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第2章电阻式传感器及其信号调理

电阻式传感器的基本原理是依据某种物理、化学或生物效应将某种非电量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路将电阻值的变化变成电信号输出，从而完成非电量的电测量。电阻式传感器的类型包括热电阻、应变片、热敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻、气敏电阻等。目录

2.1电阻应变片

2.2其它电阻式传感器2.3电阻式传感器的信号调理2.1电阻应变片2.1.1电阻应变片的工作原理——应变效应电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为

两边进行微分运算，求得其电阻相对变化应变原理演示

图2-1导体受拉伸后的参数变化轴向线应变或纵向线应变

面应变

负号表示面应变与线应变成正比，但是变化方向相反。

实验证明，体应变

金属材料

综合得2.1.2电阻应变片的结构、种类1电阻应变片的结构电阻应变片的结构如图所示，由敏感栅(金属丝或箔)、基底、覆盖层、粘合剂、引出线等组成。图2-2金属电阻应变片的结构

2电阻应变片的种类按敏感栅的结构形式，金属电阻应变片可分为丝式、箔式、薄膜式等。图2-3金属应变片的结构形式

金属丝式应变片的结构箔式应变片的外形2.1.3电阻应变片的主要特性1灵敏系数灵敏系数为应变片的电阻相对变化与试件主应力方向的应变之比。电阻应变片的灵敏系数与单纯的电阻丝的灵敏系数是不相同的,原因：(1)试件的形变是通过剪力传到敏感栅上的。(2)栅丝沿长度方向承受纵向应变时，应变片弯角部分承受横向应变，其截面积变大，则应变片直线部分电阻增加时，弯角部分的电阻值减少，也使应变片的灵敏度下降。2横向效应横向效应：沿应变片轴向的应变必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化。3机械滞后，零漂及蠕变应变片安装在试件上以后，通过实验，在一定的温度下，在零到某一指定应变之间的应变范围内，作出应变片电阻相对变化与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线，二者并不重合，这种现象称为应变片的机械滞后。产生机械滞后的原因，主要是金属丝、粘结剂和基底在承受机械应变后都留有残余变形。零漂：已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移。蠕变：已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化。在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的。在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值，这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义突出。4温度效应环境温度变化时，会引起粘贴到试件上的电阻应变片阻值的变化。从电信号方面看，似乎发生了应变，即产生了虚假应变，这种现象称为温度效应。温度改变引起电阻变化的主要因素有二：其一是应变片电阻丝的温度系数；其二是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。5应变极限指当温度一定时，指示应变和真实应变的相对差值不超过一定数值时的最大真实应变数值。一般规定此差值为10％，即指示应变数值为真实应变的90％时的真实应变值称为应变片的极限。6电阻应变片的动态响应特性动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度V与声波相同。图2-4应变波

2.1.4电阻应变片的粘贴技术应变片的粘贴步骤如下：(1)应变片的检查与选择。(2)试件的表面处理。(3)底层处理。(4)贴片。(5)固化。(6)粘贴质量检查。(7)引线焊接与组桥连线。

应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。

4.焊接：

将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

2.1.5电阻应变片的典型应用举例电阻应变片主要有以下两种应用方式：1)被测量为应变2)被测量为除应变外的其他非电量力可以通过实心轴、空心轴、悬臂梁、双端固支梁等结构型式的敏感器转换为应变。如图2-5所示为实心轴，通过材料力学知识的推导，可得轴向应变和径向应变分别为

图2-5实心轴力敏感器图2-6所示为采用实心轴力敏感器的电阻应变式力传感器，是通过将应变片粘贴到受力的实心轴力敏感器上而构成的。

图2-6应变式力传感器示意图

【例2-1】一个=2.1（应变灵敏度系数）的350应变片被粘贴到铝支柱（E=73GPa）上。支柱的外径为50mm，内径为47.5mm。试计算当支柱承受1000kg负荷时电阻的变化。

