傳感器與檢測技術(shù)-電阻式傳感器及應(yīng)用

電阻式傳感器及應(yīng)用2023/10/31引言電阻式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。常用來測量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等。電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度較高，有的還適合于動態(tài)測量。2023/10/322.1彈性敏感元件彈性元件在傳感器中的作用，它基本上可以分為兩種類型：彈性敏感元件和彈性支撐。前者感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應(yīng)變、位移等，也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的相應(yīng)物理狀態(tài)，故稱為彈性敏感元件。2023/10/332.1.1彈性敏感材料的彈性特性彈性特性：作用在彈性敏感元件上的外力與由該外力所引起的相應(yīng)變形（應(yīng)變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關(guān)系稱為彈性元件的彈性特性1．剛度2．靈敏度3．彈性滯后4．彈性后效5．固有振動頻率2023/10/34

1.剛度剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力。2.靈敏度靈敏度就是彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)，即2023/10/35與剛度相似，如果元件彈性特性是線性的，則靈敏度為常數(shù)；若彈性特性是非線性的，則靈敏度為變數(shù)。

3.彈性滯后實(shí)際的彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，曲線1是加載曲線，曲線2是卸載曲線，曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。產(chǎn)生彈性滯后的原因主要是彈性敏感元件在工作過程中分子間存在內(nèi)摩擦，并造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)。2023/10/364.彈性后效彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應(yīng)的變形，而是在一定時(shí)間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。由于彈性后效存在，彈性敏感元件的變形不能迅速地隨作用力的改變而改5．固有振動頻率彈性敏感元件的動態(tài)特性與它的固有振動頻率fo有很大的關(guān)系，固有振動頻率通常由實(shí)驗(yàn)測得。傳感器的工作頻率應(yīng)避開彈性敏感元件的固有振動頻率。2023/10/372.1.2彈性敏感元件的材料及基本要求（1）具有良好的機(jī)械特性（強(qiáng)度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強(qiáng)度高等）和良好的機(jī)械加工及熱處理性能。（2）良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）。（3）彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定。（4）抗氧化性和抗腐蝕性等化學(xué)性能良好。2023/10/382.1.3變換力的彈性敏感元件所謂變換力的彈性敏感元件是指輸入量為力F，輸出量為應(yīng)變或位移的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有實(shí)心軸、空心軸、等截面圓環(huán)、變截面圓環(huán)、懸臂梁、扭轉(zhuǎn)軸等。2023/10/39變換力的彈性敏感元件2023/10/3101．等截面軸2．環(huán)狀彈性元件3．懸臂梁4．扭轉(zhuǎn)軸2023/10/3112.1.4變換壓力的彈性敏感元件1．彈簧管（定性分析）2023/10/3122.1.4變換壓力的彈性敏感元件2．波紋管2023/10/3132.1.4變換壓力的彈性敏感元件3．等截面薄板2023/10/3142.1.4變換壓力的彈性敏感元件4．波紋膜片和膜盒2023/10/3152.1.4變換壓力的彈性敏感元件5．薄壁圓筒和薄壁半球2023/10/3162.2電位器傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件，主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)的測量2023/10/3172.2.1電位器的原理和基本結(jié)構(gòu)1．電位器的轉(zhuǎn)換原理電位器的電壓轉(zhuǎn)換原理如圖所示，設(shè)電阻體長度為L，觸點(diǎn)滑動位移量為x，兩端輸入電壓為Ui，則滑動端輸出電壓為

2023/10/318角位移式電位器對角位移式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比，即2023/10/3192023/10/3202.2.2電位器傳感器負(fù)載特性電位器輸出端接有負(fù)載電阻時(shí)，其特性稱為負(fù)載特性。2023/10/3212.2.3電位器傳感器的應(yīng)用實(shí)例1．電位器式壓力傳感器YCD—150型遠(yuǎn)程壓力表原理圖2023/10/322電位器式壓力傳感器的工作原理2023/10/3232．電位器式位移傳感器2023/10/3243．電位器式加速度傳感器2023/10/3252.3電阻應(yīng)變式傳感器2.3.1應(yīng)變片與應(yīng)變效應(yīng)1．電阻應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化

