第二章电阻传感器

1、2021-6-241 第二章第二章 电阻传感器电阻传感器 章节导入：章节导入： 电阻传感器种类繁多，应用领域广泛。基本原电阻传感器种类繁多，应用领域广泛。基本原 理将被测量变成电阻的变化量，通过此变化量的测理将被测量变成电阻的变化量，通过此变化量的测 量从而达到测量被测量的目的。量从而达到测量被测量的目的。 本章要点：本章要点： 1 1、了解电位器式传感器的原理、测量转换电路及应用、了解电位器式传感器的原理、测量转换电路及应用 2 2、了解电阻应变片的原理、掌握桥式测量转换电路及、了解电阻应变片的原理、掌握桥式测量转换电路及 应用应用 3 3、了解测温热电阻原理、二线、三线、四线测量转换、了解

2、测温热电阻原理、二线、三线、四线测量转换 电路的特点重点掌握三线制仪表的特点及应用电路的特点重点掌握三线制仪表的特点及应用 4 4、了解气敏电阻及湿敏电阻原理、测量转换电路及应、了解气敏电阻及湿敏电阻原理、测量转换电路及应 用。用。 2021-6-242 第一节第一节 电位器式传感器电位器式传感器 一、工作原理一、工作原理: : 电位器式压力传感器原理框图电位器式压力传感器原理框图 弹簧管弹簧管 P 压力压力 角位移角位移 电位器电位器 电阻值电阻值 RR 分分 压压 比比 电电 路路 UoUo 输出电压输出电压 二、特点及应用：二、特点及应用： 电位器式传感器摩擦力大，现改用耐磨、稳定电位器

3、式传感器摩擦力大，现改用耐磨、稳定 性好的导电塑料做传感器。有输出电压大的优点。性好的导电塑料做传感器。有输出电压大的优点。 用于张力测量、直线行程、角度控制、伺服电机的用于张力测量、直线行程、角度控制、伺服电机的 位置反馈元件位置反馈元件 2021-6-243 三、电位器式传感器的应用举例三、电位器式传感器的应用举例 弹性弹性敏感元件（弹簧敏感元件（弹簧管）管） 敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转 换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。 在下图中，弹簧管将压力转换为角位移在下图中，弹簧管将压力转换为角

4、位移 2021-6-244 当被测压力当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动 齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。 P 2021-6-245 电位器式传感器的应用举例电位器式传感器的应用举例 360360度圆盘形电位器传感器度圆盘形电位器传感器( (测量角位移测量角位移) ) 右图所右图所 示的示的360度圆度圆 盘形电位器的盘形电位器的 中间焊片为滑中间焊片为滑 动片，右边焊动片，右边焊 片接地，左边片接地，左边 焊片接电源。焊片接电源。 接地接地 电源电源滑动片滑动片 2021-6-246 四、测量转换电

5、路：四、测量转换电路： 1、测量转换电路的作用：、测量转换电路的作用： 将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电压、电 流或频率量。流或频率量。 2、电位器式传感器的测、电位器式传感器的测 量转换电路：量转换电路： 左图为电位器传感器的测左图为电位器传感器的测 量转换电路，当电位器的两端量转换电路，当电位器的两端 加上电源后，电位器就组成分加上电源后，电位器就组成分 压比电路，它的输出量是与压压比电路，它的输出量是与压 力成一定关系的电压力成一定关系的电压Uo 。 Uo= UiUo= UiX/LX/L L L X X UiUi UoUo + + -

6、 - 2021-6-247 测量转换电路：测量转换电路： 1、直线式：、直线式： Uo= UiUo= UiX/LX/L 2、圆盘式：、圆盘式： Ui Uo 0 360 2021-6-248 第二节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变效应：应变效应： 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形， 其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 分析分析: : 设有一长度为、截面积为设有一长度为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率为、电阻率为 的金属的金属 单丝，它的电阻值单丝，它

7、的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式 中中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金发生变化。例如金 属丝受拉时，属丝受拉时，l将变长将变长、r变小，均导致变小，均导致R变大变大 一、电阻一、电阻应变应变片的工作原理的工作原理 2 ll R Ar 2021-6-249 2021-6-2410 半导体的压阻效应半导体的压阻效应: 是对半导体的某一轴向施加一定的荷载产生应力时是对半导体的某一轴向施加一定的荷载产生应力时 ，它的电阻率发生变化。又如，某些半导体受拉时，

8、它的电阻率发生变化。又如，某些半导体受拉时， 将变大，导致将变大，导致R变大。变大。 做实验也可说明做实验也可说明： 用数字万用表：金属丝受拉时，用数字万用表：金属丝受拉时，l l变长、变长、r r变小，导变小，导 致致R R变大变大 2021-6-2411 实验证明：实验证明： 电阻丝及应变片的电阻相对变化量电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中与材料力学中 的轴向应变的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 2-1 x R K R K K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 由材料力学可知，由材料力学可知， x=F /（AE），所以），所以 R

