檢測技術與智能儀表設計第三專題2023/8/211第1頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

電阻應變傳感器

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應。電阻應變傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成。第2頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月

我們先來做一個實驗。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω。第3頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月一、應變原理演示

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。第4頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、應變片的工作原理

設有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

K—電阻應變片的靈敏度當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。當金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大；某些半導體受拉時，

將變大，導致R變大。電阻絲及應變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學中的軸向應變

x的關系在很大范圍內是線性的，即

第5頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月微應變(με)

對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率

會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。在材料力學中，

x=

l/l稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變。

x通常很小。例如，當

x為0.000001（10-6）時，在工程中常表示為1

m/m或1微應變(1με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致非線性或斷裂。

第6頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片用于測量力F的計算公式由材料力學可知，

x=F/(AE)，所以

R/R又可表示為

如果應變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設法測出

R/R的數值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，可用于電子秤的稱重和測量拉力等。第7頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、應變片的種類與結構應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。箔式應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變式傳感器中。第8頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲式應變片的結構第9頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月半導體應變片半導體應變片的主要優(yōu)點是靈敏度高；缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用半橋、全橋溫度補償及非線性補償措施。

第10頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月箔式應變片的外形第11頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片主要性能指標舉例上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？

第12頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月三、測量轉換電路——不平衡電橋

金屬應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：金屬箔式應變片的標稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值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轉換為輸出電壓Uo。

第13頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月為什么要使用不平衡電橋

把對某物理量的電阻敏感材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個臂電阻，通過電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。如果直接測應變片電阻的改變，可能很困難。因為測量一個在很大的基值上附加的一個很小的信號是很困難的。利用電橋可以把這個信號的基值去掉，變成了一個在零值附近的信號，并且可以通放大電路來增大靈敏度。第14頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月什么是電橋

不平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結點。在a、c結點之間接入電源Ui，而另一對結點(b、d)之間的電壓差作為輸出電壓端Uo

。b、d的對地電壓相等時稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。

電橋平衡的條件是：上下橋臂的左右位置電阻比例相等。第15頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月三、測量轉換電路——不平衡電橋

由電工學可知：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。第16頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調節(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被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5的作用是什么？又稱為

電阻？

第17頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月單臂電橋單臂半橋的靈敏度最低。計算公式第18頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月雙臂電橋

R1、

R2為應變片，

R3、R4為固定電阻。應變片R1、R2感受到的應變

1、

2以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。第19頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1~

R4產生的電阻增量（或感受到的應變

1~

4）正負號相間，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?

第20頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月全橋的溫度補償原理

當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數值一致，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)溫度自補償。第21頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月四、應變效應的應用

電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路；

第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。

第22頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF第23頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月各種懸臂梁

第24頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜第25頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形第26頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。第27頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡測量裝貨量或判斷超載第28頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠亞興業(yè)商貿有限公司資料）第29頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示第30頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電子天平電子天平的精度可達十萬分之一第31頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月人體秤

怎樣改造，才能適合盲人使用？第32頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月吊鉤秤

便攜式如何將信號傳送到計算機中？第33頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月電子秤中的各類彈性元件

第34頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試

第35頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月材料應變的測量（續(xù)）預應力管樁的質量檢驗：工作人員正在貼應變片

應變片粘貼在管樁上，引出線應良好固定第36頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)測溫熱電阻傳感器

一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，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，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。測溫熱電阻可分為金屬和半導體兩大類。第37頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

我們先來做一個實驗。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω，如圖2-4所示。第38頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月易提純、復現(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第39頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬熱電阻材料的主要技術性能

第40頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月薄膜式及裝配式鉑熱電阻

第41頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月小型鉑熱電阻

第42頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻第43頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月學習查“鉑熱電阻分度表”請判斷鉑熱電阻是否線性第44頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月鉑電阻溫度顯示、變送器上下限設定鍵上限下限上上限下下限測量值第45頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月可設定溫度的溫度控制箱

旋轉式機械設定開關撥碼式設定開關第46頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測量轉換電路1－連接電纜二線制單臂電橋測量電路2023/8/2147第47頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測量轉換電路二線制電橋測量電路的缺點：（1）引線的電阻將使原來已調好平衡的電橋失去了平衡，需重新調零。（2）在測量過程中，氣溫升高時，引線電纜受環(huán)境溫度影響，銅質電纜線的電阻與熱電阻一樣，阻值也會升高，疊加在Rt的變化上，引起測量誤差，且無法糾正。2023/8/2148第48頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月四線制電橋測量電路的缺點：由于輸出電壓是直接從Rt兩端引出的，所以激勵電流Ii在r1a、r1b上的壓降就不被包括到Uo中，因此可以克服引線電阻的影響。四線制測量電路的缺點是：A/D轉換器得到的電壓中，本底電壓Uo0所占比例較大，而反映溫度變化的ΔUo相對較小，降低了系統(tǒng)的分辨力。3－恒流源2023/8/2149第49頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測量轉換電路三線制單臂電橋測量電路2－屏蔽層RP1－調零電位器RP2－調滿度電位器2023/8/2150第50頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱敏電阻

熱敏電阻有負溫度系數（NTC）和正溫度系數（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格的負指數關系，因此可用于測量溫度：第二類為突變型（CTR）。當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。第51頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的外形、結構及符號

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

第52頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月PTC熱敏電阻

PTC熱敏電阻屬于臨界溫度型（CTR）。當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還可用作暖風機中的加熱元件。恒溫加熱PTC熱敏電阻第53頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？第54頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第55頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻第56頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第57頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻第58頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負溫度系數熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達電子有限公司資料）第59頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月非標熱敏電阻第60頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月非標熱敏電阻（續(xù)）

第61頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月非標熱敏電阻（續(xù)）

第62頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD第63頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻體溫表

第64頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）第65頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

第66頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)濕敏電阻傳感器

許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時，物品易發(fā)生變質或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的相對濕度保持在60%～70%；在農業(yè)生產中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進行檢測和控制。濕度有絕對濕度和相對濕度之分。在這一節(jié)里，卡卡給大家介紹測量相對濕度的濕敏電阻傳感器特性及其應用。2023/8/2167第67頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對濕度：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量(克數)。

相對濕度（RH％）：是大氣中實有水汽壓與當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。當相對濕度達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部，引起半導體的電阻值降低，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。

2023/8/2168第68頁，課件共80頁，創(chuàng)作于2023年2月濕度傳感器的分類

2023/8/2169第69頁，課件