应变式力传感器

S型力传感器

FFFF各种悬臂梁

各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆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片的粘贴位置FR1R2R4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）FF荷重传感器原理演示贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变长。汽车衡测量装货量或判断超载荷重传感器用于构件的称重

荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一电子秤中的各类弹性元件

应变式数显扭矩扳手

数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程2~500N·m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。应变式数显扭矩扳手（续）汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎汽车胎压传感器的安装电阻应变仪（续）接线端子材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

材料应变的测量（续）预应力管桩的质量检验：工作人员正在贴应变片

应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固定目录

2.1电阻应变片

2.2其它电阻式传感器2.3电阻式传感器的信号调理2.2其它电阻式传感器2.2.1压阻式传感器半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应”。

设E为半导体材料的弹性模量

同样，由电阻定律表达式可推出半导体材料压阻效应的定量表达式

对于半导体材料，因此依据半导体的压阻效应，制成两类传感器。一类是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式应变片，制作成半导体应变式传感器。另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件，亦称扩散型压阻式传感器。压阻式传感器的优点是：①灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；②分辨率高，测压力时可测10Pa至20Pa的微压；③元件有效面积可做得很小，故频率响应高；④可测量低频加速度与直线加速度。压阻式传感器的最大缺点是温度误差较大。半导体应变片半导体应变片的主要优点是灵敏度高；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，需采用温度补偿及非线性补偿措施。

2.2.2热电阻利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器，按采用的电阻材料可分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。制作温度敏感元件的电阻材料要满足以下要求：①要有尽可能大而且稳定的电阻温度系数；②电阻率大，以便在同样灵敏度下减小元件尺寸；③电阻温度系数要保持单值，并且最好是常数，以保证电阻随温度变化的线性关系；④性能要稳定，在电阻的使用范围内，其物理、化学性能基本保持不变。广泛应用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等。

1铂热电阻传感特性铂易于提纯，复制性好；在氧化性介质中，甚至高温下，其物理化学性质极其稳定；但在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所沾污，使铂丝变脆，并改变了它的电阻与温度的关系。铂电阻温度计的使用范围是-200℃--850℃。铂热电阻已经标准化,常用分度号为PT100当温度在-200℃--0℃范围内时，铂热电阻和温度的关系为

当温度在0℃--850℃范围内时，铂热电阻和温度的关系为

式中t—摄氏温标下的温度值；Rt—t℃时的阻值；R0—0℃时的阻值；A—常数，B—常数，C—常数，2铜热电阻传感特性铜热电阻的温度系数比铂热电阻大，价格低，而且易于提纯；但存在着电阻率小，机械强度差等弱点。铜热电阻已经标准化,常用分度号为ＣＵ５0铜热电阻在-50℃—150℃的使用范围内，其电阻值与温度的关系近似线性关系，可表示为式中Rt——温度为t℃时的阻值；R0——温度为0℃时的阻值；α——电阻温度系数，图2-9热电阻的结构

3热电阻的结构热电阻主要由电阻体、绝缘套管和接线盒等组成。电阻体主要组成部分为电阻丝、引出线、骨架等。薄膜式及装配式铂热电阻

小型铂热电阻

防爆型铂热电阻

坚实的外壳起“隔爆”作用汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻学习查“铂热电阻分度表”1.Pt100在40℃时为多少欧？2.铂热电阻是否线性？2.2.3热敏电阻热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。1传感特性热敏电阻可分为负温度系数NTC型热敏电阻、正温度系数PTC型热敏电阻、临界温度系数CTR型热敏电阻三种。图2-11热敏电阻的传感特性

取一只100W/220V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，而计算得到的额定热态电阻值应为484。

请说明钨丝的温度系数的正负。

2伏安特性静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。图2-12热敏电阻的伏安特性

3主要参数（1）标称电阻值RH（2）耗散系数（3）电阻温度系数（4）热容（5）能量灵敏度（6）时间常数（7）额定功率热敏电阻有以下优点：①灵敏度高。半导体的电阻温度系数比金属大，一般是金属的十几倍；②体积小、热惯性小、结构简单。可根据不同要求，制成各种形状；③化学稳定性好，机械性能好，价格低廉，寿命长。热敏电阻的缺点是复现性和互换性差，非线性严重。图2-13利用热敏电阻测量流量