9、 /R又可表示为又可表示为 结论：结论： 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的横截面积和试件的横截面积A A以及弹性模量以及弹性模量 均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R / /R R的数值，即可获知试件的数值，即可获知试件 受力受力的大小，例如可用于电子秤的称重或测量加速度。的大小，例如可用于电子秤的称重或测量加速度。 2-2 RF K RAE 2021-6-2412 二、应变片的种类与结构二、应变片的种类与结构 2 2、金属丝式应变片的特点金属丝式应变片的特点 使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片

10、蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。 但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验 1 1、应变片的种类：、应变片的种类： 金属应变片金属应变片 半导体应变片半导体应变片 金属丝式金属丝式 金属箔式金属箔式 薄膜式薄膜式 2021-6-2413 3 3、箔式应变片中的特点、箔式应变片中的特点 制作工艺：制作工艺： 箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的 材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合

11、金。 优点：优点： 箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较 好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于 大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处 理，使理，使其其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的 线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的 程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。 2021-6-241

12、4 4 4、半导体应变片的特点、半导体应变片的特点 是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受 力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优 点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）, , 主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与主要缺点是灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与 应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿应变间非线性严重。在使用时，需采用温度补偿 及非线性补偿措施。及非线性补偿措施。 2021-6-2415 半导体应变片半导体应变片 外形外形 金属丝式应变片金属丝式

13、应变片 的内部结构的内部结构 金属箔式应变片金属箔式应变片 的外形的外形 金属薄膜丝应变金属薄膜丝应变 片有其自身优缺片有其自身优缺 点目前只限于小点目前只限于小 型称重传感器。型称重传感器。 2021-6-2416 5 5、应变片主要性能指标、应变片主要性能指标 1 1）应变片的电阻值：）应变片的电阻值： 其中其中PZPZ为纸质丝式，为纸质丝式， PJPJ为胶质丝式，为胶质丝式，BXBX、BABA、BBBB为箔式，为箔式， PBDPBD为半导体应变片。标称电阻一般有为半导体应变片。标称电阻一般有100100、120120、200200、 350 350 、 600 600 、 1000 10

14、00 、 应变片主要技术指标应变片主要技术指标 参数名称参数名称 电阻值电阻值 / / 灵敏度灵敏度 电阻温度电阻温度 系数系数 /-1 -1 极限工作极限工作 温度温度 / 最大工作最大工作 电流电流 /mA/mA PZ-120PZ-120型型 PJ-120PJ-120型型 BX-200BX-200型型 BA-120BA-120型型 BB-350BB-350型型 PBD-1KPBD-1K型型 PBD-120PBD-120型型 120120 120120 200200 120120 350350 1000100010%10% 12012010%10% 1.91.92.12.1 1.91.92.

15、12.1 1.91.92.22.2 1.91.92.22.2 1.91.92.22.2 1401405%5% 1201205%5% 2020 1010-6 -6 2020 1010-6 -6 0.4%0.4% 0.2%0.2% - -10104040 - -10104040 - -30306060 - -3030200200 - -3030170170 4040 4040 2020 2020 2525 2525 2525 1515 2020 2021-6-2417 应变片主要性能指标应变片主要性能指标 2）绝缘电阻：引线与试件的绝缘电阻通常为）绝缘电阻：引线与试件的绝缘电阻通常为50 100M

16、100M 3 3）允许电流：应变片不允许超过的最大电流。否则灵敏度）允许电流：应变片不允许超过的最大电流。否则灵敏度 变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。 4 4）横向效应与灵敏度：金属做成应变片敏感栅后，既有直）横向效应与灵敏度：金属做成应变片敏感栅后，既有直 线效应，又有圆弧的横向效应，造成灵敏度下降。线效应，又有圆弧的横向效应，造成灵敏度下降。 5 5）机械滞后：对于同一机械应变，在加载和卸载的过程）机械滞后：对于同一机械应变，在加载和卸载的过程 中，中， 卸载时的指示高于加载时的指示应变，造成读数不卸载时的指示高于加载时的指示应变，造成读数不 准确。准确。

17、6 6）零漂和蠕变：温度恒定，试件不受载荷，电阻随时间变）零漂和蠕变：温度恒定，试件不受载荷，电阻随时间变 化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械化的特性称为应变片的零漂；如果应变片承受恒定机械 应变长时间作用，其指示应变随时间变化的特性称为应应变长时间作用，其指示应变随时间变化的特性称为应 变片的蠕变。变片的蠕变。 2021-6-2418 1敏感元件敏感元件 2、4基底基底 3引线引线 5、6电极电极 应变片组成应变片组成 应变片结构应变片结构 6、 应变片结构与粘贴应变片结构与粘贴 2021-6-2419 康铜是现在电阻应变康铜是现在电阻应变 片应用较多的材料片应用较多的材料。