R/R與應(yīng)變是成正比，即

2023/10/3262．電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型電阻絲式應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)應(yīng)變片主要有金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩類。金屬片有絲式、箔式、薄膜式3種電阻應(yīng)變片2023/10/3272023/10/3283．應(yīng)變片的粘貼技術(shù)應(yīng)變片的檢查試件的表面處理確定貼片位置粘貼應(yīng)變片固化處理粘貼質(zhì)量檢查引出線的固定與保護(hù)防潮防蝕處理2023/10/3292023/10/3304．應(yīng)變片參數(shù)（1）標(biāo)準(zhǔn)電阻值（R0）（2）絕緣電阻（RG）（3）靈敏度系數(shù)（K）（4）應(yīng)變極限（ξmax）（5）允許電流（Ie）允許電流是指應(yīng)變片允許通過的最大電流。（6）機(jī)械滯后2023/10/3312.3.2測量轉(zhuǎn)換電路1．應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理2．測量轉(zhuǎn)換電路2023/10/3321．應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量

R時(shí)，便可得到被測對象的應(yīng)變值。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為σ=E·ε

應(yīng)力值σ正比于應(yīng)變

，而試件應(yīng)變

正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應(yīng)變片測量應(yīng)變的基本原理。2023/10/3332．測量轉(zhuǎn)換電路機(jī)械應(yīng)變一般在10με～3

000με之間，而應(yīng)變靈敏度k值較小，因此電阻相對變化是很小的，用一般測量電阻的儀表是難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化，最常用的電路為直流電橋和交流電橋。2023/10/334（1）直流電橋電路直流電橋電路的4個(gè)橋臂是由R1、R2、R3、R4組成，其中a、c兩端接直流電壓Ui，而b、d兩端為輸出端，其輸出電壓為Uo。在測量前，取R1R3=R2R4，輸出電壓為Uo=0。2023/10/335（1）直流電橋電路當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化，且ΔRi<<Ri，在電橋輸出端的負(fù)載電阻為無限大時(shí)，電橋輸出電壓可近似表示為2023/10/336（1）直流電橋電路一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，2023/10/337（2）電橋工作方式①半橋單臂工作方式②半橋雙臂工作方式③全橋4臂工作方式2023/10/338①半橋單臂工作方式傳感器輸出的電阻變化量ΔR只接入電橋的一個(gè)橋臂中，在工作時(shí)，其余3個(gè)電阻的阻值沒有變化（即ΔR2=ΔR3=ΔR4=0）。電橋的輸出電壓為靈敏度為2023/10/339②半橋雙臂工作方式安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，電橋的輸出電壓為

靈敏度為線性關(guān)系，溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。2023/10/340③全橋4臂工作方式若將電橋4臂接入4片應(yīng)變片，即2個(gè)受拉應(yīng)變，2個(gè)受壓應(yīng)變，將2個(gè)應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上，構(gòu)成全橋差動電路。電橋的4個(gè)橋臂的電阻值都發(fā)生變化，電橋的輸出電壓為

靈敏度為全橋差動電路沒有非線性誤差，電壓靈敏度是單片的4倍，具有溫度補(bǔ)償作用。2023/10/341（3）電橋的線路補(bǔ)償①零點(diǎn)補(bǔ)償要求電橋的4個(gè)橋臂電阻值相同是不可能的，這樣就使電橋不能滿足初始平衡條件（即U0≠0）。為了解決這一問題，可以在一對橋臂電阻乘積較小的任一橋臂中串聯(lián)一個(gè)可調(diào)電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。2023/10/342②溫度補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化也會引起電橋電阻的變化，導(dǎo)致電橋的零點(diǎn)漂移，這種因溫度變化產(chǎn)生的誤差稱為溫度誤差。產(chǎn)生的原因有：電阻應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)不一致；應(yīng)變片材料與被測試件材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變。因此有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減少或消除由此而產(chǎn)生的測量誤差。電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。在只有一個(gè)應(yīng)變片工作的橋路中，可用補(bǔ)償片法。在另一塊和被測試件結(jié)構(gòu)材料相同而不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補(bǔ)償片，使補(bǔ)償塊和被測試件處于相同的溫度環(huán)境，工作片和補(bǔ)償片分別接入電橋的相鄰兩臂如圖所示。由于工作片和補(bǔ)償片所受溫度相同，則兩者所產(chǎn)生的熱應(yīng)變相等。因?yàn)槭翘幱陔姌虻膬杀?，所以不影響電橋的輸出。補(bǔ)償片法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果比較好。缺點(diǎn)是溫度變化梯度較大時(shí)，比較難以掌握。當(dāng)測量橋路處于雙臂半橋和全橋工作方式時(shí)，電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時(shí)產(chǎn)生大小相等、符號相同的電阻增量而互相抵消，從而達(dá)到橋路溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?023/10/3432.3.3應(yīng)變式傳感器應(yīng)用實(shí)例電阻應(yīng)變片、絲測量機(jī)械、儀器及工程結(jié)構(gòu)等的應(yīng)力、應(yīng)變與某種形式的彈性敏感元件相配合專門制成各種應(yīng)變式傳感器用來測量力、壓力、扭矩、位移和加速度等物理量2023/10/3441．應(yīng)變式測力與荷重傳感器電阻應(yīng)變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領(lǐng)域2023/10/345應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF2023/10/346各種懸臂梁

