第二章 第一节电阻式传感器

1、南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 第二章、力敏传感器第二章、力敏传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院力敏传感器：将各种力（气体、液体、固体等力敏传感器：将各种力（气体、液体、固体等物质间的相互作用力）转变为电参数的装置或物质间的相互作用力）转变为电参数的装置或原件。原件。第一节、电阻式传感器第一节、电阻式传感器 第二节、电感式传感器第二节、电感式传感器第三节、电容式传感器第三节、电容式传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院本节学习要求：本节学习要求：1.1.了解电阻式传感器的作用了解电阻式传感器的作用 2.2.掌握电阻式传感器的原理、类型和结构掌握电阻式传感器的原理、

2、类型和结构3.3.掌握电阻式传感器的应用掌握电阻式传感器的应用4.4.了解传感器的结构、类型、参数了解传感器的结构、类型、参数第第1节节 电阻式传感器电阻式传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院电阻式传感器电阻式传感器是把被测量是把被测量( (位移、力、压力、加速度、扭矩位移、力、压力、加速度、扭矩) )转换为转换为电阻变化的一种传感器。电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :电位计式、电阻应变式、电位计式、电阻应变式、 压阻式、热电阻式、压阻式、热电阻式、 湿（气、光）敏电阻式。湿（气、光）敏电阻式。 优点：优点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和

3、测量速 度快等应用范围：广泛航空、机械、电力、化工、建筑、医学等许多领域，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等一、电阻式传感器的作用一、电阻式传感器的作用电量力物理量南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院应变计金属应变片金属应变片南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 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。生变

4、化。 二、应变式传感器的原理二、应变式传感器的原理一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 当电阻丝受到拉力F作用时， 引起电阻值变化量为 SlR南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院1丝式应变片：结构如下图所示。 2、箔式应变片：如左图所示，箔材厚度多为0.001-0.01mm。3.薄膜应变片 3、薄膜应变片：采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅。应变式传感器的类型和结构应变式传感器的类型和结构南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院三、应变效应的应用三、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应

5、力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应电阻应变片的应用可分为两大类：变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴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用应变式传感器。就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变应变式传感器式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪是将应变片贴于被测试件上，然

6、后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院1、电子秤的工作原理、电子秤的工作原理南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院案例案例1 1：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院人体秤人体秤 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院地泵地泵南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院原理分析原理分析：力力电阻变化电阻变化 电压电压南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院应变片测量电路应变片测量电路VER1R4R2R3132434

7、12()()R RR RVERRRR 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，一般用电桥。量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，一般用电桥。单臂电桥单臂电桥南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院令：令：4RR3RRdR12RRRERRdRRRRRdRRRV)()(RdRE4)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变13243412()()R RR RVERRRR南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院

8、双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变为应变片，片， R3、R4为固定为固定电阻电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电以及产生的电阻增量正负号相间，阻增量正负号相间，可以使输出电压可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，片，如果设法使试件受力后，应变片应变片R R1 1 R R4 4产生的电阻增量产生的电阻增量（或感受到的应变（或感受到的应变 1 1 4 4）正负）正负号相间，就可以使输出电压号相间，就可以使输出电压U Uo

9、o成倍地增大。上述三种工作方成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。自补偿。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能

10、克服温漂。克服温漂。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 案例案例2 2：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院案例案例3 3：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。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院应变片的粘贴：应变片的粘贴：1. 1. 去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件砂轮工具除去构件表面的油污、漆、表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹布交叉打磨出细纹以增加粘贴

11、力以增加粘贴力 ，用，用浸有酒精或丙酮的浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球纱布片或脱脂棉球擦洗。擦洗。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 2. 2.贴片：在应变贴片：在应变片的表面和处理过片的表面和处理过的粘贴表面上，各的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴涂一层均匀的粘贴胶胶 ，用镊子将应，用镊子将应变片放上去，并调变片放上去，并调好位置，然后盖上好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下揉和滚压，排出下面的气泡面的气泡 。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 3. 3.测量测量 ：从分开的：从分开的端子处，预先用万端子处，预先用万用表测量应变片的用表测量应变片的电

