第2章电阻传感器

1、第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。出。测量电路测量电路 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，应变式传感器有下列优点：应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活结构较简

2、单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。速度，振幅等其他物理量。第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。换为电量输出的一种传感器。 一、电阻应变效应一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。变化。 取一根长度为取一根长度为L，截面积为截面积为S，电

3、阻率为电阻率为 的金属丝，的金属丝，未受力时其电阻未受力时其电阻R为为ALR 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时, 将伸长将伸长L, 横截面积相应减横截面积相应减小小A（取负号）（取负号）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为故引起电阻值相对变化量为AALLRR式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量, 用应变用应变表示表示LLA/A为电阻丝的截面积相对变化量为电阻丝的截面积相对变化量, 因因 ddAA2241dA 由材料力学由材料力学, 在弹性范围内在弹性范围内, 金属丝受拉力时金属丝受拉力时, 沿轴向伸沿轴向伸

4、长长, 沿径向缩短沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLdd式中式中: 材料的泊松比材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 材料的应变材料的应变 以以取代取代 和和 ，得，得LLLLpRR)21 ()21 (LLLLdd0)21 (KLLpRR 从上式中提出从上式中提出 ，得，得 材料的灵敏度系数材料的灵敏度系数K0取决于两个因素取决于两个因素 （1）材料几何尺寸的改变。见上式中的）材料几何尺寸的改变。见上式中的 项。项。 （2）应变引起的电阻率改变。见上式中的）应变引起的电阻率改变。见上式中的 项。项。 结论：金属材料

5、的结论：金属材料的 主要受前者影响；非金属材料主主要受前者影响；非金属材料主要受后者影响！要受后者影响！ K0为灵敏度系数为灵敏度系数-单位应变能引起的电阻变化。单位应变能引起的电阻变化。)21 (LLpRR二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构1.1.金属电阻应变片金属电阻应变片 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻值被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。化。2.2.半导体应变片半导体应变片体型体

6、型薄膜型薄膜型扩散型扩散型导体应变片导体应变片三、应变片的粘贴技术三、应变片的粘贴技术应变片的检查与选择应变片的检查与选择试件的表面处理试件的表面处理底层处理底层处理贴片贴片固化固化粘贴质量检查粘贴质量检查引线焊接与组桥连接引线焊接与组桥连接 四、测量电路四、测量电路 作用：将电阻的变化转换为电压输出。作用：将电阻的变化转换为电压输出。 (一一) 直流电桥直流电桥 空载电压：空载电压： 直流电源直流电源U输输出出电电压压BCACABUUUU0343221RRRURRRUURRRRRRRRU)(432142310R等效电阻：等效电阻：43432121RRRRRRRRR直流电桥直流电桥交流电桥交流

7、电桥4231RRRR直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件：等臂电桥等臂电桥输出对称电桥输出对称电桥电源对称电桥电源对称电桥 1.1.直流电桥的电流输出直流电桥的电流输出 如果直流电桥带一个具有内阻如果直流电桥带一个具有内阻RgRg的负载的负载, ,将输出将输出电流电流Ig.Ig. 电流输出电路及其等效电路电流输出电路及其等效电路: : gUgI(E=U(E=U0 0) )()()(21434321432142310RRRRRRRRRRRRRRRRRURRUIggg 由等效电路可求得由等效电路可求得IgIg、UgUg的一般表达式的一般表达式: : * *当阻抗匹配即当阻抗匹配即Rg=RRg=R时时

8、,Ig,Ig、UgUg表达式可简化为表达式可简化为: :)()()(2143432143214231RRRRRRRRRRRRRRRRRRRIUggggg)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg)(243214231RRRRRRRRUUg 设设R1R1为应变电阻，当电阻为应变电阻，当电阻增加增加R R时，由时，由IgIg简化算式：简化算式： RRRRRRUIg22222)(14RRRRURRKUIg4)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg得输出电流为：得输出电流为：即即（2 2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有）阻抗匹配的电源对称电桥，也有（1 1）

