第二章电阻式传感器

1、湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院第二章、电阻式传感器第二章、电阻式传感器本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解电阻式传感器的分类了解电阻式传感器的分类 2.2.掌握电阻式传感器测量原理掌握电阻式传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路了解传感器测量电路湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.1 2.1 概述概述1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信因而从狭义上讲，传感器

2、是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2. 2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件与与辅助器件组成。组成。 敏感器件的作用是敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。 辅助器件则是辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV2.1 2.1 概述概述湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一是把被测量转换为电阻变化的一种传感器种传感器, , 按工作的原理可分为

3、按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式热敏式、光敏式、电敏式.1 1 变阻器式传感器变阻器式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院 等效电路分析等效电路分析: :xLL-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R RL L电刷电阻电刷电阻; ;EE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院x=L*E1 / E= K*E10 LEE1x2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院

4、机电分院湖州职业技术学院机电分院EE1V VRmRxR-Rx1EE1= =xLRmR+ +Lx()-2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院负载效应负载效应1EE1= =xLRmR+ +Lx()-0LE2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3)

5、 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院

6、机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电

7、阻电阻2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院1) 1) 工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个

8、参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入代入AlR/=dRAdARldlRdR+=2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院dAdAldlRdR+=有：有：金属丝：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：金属丝体积不变：=ldlrdr2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院有：有：dRdR+

9、=2对金属材料，导电率不变：对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：金属丝应变片：2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院应变计金属应变计金属应变计2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：采用去污：采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件表面的油污、构件表面的油污、漆、锈斑等，并用漆、锈斑等

10、，并用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴细纹以增加粘贴力力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脱脂棉球擦洗。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 2.2.贴片：在应变片贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀表面上，各涂一层均匀的粘贴胶的粘贴胶 ，用镊子将，用镊子将应变片放上去，并调好应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡排出下面的气泡 。2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器

11、2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 3.测量测量 ：从分开的端子处，从分开的端子处，预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻，量应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 4.焊接：焊接： 将将引线和端子用烙引线和端子用烙铁焊接起来，注铁焊接起来，注意不要把端子扯意不要把端子扯断。断。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 5.固定：固定： 焊焊接后用胶布将引接后用胶布将引线和被测对象固线和被测对象

12、固定在一起，防止定在一起，防止损坏引线和应变损坏引线和应变片。片。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位

13、置（续）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感荷重传感器上的应变片器上的应变片在重力作用下在重力作用下产生变形。轴产生变形。轴向变短，径向向变短，径向变长。变长。 电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率： 1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值； 测量点数：测量点数：8/16点；点；2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 右图所示的静动态右图所示的静动态 应变仪技术指标：应变仪技术指标：量程：量程：110000

14、频率范围：频率范围：0-150kHz n平衡方式：手动平衡方式：手动 n精度：精度：0.3% n零点飘移：零点飘移：- /：0.1- /24小时：小时：0.5n灵敏度变化：灵敏度变化：- /：0.05%- /24小时：小时：0.3% n信噪比：信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）电阻应变仪（续）电阻应变仪（续）2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片接线端子接线端子电阻应变仪（续）电阻应变仪（续）2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片

15、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电阻应变仪（续）电阻应变仪（续）2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片案例：案例： 振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。案例：案例： 汽车衡汽车衡案例：案例： 汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）汽车衡称重系统汽车衡称重系统磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示案例：案例： 电子秤电子秤

16、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案例：案例： 电子天平电子天平案例：案例： 人体秤人体秤 案例：案例： 冲床生产记数和生产过程监测冲床生产记数和生产过程监测斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 案例：案例： 材料应变的测量材料应变的测量吊钩秤吊钩秤 便携式便携式应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、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制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自

17、动断电英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。等功能。湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院半导体应变计半导体应变计drdrldlRdR+=2简化为：简化为：dRdR=E= 优点：灵敏度大优点：灵敏度大; ;体积小体积小; ; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相

18、等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。动态响应快。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承隔离、承压膜片可以将压膜片可以将腐蚀性的气体、腐蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片 隔离开来。隔离开来。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片压阻式固态压力传感压阻式固态压力传感器内部结构器内部结构信号处理电路信号处理电路2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2

19、 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片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绝对压力传感器绝对压力传感器2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片呼吸、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小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器(续续)2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管2.2 2.

20、2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器(续续) 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。硅油传导压力而与液体相通。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片投入式液位计投入式液位计投入式液位计外形（投入式液位计外形（续）续） 压阻式压阻式固态压力固态压力传感器传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压

21、管 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 投入式液位传感投入式液位传感器安装方便，适应于器安装方便，适应于深度为深度为 几米几米 至至 几十几十米，且混有米，且混有 大大 量量 污污物、杂质的水或其他物、杂质的水或其他液体的液位测量。液体的液位测量。 投入式液位计外形（投入式液位计外形（续）续）2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片投入式液位计液位的计算投入式液位计液位的计算： 安装高度安装高度h0处水的表压处水的表压 p1= gh1 h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 例：液

22、位计安装高度为例：液位计安装高度为1m，测得压力，测得压力为为98kPa，求水的深度。，求水的深度。投入式液位计外形（投入式液位计外形（续）续）2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片湖州职业技术学院机电分院湖州职业技术学院机电分院思考题思考题1. 金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?2. 采用阻值R=120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000um/m时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？休休 息息 一一 下下一

23、、金属热电阻一、金属热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器3 3 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得

24、到的额定热态电阻值应现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为为484 。 2.2 2.2 电阻式传感器电阻式传感器3 3 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 表表2-2 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 图图2-212-21 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）珠型热敏电阻热敏电阻 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热敏电阻热敏电阻

25、 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 4 4紫铜外壳紫铜外壳 5 5传热安装孔传热安装孔 薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻学习查学习查“铂热电阻分度铂热电阻分度表表”附录附录 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器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 设定开关设定开关二、热敏电阻二、热敏电阻 热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数）和正温度系数（PTC）之分。）之分。 N