1、第六章 電阻傳感器,電阻傳感器的基本原理是將各種被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻的變化量，然后通過(guò)對(duì)電阻變化量的測(cè)量，達(dá)到非電量電測(cè)的目的。 利用電阻傳感器可以測(cè)量角位移、直線位移、應(yīng)變、力、加速度、重量、轉(zhuǎn)矩、溫度、濕度、氣體成分及濃度、磁場(chǎng)強(qiáng)度等。,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(huì)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路等組成。,我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00增大到10.05。,一、應(yīng)變?cè)?/p>

2、理演示,金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大 。,二、應(yīng)變片的工作原理,設(shè)有一長(zhǎng)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(yīng)變片的靈敏度,當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。 當(dāng)金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大； 某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。 電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量R R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,微應(yīng)變(),對(duì)于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對(duì)半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率 會(huì)產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金

3、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(shí)，在工程中常表示為1m/m或1微應(yīng)變(1)。 對(duì)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(guò)材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致非線性或斷裂。,應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)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以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，可用于電子秤的稱重和測(cè)量拉力等。,二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu),應(yīng)變片可分為

4、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(jià)格便宜，多用于大批量、一次性試驗(yàn)。 箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)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。,金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)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(shí)，需采用半橋、全橋溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。,箔式應(yīng)變片的外形,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,三、測(cè)量

5、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(cè)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?jī)H為0.2。 所以必須使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量，將R /R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。,為什么要使用不平衡電橋,把對(duì)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(gè)臂電阻，通過(guò)電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來(lái)判斷該物理量的大小。 如果直接測(cè)應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y(cè)

6、量一個(gè)在很大的基值上附加的一個(gè)很小的信號(hào)是很困難的。利用電橋可以把這個(gè)信號(hào)的基值去掉，變成了一個(gè)在零值附近的信號(hào)，并且可以通放大電路來(lái)增大靈敏度。,什么是電橋,不平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)(b、d)之間的電壓差作為輸出電壓端Uo 。 b、d的對(duì)地電壓相等時(shí)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。,三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,由電工學(xué)可知： 若橋路4個(gè)橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相反，橋路的輸出電壓反而相互疊加。,電橋

7、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(guò)程稱為調(diào)零。 圖中的R5的作用是什么？又稱為 電阻？,單臂電橋,單臂半橋的 靈敏度最低。,計(jì)算公式,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(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,四臂全橋,全橋的四個(gè)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14）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,上述三種工作方式

8、中，哪一種靈敏度最高? 哪一種靈敏度最低?,全橋的溫度補(bǔ)償原理,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)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(qǐng)說(shuō)出半橋克服溫漂的原理！,采用全橋（或雙臂半橋）能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。,四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用,電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)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(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路； 第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。,應(yīng)變式力傳感器,S

9、型力傳感器,F,F,F,F,各種懸臂梁,各種懸臂梁,F,F,固定點(diǎn),固定點(diǎn),電纜,應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形,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(zhǎng)。,汽車衡,測(cè)量裝貨量或 判斷超載,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 ）,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠(yuǎn)距離顯示,電子天平,電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一,人體秤,怎樣改造，才能適合盲人使用？,吊鉤秤,便攜式,如何將信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)中？,電子秤中的各類彈性元件,材料應(yīng)變的測(cè)量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試,材料應(yīng)變的測(cè)量（續(xù)）,預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗(yàn)： 工作人員正在貼應(yīng)變片,應(yīng)變片粘貼

10、在管樁上，引出線應(yīng)良好固定,第三節(jié) 測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅?一、金屬熱電阻,溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)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(shì)相同。,測(cè)溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。,金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示,我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00增大到10.05，如圖2-4所示。,易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻,請(qǐng)?zhí)暨x適合于制作熱電阻的金屬材料,金屬熱電阻材

11、料的主要技術(shù)性能,薄膜式及裝配式鉑熱電阻,小型鉑熱電阻,汽車用水溫傳感器及水溫表,銅熱電阻,學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”,請(qǐng)判斷鉑熱電阻是否線性,鉑電阻溫度顯示、變送器,上下限設(shè)定鍵,上限,下限,上上限,下下限,測(cè)量值,可設(shè)定溫度的溫度控制箱,旋轉(zhuǎn)式機(jī)械 設(shè)定開(kāi)關(guān),撥碼式 設(shè)定開(kāi)關(guān),2020/7/30,47,熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,1連接電纜,二線制單臂電橋測(cè)量電路,2020/7/30,48,熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,二線制電橋測(cè)量電路的缺點(diǎn)： （1）引線的電阻將使原來(lái)已調(diào)好平衡的電橋失 去了平衡，需重新調(diào)零。 （2）在測(cè)量過(guò)程中，氣溫升高時(shí)，引線電纜受 環(huán)境溫度影響，銅質(zhì)電纜線的電阻與熱電阻一樣， 阻

12、值也會(huì)升高，疊加在Rt的變化上，引起測(cè)量誤差 ，且無(wú)法糾正。,2020/7/30,49,四線制電橋 測(cè)量電路的缺點(diǎn)： 由于輸出電壓是直接從R t兩端引出的，所以激勵(lì)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(cè)量電路的缺點(diǎn)是：A/D轉(zhuǎn)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Uo相對(duì)較小，降低了系統(tǒng)的分辨力。,3恒流源,2020/7/30,50,熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,三線制單臂電橋測(cè)量電路,2屏蔽層 RP1調(diào)零電位器 RP2調(diào)滿度電位器,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

13、： 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(cè)量溫度：,第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降 ，可用于控制溫度 。,熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào),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(hào) 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,PTC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(diǎn)時(shí)，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,下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？,熱敏電阻外形,MF

14、12型 NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,玻璃封裝 NTC熱敏電阻,MF58 型熱敏電阻,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,其他形式的熱敏電阻（續(xù)）,貼片式NTC熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻（續(xù)）,MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,MF5A-3型熱敏電阻,（參考深圳科蓬達(dá)電子有限公司資料）,非標(biāo)熱敏電阻,非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）,非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）,熱敏電阻溫度面板表,熱敏電阻,LCD,熱敏電阻體溫表,熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量,（參考小熊在線公司資料）,熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制,2020/7/30,67,第五節(jié) 濕敏電阻傳感器,

15、許多儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)在濕度超過(guò)某一程度時(shí)，物品易發(fā)生變質(zhì)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(duì)濕度保持在60%70%；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)和控制。 濕度有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度之分。在這一節(jié)里，卡卡給大家介紹測(cè)量相對(duì)濕度的濕敏電阻傳感器特性及其應(yīng)用。,2020/7/30,68,絕對(duì)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(duì)濕度（RH）：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來(lái)表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，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。,2020/7/30,69,濕度傳感器的分類,2020/7/30,70,水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設(shè)備帶來(lái)各種危害,2020/7/30,71,濕度對(duì)電子元件的影響,當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度增大時(shí)，物體表面就會(huì)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(huì)造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會(huì)加速金屬材料的腐蝕并引起有機(jī)材料的霉?fàn)€。,2020/7/30,72,露點(diǎn),降低溫度會(huì)產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點(diǎn)與農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(cè)量露點(diǎn)的