2023/10/347各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜2023/10/348應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R42023/10/349應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF2023/10/350汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）2023/10/3512．壓力傳感器壓力傳感器主要用于測量流體的壓力2023/10/3523．位移傳感器應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測位移的電量2023/10/3534.加速度傳感器2023/10/3542.4熱電阻傳感器按熱電阻性質(zhì)的不同分為兩大類：金屬熱電阻熱電阻半導(dǎo)體熱電阻熱敏電阻。2023/10/3552.4.1.1熱電阻傳感器基本工作原理

熱電阻是利用電阻與溫度成一定函數(shù)關(guān)系的特性，由金屬材料制成的感溫元件。當(dāng)被測溫度變化時(shí)，導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化，通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數(shù)值大小.2023/10/3562023/10/357基本要求：電阻溫度系數(shù)（

）要大，以獲得較高的靈感度；電阻率（

）要高，以便使元件尺寸可以小；電阻值隨溫度變化盡量呈線性關(guān)系，以減小非線性誤差；在測量范圍內(nèi)，物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；材料工藝性好、價(jià)格便宜等。2023/10/3582.4.1.2常用熱電阻及特性1．鉑電阻2．銅電阻3．其他熱電阻2023/10/3591．鉑電阻鉑電阻主要用于制成標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，其測量范圍一般為?200～+650℃。性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，測量精度高，其電阻值與溫度之間有很近似的線性關(guān)系。缺點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格較高。2023/10/360鉑電阻的結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖2023/10/361防爆型鉑熱電阻2023/10/362鉑電阻當(dāng)溫度t在

200～0℃范圍內(nèi)時(shí)，鉑電阻值與溫度的關(guān)系可表示為

當(dāng)溫度t在?200～850℃范圍內(nèi)時(shí)，鉑的電阻值與溫度的關(guān)系為

2023/10/363鉑電阻使用結(jié)論熱電阻Rt不僅與t有關(guān)，還與其在0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)，即在同樣溫度下，R0取值不同，Rt的值也不同。目前國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用鉑電阻的R0值有46Ω和100Ω等幾種，并將R0與t相應(yīng)關(guān)系列成表格形式，稱為分度表上述兩種鉑電阻的分度號分別用BA1和BA2表示，使用分度表時(shí)，只要知道熱電阻的Rt值，便可從表中求得與Rt相對應(yīng)的溫度值t

2023/10/3642．銅電阻銅電阻的特點(diǎn)是價(jià)格便宜（而鉑是貴重金屬），純度高，重復(fù)性好，電阻溫度系數(shù)大，α=（4.25～4.28）×10

3/℃（鉑的電阻溫度系數(shù)在0～100℃之間的平均值為3.9×10-3/℃），其測溫范圍為

50～+150℃，當(dāng)溫度再高時(shí)，裸銅就氧化了。2023/10/3652．銅電阻銅的電阻值與溫度呈線性關(guān)系，可表示為

Rt

=R0（1+ɑt）。2023/10/3662．銅電阻銅熱電阻的主要缺點(diǎn)是電阻率小，所以制成一定電阻時(shí)與鉑材料相比，銅電阻要細(xì)，造成機(jī)械強(qiáng)度不高，或要長則體積較大，而且銅電阻容易氧化，測溫范圍小。因此，銅電阻常用于介質(zhì)溫度不高、腐蝕性不強(qiáng)、測溫元件體積不受限制的場合。銅電阻的R0值有50