2.2.4气敏电阻半导体气敏电阻是用氧化锌、氧化锡等金属氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。1基本结构直热式气敏电阻元件制作工艺简单、成本低、功耗小，可在较高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。

图2-14直热式气敏电阻

2工作原理烧结型SnO2气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。图2-15半导体气敏电阻的传感特性示意图图TGSl09型气敏传感器结构图

气敏传感器的应用自动通风扇气敏电阻放大电路加热电源比较器电路触发电路晶闸管电路排风扇温度补偿喇叭声光报警驱动电路闪光指示油烟(煤气)图8自动通风扇的原理框图

1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。

2.2.5光敏电阻1传感原理——内光电效应光敏电阻的阻值与其受到的光的照度有关。无光照时，光敏电阻阻值很高，有光照时，其阻值大大下降，光照越强其阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。其依据是半导体材料所具有的光电导效应。图2-16内光电效应示意图光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子-空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。光电导效应及光电元件2光敏电阻的种类(1)检测紫外光的光敏电阻(2)检测可见光的光敏电阻(3)检测红外光的光敏电阻3光敏电阻的基本特性(1)光谱特性光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图2-17光敏电阻的光谱特性（2）光照特性光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。图2-18光敏电阻的光照特性(3)伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。图2-19光敏电阻的伏安特性（4)频率特性频率特性指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。图2-20光敏电阻的频率特性

(5)温度特性温度特性指光敏电阻工作特性受温度的影响。图2-21光敏电阻的温度特性

2.2.6磁敏电阻磁敏电阻的阻值随磁场强度的变化而变化。图2-22InSb磁敏电阻的基本结构

图2-23InSb磁敏电阻的特性曲线为提高磁敏电阻的阻值，往往采用曲折型结构图2-24曲折型结构磁敏电阻磁敏电阻直接测量的非电量是磁感应强度。若某种非电量能够借助敏感元件转换为磁感应强度，则也可用磁敏电阻完成该非电量的检测。例如，可采用磁敏电阻检测位移、角度、电流、电功率等。目录

2.1电阻应变片

2.2其它电阻式传感器2.3电阻式传感器的信号调理2.3电阻式传感器的信号调理2.3.1惠斯登电桥1直流电桥与交流电桥在人工静态应变测量中可采用平衡电桥，通过对调节臂电阻的手动调节，使电桥达到平衡，用调节臂电阻的阻值表示被测应变值。电桥有直流电桥与交流电桥之分。2直流电桥时，称为等臂电桥；，()时，称为输出对称电桥。，()时，称为电源对称电桥。电桥输出电压为电桥平衡条件为图2-26单臂工作电桥图2-27双臂电桥图2-28四壁电桥【例2-3】如将两个120电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上，试件负载截面积为，弹性模量E=200GN/m2，由50kN的拉力所引起的应变片电阻变化为1.2。把它们接入惠斯登电桥中，电桥电源电压为l.0V，求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少?【例2-4】图2-29利用运算放大器对热电阻进行恒流源激励，将被测温度转换为输出电压信号，设传感器分度号为Pt100，测量范围为20℃~100℃，分辨率为0.1℃，测量环境为流速0.4m/s的水，耗散系数，参考电压为5V，要求测量装置的灵敏度为1mV/℃,计算电阻。3交流电桥交流电桥的一般形式如图2-30所示。图2-30交流电桥的一般形式