9、阻抗匹配的输出对称电桥）阻抗匹配的输出对称电桥RRKUIg4（3 3）阻抗匹配的等臂电桥，有）阻抗匹配的等臂电桥，有KRUIg82.2.直流电桥的电压输出直流电桥的电压输出 如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻Rg,Rg,输输出电流出电流Ig0Ig0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：URRRRRRRRU)(432142310对于输出对称电桥（右图）对于输出对称电桥（右图）0UKUU40RRUURRRRRRU4)(0即即 对于电源对称电桥对于电源对称电桥 KRRRRUU20)(对于等臂电桥对于等臂电桥 KUU4

10、0直流电桥实用电路直流电桥实用电路-等臂电桥全桥工作电路等臂电桥全桥工作电路特征：四个电阻相同特征：四个电阻相同 四个电阻全为应变电阻四个电阻全为应变电阻 （两个被拉长，两个被压短）（两个被拉长，两个被压短）URRRRRRRRU)(432142310URRRRRR)2)(2()()(22RRUURRR244UKU 0 与单臂应变相比，与单臂应变相比，灵敏度扩大灵敏度扩大4 4倍！倍！ (二二) 交流电桥交流电桥 交流电桥采交流电桥采用用正弦交流电源正弦交流电源U，电源频率取，电源频率取被测应变频率的被测应变频率的510倍。倍。 各各桥臂采用桥臂采用应变片或定值精应变片或定值精密无感电阻密无感电

11、阻。 在频率较高在频率较高时，必须时，必须考虑分考虑分布电容布电容的影响。的影响。 如：如：1111/CjRZ等。等。Z1Z2 Z3Z4tUumsintUZZZZZZZZtumsin)()(432142310设正弦交流电源设正弦交流电源则输出交流电压则输出交流电压UZZZZZZZZU)(4321423104231ZZZZ交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件：或或（1）等臂电桥单臂应变情况下）等臂电桥单臂应变情况下UZZU410tUKtumsin41)(0（2）等臂电桥双臂应变情况下）等臂电桥双臂应变情况下UZZU410tUKtumsin41)(0(三三) 电桥的线路补偿电桥的线路补偿 （1）初始

12、平衡补偿）初始平衡补偿 对平衡位置（零点）对平衡位置（零点）的改变进行的补偿。的改变进行的补偿。 如果某一对桥臂电如果某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补联小的补偿电阻进行补偿，以满足电桥的初始偿，以满足电桥的初始平衡条件。平衡条件。补偿电阻补偿电阻（2）温度补偿）温度补偿a.a.补偿片补偿补偿片补偿b.b.热敏电阻补偿热敏电阻补偿补偿应变片补偿应变片置于相同现场温度置于相同现场温度不受力不受力受力受力工工作作应应变变片片热敏电阻热敏电阻调零调零如图中如图中R2、R4桥臂的总温度系数低桥臂的总温度系数低,可采用高温度系

13、数的可采用高温度系数的RT进行补偿进行补偿（3）弹性模量补偿）弹性模量补偿 弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。化变硬，弹性模量增大等。 对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行进行补偿。补偿。温度补偿温度补偿调零调零弹性模量补偿弹性模量补偿 分析：当弹性材料升分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的温变软，同样受力引起的应变应变增大，测量电路输增大，测量电路输出会增大。出会增大。 加上加上R RE E之后，由于之后，由于R RE E升温增大，电桥电路供电升温

14、增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温引电压减小，补偿了升温引起的输出增大。起的输出增大。 五、电阻应变式传感器的应用五、电阻应变式传感器的应用（一）测力与称重传感器（一）测力与称重传感器（二）压力传感器（二）压力传感器 补偿片补偿片工作片工作片膜片膜片应变片应变片插座插座（三）加速度传感器（三）加速度传感器质质量量块块应应变变梁梁应应变变片片阻阻尼尼液液密密封封垫垫接接线线板板底座底座（四）位移传感器（四）位移传感器弹簧弹簧插头座插头座应变片应变片等宽悬臂梁等宽悬臂梁调整螺钉调整螺钉顶杆顶杆第二节第二节 固态压阻式传感器固态压阻式传感器 -半导体传感器半导体传感器 压阻效应：固体受到作用力后