18、1）去污：去污： 采用手持砂轮工具除采用手持砂轮工具除 去构件表面的油污、漆、去构件表面的油污、漆、 锈斑等，并用细纱布交锈斑等，并用细纱布交 叉打磨出细纹以增加粘叉打磨出细纹以增加粘 贴力贴力 ，用浸有酒精或丙，用浸有酒精或丙 酮的纱布片或脱脂棉球酮的纱布片或脱脂棉球 擦洗。擦洗。 4、应变片的粘贴、应变片的粘贴 2021-6-2420 2 2）贴片：）贴片： 在应变片的表面在应变片的表面 和处理过的粘贴表面和处理过的粘贴表面 上，各涂一层均匀的上，各涂一层均匀的 粘贴胶粘贴胶 ，用镊子将，用镊子将 应变片放上去，并调应变片放上去，并调 好位置，然后盖上塑好位置，然后盖上塑 料薄膜，用手指揉

19、和料薄膜，用手指揉和 滚压，排出下面的气滚压，排出下面的气 泡泡 。 2021-6-2421 3）测量）测量 ： 从分开的端子从分开的端子 处，预先用万用表处，预先用万用表 测量应变片的电阻，测量应变片的电阻， 发现端子折断和坏发现端子折断和坏 的应变片。的应变片。 4）焊接：）焊接： 将引线和端将引线和端 子用烙铁焊接起来，子用烙铁焊接起来， 注意不要把端子扯注意不要把端子扯 断。断。 2021-6-2422 5）固定：）固定： 焊接后用焊接后用 胶布将引线和胶布将引线和 被测对象固定被测对象固定 在一起，防止在一起，防止 损坏引线和应损坏引线和应 变片。变片。 2021-6-2423 三、

20、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表即偏金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表即偏 位式测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。位式测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例例如：如： 有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度，灵敏度K K=2=2， 粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量 E E=2=2 101011 11N/m N/m2 2，所受拉力，所受拉力F F=0.2t=0.2t，受

21、拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R R 的变的变 化量仅为化量仅为0.20.2 。 由上例说明：由上例说明： 直接用欧姆表很难观察其变化。直接用欧姆表很难观察其变化。所以必须使用不平衡电桥所以必须使用不平衡电桥 即微差式电路来测量这一微小的变化量。下面分析该直流桥式即微差式电路来测量这一微小的变化量。下面分析该直流桥式 测量转换电路是如何将测量转换电路是如何将 R /R转换为输出电压转换为输出电压Uo的。的。 2021-6-2424 3i124 o 1234 () 2-3 4 RURRR U RRRR + + + + - - - - U Uo o R1R1 R4R4 U Ui i R2R2

22、 R3R3 1 1、电桥平衡的条件：、电桥平衡的条件： 为了使电桥在测量前的输为了使电桥在测量前的输 出电压为零，应该选择四个出电压为零，应该选择四个 桥臂电阻，使桥臂电阻，使R R1 1R R3 3= =R R2 2R R4 4或或 R R1 1/ /R R2 2= =R R4 4/ /R R3 3。此时桥路的输。此时桥路的输 出电压为：出电压为： 2021-6-2425 2021-6-2426 2、电桥的三种工作方式、电桥的三种工作方式 单臂半桥工作方式：单臂半桥工作方式： R R1 1为应变片，为应变片，R R2 2、R R3 3、R R4 4为固定电阻，为固定电阻， R R2 2 R

23、R4 4均均 为零，为零， 此时输出电压为：此时输出电压为： + + + + - - - - U Uo o R1R1 R4R4 U Ui i R2R2 R3R3 R RUi Uo 4 2021-6-2427 2021-6-2428 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变片，为应变片， R3、R4为固定电阻为固定电阻 。 应变应变片片R1 、 、R2 感受到 感受到 的应变的应变 1 2以及产生以及产生 的电阻增量正负号相的电阻增量正负号相 间，可以使输出电压间，可以使输出电压 Uo成倍地增大。此时成倍地增大。此时 输出电压为：输出电压为： + + + + - - - - U Uo o R1R1

24、R4R4 U Ui i R2R2 R3R3 R RUi Uo 2 2021-6-2429 2021-6-2430 四臂全桥四臂全桥 + + + + - - - - U Uo o R1R1 R4R4 U Ui i R2R2 R3R3 全桥的四个桥臂都为应全桥的四个桥臂都为应 变片，如果设法使试件受力变片，如果设法使试件受力 后，应变片后，应变片R1 R4产生的电产生的电 阻增量（或感受到的应变阻增量（或感受到的应变 1 4）正负号相间，就可以）正负号相间，就可以 使输出电压使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。 此时输出电压为此时输出电压为 UiK R R UiUo 2021-6-2431 结论

