第五章电阻传感器

1、测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器电阻式传感器的原理及应用，电阻式传感器的原理及应用，包括电阻应变片、测温热电阻、气包括电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻等。敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻等。主要内容主要内容测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 第一节第一节 电阻应变传感器电阻应变传感器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传

2、感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 由全微分可知：由全微分可知：测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 电阻的相对变化率与轴向应变的电阻的相对变化率与轴向应变的线性关系线性关系电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度纵（轴）向应变横（径）向应变泊松比压阻系数弹性模量测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通

3、学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 应变片的类型与结构：应变片的类型与结

4、构：测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 应变片的类型与结构：应变片的类型与结构：测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻

5、传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1.1.电阻应变传感器电阻应变传感器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2 2 测量转换电路（电桥）测量转换电路（电桥） 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或

6、电流输出的一种测量电路。流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥；按照桥臂；按照桥臂阻抗性质又可分为阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。电

7、阻电桥、电容电桥和电感电桥。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2.1 直流电桥直流电桥 1、直流电桥的平衡条件、直流电桥的平衡条件平衡条件平衡条件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR11 112abRUI RURR42434adRUI RURR测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2.1 直流电桥直流电桥 1、直流电桥的平衡条件、直流电桥的平衡条件1243=R RRR测试、检

8、测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2. 灵敏度灵敏度在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为1R1R331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR3214RRnRR令121 (1)oRnUUnR211/(1)oUnSURRn当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于一定的 值，得到最大的输出电压。显然，满足 的条件为 （对称电桥）或 （等臂电桥）。在设计电桥时，一般取 1n S11RR1n 1234,RR RR1234RRRR1234RRRRd0

9、dSn2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器3. 电桥接法与输出特性电桥接法与输出特性 在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。 2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器（1）半桥单臂）半桥单臂 014oRUUR0/0d14doRRUSURR00/14 1/ 2oRRUURR 工作

10、中有一个桥臂阻值随被测的量而变化，工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化， 2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器（2）半桥双臂（差动电桥）半桥双臂（差动电桥）工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一个增大一个减小，即个增大一个减小，即 ，所以也称为差动，所以也称为差动电桥。电桥。 1122,RR RR 01 2oRUUR0R /R1S=2U。 2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通

11、学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器（3）全桥）全桥工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即11223344,RRRRRRRR 0 oRUUR0/R RSU2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器4 电桥用于应变片传感器的温度补偿电桥用于应变片传感器的温度补偿 1324R RR R0000()()0RR RRR R0oU 2.1 直流电桥直流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章

12、：电阻传感器U 交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件 交流电桥的激励电压采用交交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个臂可以是电感流，电桥的四个臂可以

13、是电感 、电容电容 或电阻或电阻 ，用复阻抗表示，用复阻抗表示j22j()zz() arctgLCLCLCZRxxeRxxxxR 而且输入电压与输出电压分别用复数而且输入电压与输出电压分别用复数 与与 表示，那么表示，那么根据对直流电桥的讨论可以得到根据对直流电桥的讨论可以得到UoU2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ1324 Z ZZ Z3124jjjj11223344e Z =z e Z =z e

14、 Z =z eZz1324()j()j1 324eez zz z所所以以13241324z zz z 此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。相等。 2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡阻抗平衡条件为阻抗平衡条件为1342143213241411jj jjRRRRCCRRR R

15、R RCC欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即1324R RR R3214 RRCC由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平衡参数，使它们分别达到平衡 2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡电桥平衡条件应为电桥平衡条件应为113442(j)(j)RL RRL R1324 R RR R1342 L RL R要使电感电

16、桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。电感分别达到平衡。 2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器3. 电阻交流电桥的平衡电阻交流电桥的平衡电桥各桥臂阻抗分别为电桥各桥臂阻抗分别为电桥平衡时满足电桥平衡时满足1324Z ZZ Z所以所以3321132432411442; RRRCR RR RR CR CRRRC或 或2.2 交流电桥交流电桥 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：

17、电阻传感器第五章：电阻传感器3 3 运算放大器运算放大器 运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。有源滤波器以及交流放大器等测试装置。 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通

18、学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器3.1 运算放大器的符号及特点运算放大器的符号及特点 集成运算放大器具有开环电压增集成运算放大器具有开环电压增益高、输入阻抗高、输出阻抗低、益高、输入阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、体积小等主漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，所以它已成为一种通用要特点，所以它已成为一种通用器件，在各个技术领域中得到了器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而灵活的应用。十分广泛而灵活的应用。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。具有理想参数的运算放大器