15、，电阻率就要发生变化，压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。 半导体压阻式传感器分类半导体压阻式传感器分类粘贴式应变片粘贴式应变片扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器 特点：灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，特点：灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能化。化、智能化。 本节介绍本节介绍扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器设半导体材料的压阻系数为设半导体材料的压阻系数为 ，材料受到的应力为，材料受到的应力

16、为， 有有一、工作原理与结构一、工作原理与结构)21 (RR对于半导体材料，其电阻率的变化为：对于半导体材料，其电阻率的变化为：ll 在弹性变形限度内，压阻效应是可逆的，当应力消失在弹性变形限度内，压阻效应是可逆的，当应力消失时，硅片的电阻会恢复原来数值。时，硅片的电阻会恢复原来数值。 注意：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同。注意：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同。压阻效应传感器的核心压阻效应传感器的核心-硅膜片硅膜片内部电路内部电路膜片芯体示意图膜片芯体示意图引引出出线线二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器硅杯硅杯高高压压腔腔低压腔低压腔硅膜片硅膜片引线引线引线引线三、压阻式加速

17、度传感器三、压阻式加速度传感器基座基座扩散电阻扩散电阻质量块质量块梁梁 四、压阻式传感器的应用四、压阻式传感器的应用 因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能化的优点。在航空、航海、石油、化工、机械、兵器、化的优点。在航空、航海、石油、化工、机械、兵器、医疗等各方面获得广泛应用。医疗等各方面获得广泛应用。机械机械：实时检测各种机器设备、生产线的气液压力等：实时检测各种机器设备、生产线的气液压力等 航空航空：飞机发动机压力、物体加速度等：飞机发动机压力、

18、物体加速度等兵器兵器：枪炮膛内压力、爆炸压力、冲击波压力等：枪炮膛内压力、爆炸压力、冲击波压力等医疗医疗：测量心脑血管、颅内、尿道、眼球内压力等：测量心脑血管、颅内、尿道、眼球内压力等其他：自来水管网压力检测其他：自来水管网压力检测 震动检测震动检测 过山车加速度检测等过山车加速度检测等第三节第三节 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器 热电阻传感器热电阻传感器分类：分类：金属热电阻金属热电阻=热电阻热电阻半导体热电阻半导体热电阻=热敏电阻热敏电阻 热电阻传感器热电阻传感器-利用利用导体或半导体导体或半导体的的电阻值随电阻值随温度变化温度变化而变的物理现象进行温度检测。而变的物理现象进行温度检

19、测。 一、热电阻一、热电阻 优点：优点： （1 1）电阻）电阻- -温度变化具有良好的线性关系；温度变化具有良好的线性关系； （2 2）电阻温度系数大，故测量精度高；）电阻温度系数大，故测量精度高； （3 3）热容量小，反应速度快；）热容量小，反应速度快； （4 4）有较大的测量范围；）有较大的测量范围；200200500500； （5 5）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格较低。较低。 （5 5）易于使用在自动测量和远距离测量中。）易于使用在自动测量和远距离测量中。（一）铂电阻（一）铂电阻 铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠铂热电阻的特

20、点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所所以在温度传感器中得到了广泛应用。以在温度传感器中得到了广泛应用。 铂热电阻的特性方程：铂热电阻的特性方程： 在在0650的温度范围内的温度范围内: 在在-2000的温度范围内的温度范围内:32020)100(11ttCBtAtRRBtAtRRttR Rt t和和R R0 0分别为分别为tt和和00时铂电阻值时铂电阻值; A; A、 B B和和C C为常数。为常数。 目前我国规定工业用铂热电阻有目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10和和R0=100两两种种, 它们的分度号分别为它们的分度号分别为Pt10和和Pt100, 其中以其中以Pt100为常用。为常用。