25、：结论： 三种工作方式中，全桥四臂工三种工作方式中，全桥四臂工 作方式的灵敏度最高，双臂半桥次作方式的灵敏度最高，双臂半桥次 之，单臂半桥灵敏度最低。采用全之，单臂半桥灵敏度最低。采用全 桥（或双臂半桥）还能实现温度自桥（或双臂半桥）还能实现温度自 补偿。补偿。 + + + + - - - - U Uo o R1R1 R4R4 U Ui i R2R2 R3R3 3 3、温度补偿：、温度补偿： 采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。当环境温采用双臂半桥或全桥能实现温度自补偿的功能。当环境温 度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的

26、电阻值 漂移数值一致，代入式电桥平衡式，可以相互抵消，所以这两漂移数值一致，代入式电桥平衡式，可以相互抵消，所以这两 种桥路具有温度自补偿功能。种桥路具有温度自补偿功能。 2021-6-2432 4 4、桥路的调零：、桥路的调零： 方法：方法： 调节调节RPRP，最终可以使，最终可以使R R 1 1与 与 （RPRPR R5 5）、）、R R2 2与（与（RPRPR R5 5） 的并联结果之比的并联结果之比R R 1 1 / /R R2 2 等于 等于 R R4 4/ /R R3 3，电桥趋于平衡，电桥趋于平衡，U Uo o被预被预 调到零位。调到零位。 R R 5 5减小调节范围的限流电阻。

27、减小调节范围的限流电阻。 调零的必要性：调零的必要性： 实际使用中，实际使用中，R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4不可能严格成比例关系，不可能严格成比例关系， 所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因所以即使在未受力时，桥路的输出也不一定能严格为零，因 此必须设置调零电路。此必须设置调零电路。 + + + + - - - - U Uo o R1R1 R4R4 U Ui i R2R2 R3R3 R5R5 RpRp 2021-6-2433 四、应变效应的应用四、应变效应的应用 它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位 移等

28、物理量。移等物理量。 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其 接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专 用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为 各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一 般为桥路。般为桥路。 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接 到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件

29、的应变到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变 量。量。 2021-6-2434 应变效应应用之一：各种悬臂梁测力应变效应应用之一：各种悬臂梁测力 2021-6-2435 各种悬臂梁各种悬臂梁测力测力 FF 固定点固定点 电缆电缆 2021-6-2436 应变式力传感器应变式力传感器 F 双孔梁受力时双孔梁受力时R1R2R1R2为正应变为正应变R3R4R3R4 为负应变为负应变 S S型梁受力时型梁受力时R1R3R1R3为正应变为正应变R2R4R2R4 为负应变为负应变 2021-6-2437 2 2、应变效应应用之二、应变效应应用之二称重称重 应用式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应

30、用式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F R1 R 2 R 4 受力时受力时R1R3R1R3为正应为正应 变变R2R4R2R4为负应变为负应变 2021-6-2438 应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置 FF 2021-6-2439 2021-6-2440 荷重传感器荷重传感器汽车衡汽车衡 2021-6-2441 汽车衡汽车衡称重系统称重系统 2021-6-2442 荷重传感器计算荷重传感器计算 荷重传感器的输出电压荷重传感器的输出电压Uo的计算：生产厂家的计算：生产厂家 一般均给出荷重传感器的灵敏度一般均给出荷重传感器的灵敏度KF 。设荷重传。设荷重传 感器的满量

31、程为感器的满量程为Fm，桥路电压为，桥路电压为Ui，满量程时，满量程时 的输出电压为的输出电压为Uom，则，则KF被定义为被定义为 i om U U KF 由于由于U Uo o往往是往往是mVmV数量级，而数量级，而U Ui i往往是往往是V V级（级（10V10V 左右），所以荷重传感器的灵敏度以左右），所以荷重传感器的灵敏度以mV/VmV/V为单位。为单位。 mom o F F U U 2021-6-2443 荷重传感器计算荷重传感器计算 可得到在被测荷重为可得到在被测荷重为F F时的输出电压时的输出电压U Uo o i oom mm F K UF UUF FF 当当KF 为常数时，桥路所

