202361學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”1.Pt100在40℃時為多少歐？2.鉑熱電阻是否線性？2/6/202362二、熱敏電阻

熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。NTC又可分為兩大類：第一類的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此可用于測量溫度：第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可用于控制溫度。2/6/202363熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號

a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號1—熱敏電阻2—玻璃外殼3—引出線4—紫銅外殼5—傳熱安裝孔

2/6/202364PTC熱敏電阻

PTC熱敏電阻屬于臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可用于各種電子電路中抑制浪涌電流。大功率PTC還可用作暖風(fēng)機(jī)中的加熱元件。恒溫加熱PTC熱敏電阻2/6/202365下圖所示的恒溫加熱PTC熱敏電阻的溫度將恒定在多少度范圍？為什么？加熱電流約為多少A？將暖風(fēng)機(jī)的“風(fēng)量”加大后，PTC的溫度為什么不會下降？加熱功率如何變化？2/6/202366下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？2/6/202367熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻2/6/202368其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻2/6/202369其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻2/6/202370其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻2/6/202371熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD2/6/202372熱敏電阻體溫表

2/6/202373熱敏電阻體溫表的調(diào)試、標(biāo)定方法

調(diào)試時，應(yīng)該先調(diào)哪一只電位器，再調(diào)哪一只電位器？如何檢驗表面刻度中其他各點是否準(zhǔn)確？具體步驟如何進(jìn)行？

2/6/202374熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）2/6/202375熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

2/6/202376第三節(jié)氣敏電阻

氣敏電阻品種繁多，主要有可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。

氣敏電阻可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。

2/6/202377一、還原性氣體傳感器

在化學(xué)反應(yīng)中，還原性氣體是給出電子還是得到電子？

還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

2/6/202378MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測量電路a）氣敏燒結(jié)體b）氣敏電阻外形c）基本測量電路

1—引腳2—塑料底座3—燒結(jié)體4—不銹鋼網(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱電源8—測量電源

2/6/202379MQN型氣敏半導(dǎo)體器件的燒結(jié)體中，有兩組鉑絲。一組鉑絲為測量電極，另一組（上圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼測量電極。

氣敏電阻工作時必須加熱到200300℃，其目的是加速被測氣體的化學(xué)吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。

2/6/202380氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器2/6/202381酒精測試儀呼氣管2/6/202382氣敏電阻的選擇性2/6/202383

氣敏半導(dǎo)體的靈敏度特性曲線觀察右圖這些曲線，有何特點？可以得出哪些啟示？請說明非線性特性對濃度超限報警是否有利，為什么？2/6/202384家庭用煤氣報警器2/6/202385家庭用液化氣報警器2/6/202386一氧化碳傳感器2/6/202387其他氣體傳感器NH3傳感器煤礦瓦斯報警器2/6/202388二、二氧化鈦氧濃度傳感器

半導(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當(dāng)周圍氧氣濃度較大時，氧原子進(jìn)入二氧化鈦晶格，改變了半導(dǎo)體的電阻率，使其電阻值增大。

用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)圖及測量轉(zhuǎn)換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補(bǔ)償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當(dāng)氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。

與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt

起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差。

2/6/202389TiO2氧濃度傳感器結(jié)構(gòu)及測量轉(zhuǎn)換電路a）結(jié)構(gòu)b）測量轉(zhuǎn)換電路

1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護(hù)管5—補(bǔ)償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進(jìn)氣口9－引腳

2/6/202390氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量2/6/202391汽車尾氣分析2/6/202392有毒氣體傳感器的使用2/6/202393第四節(jié)濕敏電阻

絕對濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質(zhì)量(克數(shù))。

相對濕度（RH％）：是大氣中實有水汽壓與當(dāng)時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當(dāng)相對濕度達(dá)100%時，稱飽和狀態(tài)。

濕敏電阻的原理：水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導(dǎo)體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。

2/6/202394濕度傳感器的分類

2/6/202395濕度對電子元件的影響

當(dāng)環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強(qiáng)度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。2/6/202396露點

降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關(guān)系，結(jié)露也嚴(yán)重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。

測量露點的儀器2/6/202397露點傳感器外形

2/6/2023