21、 不同分度号有相应分度表不同分度号有相应分度表, 即即Rt-t 的关系表。的关系表。 实际测量中实际测量中, 只要测得热电阻的阻值只要测得热电阻的阻值Rt, 便可从便可从分度表分度表上上查出对应的温度值。查出对应的温度值。 铂电阻丝铂电阻丝 银引出线银引出线骨架骨架铂热电阻铂热电阻P Pt100t100分度表分度表 （二）铜电阻（二）铜电阻 由于铂是贵重金属由于铂是贵重金属, 在一些测量精度要求不高且温度在一些测量精度要求不高且温度较低的场合较低的场合, 可采用铜热电阻测温可采用铜热电阻测温, 测量范围测量范围-50+150。 铜热电阻在测量范围内电阻值与温度的关系铜热电阻在测量范围内电阻值与

22、温度的关系: 为铜热电阻的电阻温度系数，铜热电组的有两种分为铜热电阻的电阻温度系数，铜热电组的有两种分度号度号 Cu50(R0=50)和和Cu100（R100=100）。）。 tRRt10铜电阻丝铜电阻丝 骨架骨架铜引出线铜引出线 铜热电阻线性好铜热电阻线性好, ,测温范围小，测温范围小， 价格便宜价格便宜, , 易氧化易氧化, , 不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。 铂热电阻线性好，测温范围较大，价格昂贵，不宜氧铂热电阻线性好，测温范围较大，价格昂贵，不宜氧化，在腐蚀性介质或较高温度下可以工作。化，在腐蚀性介质或较高温度下可以工作。热电阻的外形结构热电阻的外形结

23、构 接线盒接线盒 热电阻热电阻固定螺纹固定螺纹 引线方式有两线制、引线方式有两线制、 三线制和四线制三线制和四线制, , 二线制引线电阻对二线制引线电阻对测量影响大测量影响大, , 精度低。三线制可以减小连接导线电阻因温度变精度低。三线制可以减小连接导线电阻因温度变化所引起的测量误差。化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除误差。四线制可以完全消除误差。二、热敏电阻二、热敏电阻珠状珠状柱状柱状片状片状)11(00TTBteRR 热敏电阻的热敏电阻的阻值与温阻值与温度度之间关系：之间关系： R R0 0为温度为为温度为T T0 0时的电时的电阻，阻，R Rt t为温度为为温度为T T时的电时的电

24、阻。阻。 热敏电阻优点：热敏电阻优点： 电阻温度系数大，灵敏度高，热电阻温度系数大，灵敏度高，热惯性小，反应速度快，体积小，结构简单，使用方便，惯性小，反应速度快，体积小，结构简单，使用方便，寿命长，易于远距离测量。寿命长，易于远距离测量。 热敏电阻缺点：热敏电阻缺点：电阻随温度变化曲线为非线性，且电阻随温度变化曲线为非线性，且同一型号电阻的产品特性参数有较大差别，难于互相代同一型号电阻的产品特性参数有较大差别，难于互相代换。换。二、热电阻式传感器的应用二、热电阻式传感器的应用 （一）（一）工工业业温温度度计计1 12 23 34 4tRUU引线电阻相等引线电阻相等铂电阻铂电阻或铜电阻或铜电阻

25、（二）工业（二）工业流量流量计计3 34 4不流动环境不流动环境 当液体流动时，铂电阻当液体流动时，铂电阻4 4温度随流速变化，铂电阻温度随流速变化，铂电阻3 3温温度不随流速变化，流体速度将引起电桥的不平衡输出。度不随流速变化，流体速度将引起电桥的不平衡输出。铂电阻铂电阻流动环境流动环境铂电阻铂电阻当液体不流动时，两个当液体不流动时，两个铂电阻等温，电桥平衡铂电阻等温，电桥平衡（三）（三）热热敏敏电电阻阻点点温温计计S1S1：工作方式：工作方式 0 0 关机关机 1 1 校表校表 2 2 测温测温S2S2：换量程：换量程 （四）热敏电阻热保护（四）热敏电阻热保护 电机绕组过热，热敏电阻阻值增