32、加的激励源电压为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越越 高，满量程输出电压高，满量程输出电压Uom也越高。也越高。 2021-6-2444 例：现用图所示的荷重传感器称重。当桥路电压为例：现用图所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V 时，测得桥路的输出电压时，测得桥路的输出电压为为24mV，求被测荷重为多，求被测荷重为多 少吨。少吨。 解解 ： 从图所示的荷重传感器铭牌上从图所示的荷重传感器铭牌上得得Fm=100 103N， KF= 2mV/V因因 3i124 o 1234 () 2-3 4 RURRR U RRRR 得出得出Uom=24mV。则被测荷重。则被测荷重 33 3 O 3 Fi 1

33、00 106 10 12.5 10 N 1.3t 2 1024 m F U F K U 2021-6-2445 2021-6-2446 电子秤电子秤 磅秤磅秤 超市打印秤超市打印秤 远距离远距离 显示显示 2021-6-2447 电子天平电子天平 电子天平的精度电子天平的精度 可达十万分之一可达十万分之一 2021-6-2448 人体秤人体秤 2021-6-2449 吊钩秤吊钩秤 便携式便携式 2021-6-2450 3 3、应变效应应用之三、应变效应应用之三加度传感器加度传感器 Fma 22 66FLmL a EbhEbh Q 2 6mL Ebh 梁确定后为常数 a 2021-6-2451

34、4 4、应变效应应用之四、应变效应应用之四变式数显扭矩扳手变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和 家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量 程程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转换、英制单位转换、 峰值保持、自动断电等功能。峰值保持、自动断电等功能。 2021-6-2452 利用半导体的压阻效应和集成电路工艺制成的利用半导体的压阻效应和集成电路工艺制成的 传感器，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常传感器，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常

35、小，动态响应快。小，动态响应快。 没有可动部分。同样受拉为正应变，受压为负没有可动部分。同样受拉为正应变，受压为负 应变。应变。 内部隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液内部隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液 体与硅膜片体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 5 5、应变效应应用之五、应变效应应用之五压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 2021-6-2453 压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构 信号处理电路信号处理电路 2021-6-2454 小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器 高压进气口高压进气口 低压进气口低压进气口 2021-6-2455 小型压

36、阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器 呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管进气管 p2进气管进气管 固态压力固态压力 传感器传感器 2021-6-2456 六、电阻应变仪六、电阻应变仪 从应变仪的用途从应变仪的用途 静态应变仪静态应变仪 动态应变仪动态应变仪 静态应变仪：静态应变仪： 用来测量不随时间而变化或缓慢变化的静态用来测量不随时间而变化或缓慢变化的静态 应应 变，精度高，分辨率可达变，精度高，分辨率可达1um/mm 动态应变仪：动态应变仪： 用于动态测量，工作频率达用于动态测量，工作频率达020KHz，采，采 用动用动 态特性、

37、稳定性、线性度好的放大器来放大桥路输态特性、稳定性、线性度好的放大器来放大桥路输 出的动态电压信号。出的动态电压信号。 随着集成电路、数字显示电路的不断发展，随着集成电路、数字显示电路的不断发展， 能能 做到定时、定点切换，测量数据自动修正、存储、做到定时、定点切换，测量数据自动修正、存储、 显示和打印。配上适当的接口，将数据传送给计算显示和打印。配上适当的接口，将数据传送给计算 机。机。 2021-6-2457 电阻应变仪的工作原理：电阻应变仪的工作原理： 电阻应变仪是利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的电阻应变仪是利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的 专用仪器，广泛用于应变、荷重、压力

38、等机械量的测量。电阻专用仪器，广泛用于应变、荷重、压力等机械量的测量。电阻 应变片接入测量电桥，电桥有音频振荡器提供的应变片接入测量电桥，电桥有音频振荡器提供的0.410KHz激激 荡信号供电，应变片的电阻变化经电桥后转换成载波电压的变荡信号供电，应变片的电阻变化经电桥后转换成载波电压的变 化，其幅值较小需放大，放大后的电压信号经相敏检波器解调，化，其幅值较小需放大，放大后的电压信号经相敏检波器解调， 最后经低通滤波器滤去残余高频和高次谐波，获得放大的动态最后经低通滤波器滤去残余高频和高次谐波，获得放大的动态 应变信号。应变信号。 2021-6-2458 电阻应变仪电阻应变仪 接线端子接线端子

39、 2021-6-2459 应变仪技术指标：应变仪技术指标： 量程量程：110000 频率范围：频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动平衡方式：手动 精度精度：0.3% 零点飘移：零点飘移： -/0.1、 - /24小时：小时： 0.5 灵敏度变化：灵敏度变化： - /：0.05% - /24小时：小时：0.3% 信噪比：信噪比：52dB 2021-6-2460 与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块 2021-6-2461 本节课小结：本节课小结： 1、了解电位器式传感器的原理、测量转换电路、了解电位器式传感器的原理、测量转换电路 及应用。及应用。 2、通过对