与分析直流电桥的分析方法、结论表达形式完全相同。同理也可推出交流供电的单臂、全桥时的表达式。交流电桥初始调平衡更为复杂些，一般既有电阻预调平衡，也有电容预调平衡。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电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路p小型压阻式固态差压传感器（续）可用于呼吸、透析和注射泵等设备p1进气管p2进气管电缆引出小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管休息一下2.3.2测量放大电路1实际运算放大电路分析目前集成运算放大器在开环增益和输入电阻上大多可以接近理想运算放大器。在一般放大电路的设计中采用虚短和虚断的概念是允许的。对于交流放大电路，主要关心的是交流信号的幅值。多级放大电路的各级之间一般有隔直措施，此时主要关注的是电路的频率特性。图2-31输入电流的影响分析理想运算放大器两输入端的输入电流为零，实际运算放大器两输入端的输入电流却不可能为零。图2-32改进的反相和同相放大器图2-33输入失调电压影响分析对差动输入放大器进行讨论。输出电压中存在一个数值为Zf／Z1(Ui+-Ui-)的项，该项正比于差分输入信号，是差动放大器期望的输出结果。但是在输出结果中还存在始终等于同相输入Ui+的另一项，这使得输出电压与差分输入电压呈非线性关系。图2-34为改进的差动放大电路。利用虚短和虚断的概念，得到Uo的表达式为令Z2＝Z1，Z3=Zf

输出与差分输入之间的线性关系。图2-34差动放大器的标准设计2测量放大电路的基本要求与类型基本要求：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②稳定的放大倍数；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率(无畸变地放大瞬态信号)；⑥高共模输入范围(如达几百伏)和高共模抑制比；⑦可调的闭环增益；⑧线性度好、精度高；⑨成本低。按测量放大电路的结构原理可分为差动直接耦合式、调制式和自动稳定式三大类。3典型测量放大电路的工作原理当传感器的工作环境恶劣时，传感器的输出有各种噪声，共模干扰很大，而传感器的输出信号弱、输出阻抗大时，一般运放已不能胜任，在这种情况下可用仪器放大器对差值信号进行放大。仪器放大器输入阻抗高，易于与各种信号源相匹配。它的输入失调电压和输入失调电流及输入偏置电流小，并且温漂小，时间漂移小，因而稳定性好。它的共模抑制比高，适于在高共模电压的背景下对微小差值信号进行放大。（1）仪器放大器的工作原理图2.35是仪器放大器的原理图。由运算放大器A1和A2构成第1级，由运放A3构成第Ⅱ级。各运放一般是高性能放大器。图2-35三运放仪器放大器原理图4单片集成测量放大器近年来，利用线性集成电路先进工艺而设计制成的单片集成测量放大器。图2-36AD612集成测量放大器内部电路结构图2-37AD612集成测量放大器和测量电桥的接线图图2-38AD521R、S端的连接a)接有远距离负载b)输出端接有跟随器2.3.3多功能传感信号调理电路AD693AD693是ADI公司推出的一种单片信号调理器，它具有高精度、多功能的特点。其用途十分广泛，使用也非常灵活；可用做小信号U/I转换器，还可作为各种传感器(例如铂热电阻、热电偶、电阻应变片测量电桥)的信号调理器。AD693适用于传感测试系统、工业过程控制及自动化仪表领域。AD693的同类产品为AD694，AD694适合接收高电平输入信号，但芯片内部没有备用放大器。1AD693的性能特点①内含可编程输入放大器、U/I转换器和多路输出式基准电压源。②输出电流有三种形式：4mA－20mA(单极性)，0－20mA(单极性)，12mA±8mA(双极性)。③输入电压范围和电流零点均可单独调节，二者互不影响。用户可根据需要灵活设计输入电压范围。④高精度。⑤利用芯片中的备用放大器，可对由铂热电阻(PRTD)、各种热电偶及电阻应变片桥路所产生的信号进行调理(包括缓冲、放大、与其他信号进行组合等)。⑥带Ptl00型PRTD接口，配铂热电阻时的测温误差为±0.5℃。⑦利用外部电阻可选配不同类型的热电偶并设定最高测量温度。⑧具有过电流保护和反向过电压保护功能