Ω和100

Ω兩種。分度號分別為Cu50、Cu100。2023/10/367汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2023/10/3683．其他熱電阻鎳和鐵的電阻新穎的熱電阻，例如銠鐵電阻、銦電阻、錳電阻、碳電阻等。2023/10/3692.4.1.3熱電阻的測量電路最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路普通測量精密測量2023/10/370普通測量2023/10/371精密測量2023/10/3722.4.1.4熱電阻的應(yīng)用1．溫度測量2．流量測量金屬熱電阻傳感器作溫度測量的主要特點(diǎn)是精度高，適用于測低溫（測高溫時(shí)常用熱電偶傳感器），便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測量和自動控制。2023/10/3731.溫度測量利用熱電阻的高靈敏度進(jìn)行液體、氣體、固體、固熔體等方面的溫度測量，是熱電阻的主要應(yīng)用。工業(yè)測量中常用3線制接法，標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室精密測量中常用4線制。2023/10/3742.流量測量熱電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系還可以測量流量、流速、風(fēng)速等2023/10/3752.4.2其他電阻式傳感器1．熱敏電阻傳感器2．集成溫度傳感器2023/10/3761．熱敏電阻傳感器熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。相對于一般的金屬熱電阻而言，它主要具備如下特點(diǎn)：（1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10～100倍。（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點(diǎn)溫度。（3）電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量。（4）阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系。（5）穩(wěn)定性和互換性較差。2023/10/3771．熱敏電阻傳感器（1）熱敏電阻結(jié)構(gòu)。2023/10/378MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻2023/10/379玻璃封裝NTC熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻2023/10/380貼片式NTC熱敏電阻非標(biāo)熱敏電阻2023/10/381（2）熱敏電阻的熱電特性2023/10/382（3）熱敏電阻的基本應(yīng)用①熱敏電阻體溫表②晶體管的溫度補(bǔ)償③電動機(jī)的過載保護(hù)控制2023/10/383

（1）熱敏電阻體溫表2023/10/384（2）晶體管的溫度補(bǔ)償（3）電動機(jī)的過載保護(hù)控制2023/10/3852．集成溫度傳感器集成溫度傳感器就是在一塊極小的半導(dǎo)體芯片上集成了包括敏感器件、信號放大電路、溫度補(bǔ)償電路、基準(zhǔn)電源電路等在內(nèi)的各個(gè)單元，它使傳感器與集成電路融為一體2023/10/386（1）AD590系列集成溫度傳感器

2023/10/3872.5氣敏和濕敏電阻傳感器2.5.1氣敏電阻傳感器2.5.2濕敏電阻傳感器2023/10/3882.5.1氣敏電阻傳感器是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測待定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。氣敏傳感器主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和自動控制。2023/10/389氣敏電阻的特性氣敏電阻的材料是金屬氧化物金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示氣敏特性2023/10/3902．氣敏元件的基本測量電路2氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系2023/10/3913．氣敏電阻元件的種類（1）燒結(jié)型氣敏元件（2）薄膜型氣敏元件（3）厚膜型氣敏元件2023/10/3924．氣敏傳感器應(yīng)用電路（1）QM-N5氣敏傳感器及其應(yīng)用電路QM系列氣敏元件是采用金屬氧化物半導(dǎo)體作敏感材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，該氣敏元件接觸可燃性氣體時(shí)電導(dǎo)率增加，適宜于在氣體報(bào)警器、監(jiān)控儀器，自動排風(fēng)裝置上作氣敏傳感器，廣泛地應(yīng)用于防火、保安、環(huán)保和家庭等領(lǐng)域。2023/10/393

換氣扇自動控制電路2023/10/394（2）簡易家用氣體報(bào)警器2023/10/3952023/10/396NH3傳感器甲烷傳感器2023/10/397氧濃度傳感器外形汽車尾氣分析2023/10/3982.5.2濕敏電阻傳感器1．濕度的概念和表示方法2．比較成熟的幾類濕敏傳感器3．濕敏傳感器的應(yīng)用實(shí)例—

ZHG型濕