40、应变效应、应变片的分类、应变片的通过对应变效应、应变片的分类、应变片的 性能指标，对应变式电阻传感器有初步的认识。性能指标，对应变式电阻传感器有初步的认识。 3 3、重点掌握应变式电阻传感器的测量转换电、重点掌握应变式电阻传感器的测量转换电 路路电桥电路的几种连接方法的计算及调零。电桥电路的几种连接方法的计算及调零。 4 4、通过举例对几种应变式电阻式传感器的功能、通过举例对几种应变式电阻式传感器的功能 学习，能够对应变式传感器进行更好地应用学习，能够对应变式传感器进行更好地应用 2021-6-2462 第二节第二节 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 测量温度的方法有很多：本课程主要学习热测量

41、温度的方法有很多：本课程主要学习热 电阻以及热电偶测量温度，热电偶传感器将在第电阻以及热电偶测量温度，热电偶传感器将在第 九章学习到，本次课学习测温热电阻传感器。九章学习到，本次课学习测温热电阻传感器。 热电阻在工业上被广泛用来测量热电阻在工业上被广泛用来测量200200 +960+9600 0C C范围内的温度。范围内的温度。 热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻。前热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻。前 者仍简称热电阻，后者的灵敏度比前者高十倍以者仍简称热电阻，后者的灵敏度比前者高十倍以 上，又称为热敏电阻。上，又称为热敏电阻。 2021-6-2463 一、金属热电阻一、金属热电阻 1 1、

42、金属热电阻的测量原理、金属热电阻的测量原理 热电阻利用电阻随温度的升高而增大的特性。热电阻利用电阻随温度的升高而增大的特性。 需要电阻温度系数大、线性好、性能稳定、测量温需要电阻温度系数大、线性好、性能稳定、测量温 度范围宽、价格容易。目前工业常用铜热电阻度范围宽、价格容易。目前工业常用铜热电阻 5050+150+1500 0C C 、铂热电阻、铂热电阻200200+960+9600 0C C。 正温度系数：温度升高，电阻增大。用正温度系数：温度升高，电阻增大。用PTCPTC表示。表示。 负温度系数：温度升高，电阻减小。用负温度系数：温度升高，电阻减小。用NTCNTC表示。表示。 测温热电阻利

43、用正温度系数的电阻制成。测温热电阻利用正温度系数的电阻制成。 2021-6-2464 实验说明：实验说明： 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其冷态阻值只有灯泡，用万用表测量其冷态阻值只有 几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值却为几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值却为484 。 2021-6-2465 2、热电阻的主要技术性能、热电阻的主要技术性能 表2-2 热电阻的主要技术性能 材料材料铂（铂（WZP）铜（铜（WZCWZC） 使用温度范围使用温度范围/- -200+960 - -5050+150+150 电阻率电阻率/（m 10-6）0.0980.0980.1060.10

44、60.0170.017 0100间电阻温度间电阻温度 系数系数 （平均值）（平均值）/-1 0.003850.003850.004280.00428 化学稳定性化学稳定性 在氧化性介质中较稳定，在氧化性介质中较稳定， 不能在还原性介质中使用不能在还原性介质中使用 尤其在高温情况下尤其在高温情况下 超过超过100100易氧化易氧化 特性特性 特性近于线性、性能稳定特性近于线性、性能稳定 准确度高准确度高 线性较好、价格低廉、线性较好、价格低廉、 体积大体积大 应用应用 适于较高温度的测量，可适于较高温度的测量，可 作标准测温装置作标准测温装置 适于测量低温、无水分适于测量低温、无水分 无腐蚀性介

45、质的温度无腐蚀性介质的温度 2021-6-2466 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 ITS-90 ITS-90标准：国内统一设计的工业用铂热电阻标准：国内统一设计的工业用铂热电阻 在在00时的阻值时的阻值R R0 0值有值有2525、100100等，分度号分别等，分度号分别 用用Pt25Pt25、Pt100Pt100等表示。薄膜型铂热电阻有等表示。薄膜型铂热电阻有100100、 10001000等数种。等数种。 3 3、热电阻的外形、热电阻的外形 薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 2021-6-2467 小型铂热电阻小型铂热电阻 2021-6-2468 汽车用水温传感器及

46、水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻 2021-6-2469 4 4、学习查、学习查“热电阻分度热电阻分度表表” 附录附录 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 2021-6-2470 铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器 2021-6-2471 可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械旋转式机械 设定开关设定开关 拨码式拨码式 设定开关设定开关 2021-6-2472 5 5、热电阻的测量转换电路、热电阻的测量转换电路 1 1连接电缆连接电缆 二线制单臂电桥测量电路二线制单臂电桥测量电路 2021-6-2473 热电阻的测量转换电路热电阻的测量转换电路 二线制电桥