26、大，达到保护程电机绕组过热，热敏电阻阻值增大，达到保护程度，保护电路动作，驱动继电器动作切断电源。度，保护电路动作，驱动继电器动作切断电源。保护电路保护电路继电器继电器热敏电阻热敏电阻电动机电动机（五）（五）热热敏敏电电阻阻液液位位传传感感器器常温电阻常温电阻冷冷电电阻阻总电流总电流液面高低液面高低影响影响输出电流输出电流（六）热敏电阻湿度传感器（六）热敏电阻湿度传感器感湿热敏电阻感湿热敏电阻感测介质湿度、温度感测介质湿度、温度密封热敏电阻密封热敏电阻处于被测温度处于被测温度不能感测湿度不能感测湿度湿湿度度引引起起输输出出调零放大电路调零放大电路 一、气敏电阻的工作原理一、气敏电阻的工作原理

27、气敏电阻的材料是金属氧化物半导体气敏电阻的材料是金属氧化物半导体, , 当被气体吸附当被气体吸附时这些材料的电阻率会发生变化，利用这个原理可以制成时这些材料的电阻率会发生变化，利用这个原理可以制成气敏元件和气敏传感器气敏元件和气敏传感器-通过电阻率变化监视气体浓度。通过电阻率变化监视气体浓度。 主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。 金属氧化物半导体分金属氧化物半导体分N N型半导体（氧化锡、氧化铁、氧型半导体（氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等）

28、和化锌、氧化钨等）和P P型半导体（氧化钴、型半导体（氧化钴、 氧化铅、氧化氧化铅、氧化铜、氧化镍等）铜、氧化镍等） 第四节第四节 气敏电阻气敏电阻 气敏电阻的检测气敏电阻的检测灵敏度受温度影响很灵敏度受温度影响很大，在常温下输出信大，在常温下输出信号微弱，升温后电导号微弱，升温后电导率变化明显。率变化明显。 提高对某些气体成分的选择性和灵敏度的方法：（提高对某些气体成分的选择性和灵敏度的方法：（1 1）渗入微）渗入微量的铂、银、金等元素；（量的铂、银、金等元素；（2 2）使用金属盐类催化剂。）使用金属盐类催化剂。低低温温高高温温低温低温高温高温加热电路加热电路测测量量电电路路气气敏敏元元件件

29、注意：气敏元件要加温使用！注意：气敏元件要加温使用！ （一）氧化锡系气敏电阻（一）氧化锡系气敏电阻 该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加, , 在在100300100300范围内电导率变化很大。范围内电导率变化很大。二、常用气敏电阻二、常用气敏电阻SnOSnO2 2加热丝兼加热丝兼电极电极2 2加热丝兼加热丝兼电极电极1 1SnOSnO2 2加热丝加热丝引线引线2 2引线引线1 1电极电极1 1电极电极2 2SnOSnO2 2薄膜薄膜电极电极1 1电极电极2 2加热加热1 1加热加热2 2网罩网罩电极电极1 1电极电极SnOSnO2 2加热加热陶瓷座

30、陶瓷座电线引脚电线引脚整体结构整体结构（二）氧化锌系气敏电阻（二）氧化锌系气敏电阻圆形绝缘基板圆形绝缘基板ZnOZnO涂层涂层电极电极加热丝加热丝催化剂催化剂隔膜隔膜（三）氧化铁系气敏电阻（三）氧化铁系气敏电阻r-Fer-Fe2 20 03 3加热丝加热丝r-Fer-Fe2 20 03 3双层网罩双层网罩加热加热电极电极加热加热电极电极气敏元件气敏元件电极电极三、气敏电阻的应用三、气敏电阻的应用（一）气敏电阻检漏报警器（一）气敏电阻检漏报警器预热预热开关开关工作工作开关开关气敏电阻气敏输出电压气敏输出电压 检出可燃气体时，气敏检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压增大，电阻减小，电压增大，V1V1触触发发V2V2，报警灯亮，音频振荡，报警灯亮，音频振荡电路也自激振荡声音报警。电路也自激振荡声音报警。（二）矿灯瓦斯报警器（二）矿灯瓦斯报警器加加热热支支路路测量支路测量支路矿矿灯灯控控制制支支路路 检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1V1、V2V2导通，导通，V3V3、V4V4振荡，报警灯闪烁。振荡，报警灯闪烁。