19、叫理想运算放大器。 特点特点dr 0dUUIr入dK UU0U0U这就是说反相输入端的电位接近于这就是说反相输入端的电位接近于“地地”电位，它是一个不电位，它是一个不接接“地地”的接的接“地地”端，通常称为端，通常称为“虚地虚地”。 3.2 理想运算放大器理想运算放大器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反馈电阻反馈电阻RFRF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。移，一般为几十千欧至

20、几百千欧。R1R1的取值应远大于信号的取值应远大于信号源源UiUi的内阻的内阻。 烟雾报警烟雾报警器器酒精传感酒精传感器器二氧化碳传感二氧化碳传感器器3.2 3.2 运算放大器运算放大器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器 同相放大器也是最基本的同相放大器也是最基本的电路电路 ，其闭环电压增益，其闭环电压增益AvAv为为: :11RRAFv2)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。的特点，广泛用于前置放大级。 3.2

21、3.2 运算放大器运算放大器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2 2 交流放大电路交流放大电路 R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流放大器可根据交流放大器的下限频率的下限频率fLfL来确定。来确定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容。 3.2 3.2 运算放大器

22、运算放大器 测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器1. 差动放大器 差动放大器就是用来放大差模差动放大器就是用来放大差模信号，抑制共模信号的，它的两信号，抑制共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。个输入端都有信号输入。 1111111ioiiFUUUUI RURRR2323iUURRRUU因为因为当当123,FRR RR得得211() FoiiRUUUR0211FiiURSUUR3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学

23、院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器可见输出电压可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得时，则得oU1FRR21oiiUUU差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。专用测量放大器领域。1. 差动放大器3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器2. 测量放大器测量放大器 三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪用放大器。三运放差

24、动放大器通常也称为测量放大器，或称仪用放大器。 3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器仪用放大器优点：仪用放大器优点：输入阻抗高；输入阻抗高；共模抑制比高；共模抑制比高；放大倍数容易调放大倍数容易调整。整。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器3. 电桥放大器电桥放大器 与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有抑制共模信号的能力。抑制

25、共模信号的能力。3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器图图 电桥放大器电桥放大器 加在放大器两个输入端的电压信号分别为加在放大器两个输入端的电压信号分别为1112RUERR4234 RUERR若电桥为全等臂若电桥为全等臂 1234RRRRR且为半桥双臂接法（差动电桥），即且为半桥双臂接法（差动电桥），即 34, RRR RRR则则1 2EU 2 12ERUR那么那么 3. 电桥放大器电桥放大器3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算

26、放大器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器3. 电桥放大器212112()()/2FFFoRRRRUUUUUERRRRR令令 RR则则 FoRUER0 FURSER由上式易见，输出电压与桥臂电阻由上式易见，输出电压与桥臂电阻 有关有关R为了排除为了排除 的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压为其输出电压为 R图图 电桥电源浮置的电桥放大器电桥电源浮置的电桥放大器11 2FoREUR011) 2FURESR3.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运

27、算放大器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器4 典型应变片的原理及应用典型应变片的原理及应用测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器4 典型应变片的原理及应用典型应变片的原理及应用测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器4 典型应变片的原理及应用典型应变片的原理及应用测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器

28、第二节第二节 测温热电阻传感器测温热电阻传感器测温热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻（测温热电阻可分为金属热电阻和半导体热电阻（Thermistor,热敏电阻）两大类热敏电阻）两大类测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器铂的特性近于线铂的特性近于线性，性能稳定，性，性能稳定，精度高，可作标精度高，可作标准测温装置。准测温装置。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：

29、电阻传感器第五章：电阻传感器NTC必须在低电压源或在接近所谓的零功率下使必须在低电压源或在接近所谓的零功率下使用。用。除了作为测温控温元件，还可用作其它用途：延除了作为测温控温元件，还可用作其它用途：延时开关、浪涌保护元件、温度补偿元件等。时开关、浪涌保护元件、温度补偿元件等。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器典型的典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡中参入其它金属热敏电阻通常是在钛酸钡中参入其它金属离子，以改变其温度系数和临界点温度。离子，以改变其温度系数和临界点温度。PTC热敏电阻热敏电阻当温度当温度达到设达到设定值时，定值时，电阻值电阻值急剧上急剧上升，电升，电流减小。流减小。测试、检测技术测试、检测技术苏州大学城市轨道交通学院苏州大学城市轨道交通学院第五章：电阻传感器第五章：电阻传感器热敏电阻的测量电路多采用桥