47、测量电路的缺点：二线制电桥测量电路的缺点： （1 1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失 去了平衡，需重新调零。去了平衡，需重新调零。 （2 2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受 环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样，环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样， 阻值也会升高，叠加在阻值也会升高，叠加在R Rt t的变化上，引起测量误差的变化上，引起测量误差 ，且无法纠正。，且无法纠正。 2021-6-2474 四线制电桥四线制电桥 测量电路的缺点：测量电路的缺点： 由于输出电压是直接从由于输出电压是直接从

48、R t两端引出的，所以激励两端引出的，所以激励 电流电流Ii在在r1a、r1b上的压降就不被包括到上的压降就不被包括到Uo中，因此可中，因此可 以克服引线电阻的影响。以克服引线电阻的影响。 四线制测量电路的缺点是：四线制测量电路的缺点是：A/D转换器得到的电转换器得到的电 压中，本底电压压中，本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化所占比例较大，而反映温度变化 的的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。相对较小，降低了系统的分辨力。 3 3恒流源恒流源 2021-6-2475 热电阻的测量转换电路热电阻的测量转换电路 三线制单臂电桥测量电路三线制单臂电桥测量电路 2 2屏蔽层屏蔽层 R RP1

49、P1调零电位器 调零电位器 R RP2 P2调满度电位器 调满度电位器 2021-6-2476 热电阻的测量转换电路热电阻的测量转换电路 三线制电桥测量电路的特点：三线制电桥测量电路的特点： （1）三芯屏蔽线的作用）三芯屏蔽线的作用 热电阻热电阻R t用三根导线用三根导线、引至测温电引至测温电 桥。其中两根引线的内阻（桥。其中两根引线的内阻（r1、r4）分别串入测量）分别串入测量 电桥相邻两臂的电桥相邻两臂的R1、R4上，引线的长度变化不影上，引线的长度变化不影 响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受响电桥的平衡，所以可以避免因连接导线电阻受 环境影响而引起的测量误差。环境影响而引起的测量

50、误差。ri与激励源与激励源Ei串联，串联， 不影响电桥的平衡，可通过调节不影响电桥的平衡，可通过调节RP2来微调电桥的来微调电桥的 满量程输出电压；采用三芯屏蔽线还可减小环境满量程输出电压；采用三芯屏蔽线还可减小环境 电、磁场的干扰。电、磁场的干扰。 2021-6-2477 热电阻的测量转换电路热电阻的测量转换电路 （2 2）电桥的调零电路作用电桥的调零电路作用 为了尽量减小误差，提高灵敏度，我们取为了尽量减小误差，提高灵敏度，我们取R R2 2 R R3 3R R4 4等于等于R R 1 1的初始值（的初始值（100100）。由于元件的误）。由于元件的误 差等原因，安装完成的电桥仍存在微小的

51、不平衡差等原因，安装完成的电桥仍存在微小的不平衡 ，因此必须在电桥中加入一个调零电位器。，因此必须在电桥中加入一个调零电位器。RPRP1 1的的 阻值：应大于桥臂电阻的阻值：应大于桥臂电阻的5050倍以上（例如倍以上（例如10k10k） ，以免影响电桥的线性度和灵敏度。，以免影响电桥的线性度和灵敏度。 2021-6-2478 热电阻的测量转换电路热电阻的测量转换电路 （3）放大电路）放大电路 减法差动放大电路：只对减法差动放大电路：只对b、d两点的输入电压两点的输入电压 之差之差Uo1UdUb才有放大作用，叠加在才有放大作用，叠加在Ud、Ub上上 的对地共模电压将自动抵消，基本不会在放大器的对

52、地共模电压将自动抵消，基本不会在放大器 的输出电压的输出电压Uo2中反映出来。中反映出来。 放大倍数：放大倍数：KRf /R 11。选择低温漂运算放大。选择低温漂运算放大 器器OP-07，它的共模抑制比可达，它的共模抑制比可达80dB以上。以上。 （4)Cf、C2容量对电路的影响：数值越大，对交流容量对电路的影响：数值越大，对交流 干扰的滤波效果越好，但放大器的响应速度就越干扰的滤波效果越好，但放大器的响应速度就越 慢慢 2021-6-2479 二、热敏电阻二、热敏电阻 1 1、概述、概述 热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系）和正温度系 数（数（PTC）之分。）之分