12、阻，发现端子折电阻，发现端子折断和坏的应变片。断和坏的应变片。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院4.4.焊接：焊接： 将引线将引线和端子用烙铁焊接和端子用烙铁焊接起来，注意不要把起来，注意不要把端子扯断。端子扯断。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院5.5.固定：固定： 焊接后焊接后用胶布将引线和用胶布将引线和被测对象固定在被测对象固定在一起，防止损坏一起，防止损坏引线和应变片。引线和应变片。南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院案例案例4 4：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

13、阻南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院案例案例5 5：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 -电阻电阻南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 案例案例6 6：机器人握力测量：机器人握力测量南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院四、应变片的主要参数及应变片分类四、应变片的主要参数及应变片分类 4 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 1 1）几何参数：表距）几何参数：表距L L和丝栅宽度和丝

14、栅宽度b b，常用，常用b bL L表示。表示。2 2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。 3 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 参数名称电阻值 /灵敏度电阻温度系数 /（1/C）极限工作温度 /C最大工作电流 /mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-60.4%0.2%-1040-1040

15、-3060-30200-30170606020202525251525南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院压阻式压力传感器的隔离、承压膜片压阻式压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压膜片可隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片液体与硅膜片 隔离隔离开来。开来。 五、五、 其他电阻式传感器其他电阻式传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于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。同一硅片上，工艺一致性好。 4.2 电阻式传感器电阻式传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院压阻式压阻式 压力传

16、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南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院投入式液位计外形投入式液位计外形 压阻式压压阻式压力传感器力传感器 光柱光柱 显示器显示器 橡胶橡胶 背压管背压管 h=h0+h1=h0+p1 /（ g） 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院4 4 气敏电阻传感器气敏电阻传感器 使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可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化量，以把某种气

17、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。再转换为电流、电压信号。 还原性气体传感器还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，化学价升高的气体。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、煤气、天然例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。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剂、激活剂等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它

18、添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院a a）气敏烧结体）气敏烧结体 b b）气敏电阻外形）气敏电阻外形 c c）基本测量转换电路）基本测量转换电路 11引脚引脚 22塑料底座塑料底座 33烧结体烧结体 44不锈钢网罩不锈钢网罩 55加热电极加热电极6 6工作电极工作电极 7 7加热回路电源加热回路电源 8 8测量回路电源测量回路电源 MQN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的两组铂丝组成。一组铂丝为工作

19、电极，另一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（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。组（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敏电阻工作时必须加热到200 300，其目的是加速被测气体的化，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院气敏电阻外形气敏电阻外形 酒精传感器酒精传感器 其他可燃性其他可燃性气体传感器气体传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院酒精测试仪酒精测试仪呼气管呼气管南昌大学

20、机电工程学院南昌大学机电工程学院家庭用液化气报警器家庭用液化气报警器烟雾报警器烟雾报警器一氧化碳传感器一氧化碳传感器家庭用煤气报警器家庭用煤气报警器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院5 5 湿敏电阻传感器湿敏电阻传感器 绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量米大气中所含水汽的质量( (克数克数) )。 相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达小的方法。当相对湿度达1

21、00%100%时，称饱和状态。时，称饱和状态。 湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院湿度传感器的分类湿度传感器的分类 南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院电子电子湿度计模块湿度计模块封装后封装后的外形的外形南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院电子相对湿度仪表的标定仪器电子相对湿度仪表的标定仪器 干湿球湿度计外形及原理干湿球湿度计外形及原理干球干球湿球湿球4.2 电阻式传感器电阻式传感器南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院 用干湿球湿度计测量相对湿度的原理用干湿球湿度计测量相对湿度的原理 上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份