53、。 NTC又可分为两大类：又可分为两大类： 第一类用于测量第一类用于测量 温度，它的电阻值与温度，它的电阻值与 温度之间呈严格的负温度之间呈严格的负 指数关系；指数关系； 第二类为突变型第二类为突变型 （CTR）。当温度上）。当温度上 升到某临界点时，其升到某临界点时，其 电阻值突然下降电阻值突然下降 。 2021-6-2480 2 2、热敏电阻的外形、结构及符号、热敏电阻的外形、结构及符号 a a）圆片型热敏电阻）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻）柱型热敏电阻 c c）珠型热敏电）珠型热敏电 阻阻 d d）铠装型）铠装型 e e）厚膜型）厚膜型 f f）图形符号）图形符号 1 1热敏电阻

54、热敏电阻 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 4 4紫铜紫铜 外壳外壳 5 5传热安装孔传热安装孔 2021-6-2481 热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻 聚脂塑料封装热聚脂塑料封装热 敏电阻敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻 2021-6-2482 热敏电阻外形热敏电阻外形 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻 大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻 MF5A-3型型 热敏电阻热敏电阻 2021-6-2483 热敏电阻外形热敏电阻外形 贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻 MF58型（珠形）型（珠形） 高精度负温度系数高精度负温度

55、系数 热敏电阻热敏电阻 2021-6-2484 非标热敏电阻非标热敏电阻 2021-6-2485 3 3、热敏电阻的应用之一、热敏电阻的应用之一测温测温 热敏电阻热敏电阻 用来测温的热敏电阻结构简单，价格低廉，阻值用来测温的热敏电阻结构简单，价格低廉，阻值 较大，连接导线和接触电阻忽略不计，可以再长达几较大，连接导线和接触电阻忽略不计，可以再长达几 千米的远距离测温使用。千米的远距离测温使用。 2021-6-2486 热敏电阻体温表热敏电阻体温表 2021-6-2487 热敏电阻的应用体温表的测量转换电路热敏电阻的应用体温表的测量转换电路 a) a)桥式电路桥式电路 b)b)调频式电路调频式电

56、路 1 1线性线性PTC热敏电阻热敏电阻 2 2指针式显示器指针式显示器 3 3调零电位器调零电位器 4 4调满度电位器调满度电位器 调试时：调试时： 必须先调零必须先调零RP1RP1 再调满度再调满度RP2RP2 2021-6-2488 热敏电阻应用之二热敏电阻应用之二温度补偿温度补偿 在动圈式仪在动圈式仪 表在动圈回路串表在动圈回路串 入由负温度系数入由负温度系数 热敏电阻，从而热敏电阻，从而 抵消由动圈电阻抵消由动圈电阻 因温度升高阻值因温度升高阻值 增高而引起的误增高而引起的误 差。图中差。图中R Rt2 t2即为 即为 此作用。此作用。 1 1热电偶热电偶 2 2补偿导线补偿导线 3

57、 3冷端补偿器冷端补偿器 4 4外接调外接调 整电阻整电阻 5 5铜导线铜导线 6 6动圈动圈 7 7张丝张丝 8 8磁钢（极磁钢（极 靴）靴） 9 9指针指针 1010刻度面板刻度面板 2021-6-2489 热敏电阻应用之三热敏电阻应用之三用于用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 Rt应选用应选用NTC）型。）型。 温度升高时，温度升高时， Rt应的阻值应的阻值 骤降，电路电流增大，继骤降，电路电流增大，继 电器电器KAKA得电常闭触点断开，得电常闭触点断开， 从而切断电路，从而切断电路，VDVD为续流为续流 二极管防止继电器误动作。二极管防止继电器误动作。 2021-6-2490 第

58、三节第三节 气敏电阻气敏电阻 使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻）， 可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变 化量，再转换为电流、电压信号。化量，再转换为电流、电压信号。 气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体 和测量氧气浓度的两大类。和测量氧气浓度的两大类。 概述概述 2021-6-2491 1、测量还原性气体传感器的工作原理。、测量还原性气体传感器的工作原理。 所谓还原性气体就是所谓还原性气体就是2002003003000 0C C时时在化学反在化学反 应中

59、能给出电子气体。还原性气体多数属于可燃应中能给出电子气体。还原性气体多数属于可燃 性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、 煤气、天然气、氢气等。煤气、天然气、氢气等。 测量还原性气体的气敏电阻一般是用测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、 ZnO或或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化等金属氧化物粉料添加少量铂催化 剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成 的半导体器件。的半导体器件。 当还原性气体释放电子吸附到气敏电阻表面，当还原性气体释放电子吸附到气敏电阻表面， 使气敏电阻电阻率下降，电阻

60、减小。使气敏电阻电阻率下降，电阻减小。 一、还原性气体传感器一、还原性气体传感器 2021-6-2492 2 2、MQNMQN型气敏电阻符号、结构、及测量电路型气敏电阻符号、结构、及测量电路 气敏电阻元件符号气敏电阻元件符号 MQNMQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引 线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中 的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组 （下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。（下图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。 气敏电阻工作时必须加热到气