传感器及其应用第二章

复习上次课内容一、画出电阻、电容、电感的电路符号图及相应的字母表示、国际单位及符号，画出二极管、三极管、变压器、放大器的电路符号图。二、衡量传感器性能好坏的特性有哪两种？三、静态特性有哪几个主要性能指标？四、简述灵敏度的定义，其公式是什么？第二章电阻式传感器

§2.1电阻应变式传感器

§2.2压阻式传感器

§2.3电位器式传感器

§2.4热电阻传感器

§2.1电阻应变式传感器

一、电阻应变片的结构和材料二、电阻应变片的工作原理三、电阻应变片的工作特性及参数四、电阻应变片的测量转换电路五、电阻应变片的应用§2.1电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最普遍的一种传感器，它测量精度高，范围广，频率响应特性较好，结构简单，尺寸小，易实现小型化，并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用，并且工艺性好，价格低廉。它主要应用在力作用下，将材料应变转变为电阻值的变化，从而实现力值的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或半导体材料。§2.1电阻应变式传感器

电阻应变式传感器的工作原理：利用电阻应变片（转换元件）将应变（ε）转换为电阻变化（ΔR）的传感器结构：通过在弹性元件（敏感元件）上粘贴电阻应变片实现§2.1电阻应变式传感器

一、电阻应变片的结构和材料电阻应变片的基本结构如图所示，由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。§2.1电阻应变式传感器

一、电阻应变片的结构和材料根据敏感栅材料的不同，应变片分为：金属电阻应变片、半导体应变片各种应变片力传感器上的应变片§2.1电阻应变式传感器

一、电阻应变片的结构和材料金属电阻应变片，根据结构形式分：丝式、箔式、薄膜式。丝式应变片a）箔式单向应变片（b）箔式转矩应变片（c）箔式压力应变片（d）箔式花状应变片

各种箔式应变片金属箔式应变片因其一系列优点而将逐渐取代丝式应变片，并占主要地位。§2.1电阻应变式传感器

一、电阻应变片的结构和材料半导体应变片分为：体型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、扩散型半导体应变片半导体应变片的工作原理：在一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。§2.1电阻应变式传感器

二、电阻应变片的工作原理１、电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。什么叫做应变

应变是指物体形变的比值：

ε＝ΔL／LFLΔLF电阻应变片根据应变效应制成，它将物体的应变量转换成电阻变化量，用来测量微小的机械形变。２、电阻应变片的工作原理

由物理学可知，电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系电阻丝应变效应Ｋ＝（ΔR／Ｒ)／(ΔL／L)=（ΔR／Ｒ)／ε２、电阻应变片的工作原理

通过弹性敏感元件，可以将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，从而可用应变片测量上述各量，做成各种传感器。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换成电压或电流的变化，这样就能直接测量被测对象的应变。Ｋ＝

（ΔR／Ｒ)／ε§2.1电阻应变式传感器

三、电阻应变片的工作特性及参数１、灵敏系数Ｋ５、迟滞２、电阻值６、零漂与蠕变３、最大工作电流７、应变极限４、横向效应８、温度误差§2.1电阻应变式传感器

四、电阻应变片的测量转换电路电阻应变片的电阻变化范围很小，如果直接用万用表电阻挡测量其电阻的变化十分困难，且误差很大。常采用电桥电路，将应变片微小的电阻变化转化为易测量的电压或电流信号。电桥按激励电源的不同，可分为：直流电桥和交流电桥。§2.1电阻应变式传感器

四、电阻应变片的测量转换电路１、电桥的工作原理（直流电桥）电桥平衡时，即，只要

。一般我们取即可实现。现将换成电阻应变片，即组成半桥单臂电桥，随构件产生应变造成传感器电阻变化时，一般，可忽略，由此可得可见，输出电压与电阻变化率成线性关系，也即和应变成线性关系，由此即可测出力值，半桥单臂工作输出的电压灵敏度为了提高输出电压灵敏度，可以采用差动半桥或并动全桥电路§2.1电阻应变式传感器

四、电阻应变片的测量转换电路２、电桥的连接方式

差动半桥差动全桥差动半桥差动全桥即差动半桥可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍，而差动全桥电路电压灵敏度又比差动半桥电压灵敏度提高一倍。可见，利用差动全桥，并提高供电电压E，可提高灵敏度系数。§2.1电阻应变式传感器

四、电阻应变片的测量转换电路３、调零电路即使在未受力的时候，桥路的输出也不一定为零，因此必须设置调零电路。用一可调电阻进行调零。提问：为什么要调零？§2.1电阻应变式传感器

五、电阻应变片的应用１、应变测量（

ε

）→ΔＲ→Ｕ或Ｉ２、力的测量（F）→ΔＲ→Ｕ或Ｉ弹性元件的形式：柱形、环形、梁形３、加速度的测量（a）→Ｆ→ΔＲ→Ｕ或Ｉ４、测量扭矩（T）

→ΔＲ→Ｕ或Ｉ崇明跃进桥检测——布置应变片桥梁加载，检测桥梁的应变测量电路——电桥应变片（R2、R3）应变片（R1、R4）悬臂梁的上、下表面各粘贴2片应变片，它们的电阻值相同。R1R2R3R4UR1＝R2＝

R3

＝

R4

R1R2R3R4UUAUB当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，R1、R4电阻值增大；梁的下表面压缩，R2、R3电阻值减小。此时UA＜UB，电桥失去平衡，输出与压力成正比的电压。

小小大大FR2R3R1R4R2R3R1R4R1＝R2＝

R3＝

R4

R=ρ·L／S悬臂梁受力后产生形变，应变片将悬臂梁的形变转换为电阻值的变化，并以电压形式输出。

FR2R3R1R4R1R2R3R4U力传感器的测量过程力形变形变电阻值变化电阻值变化电压变化应变片电阻丝保护层绝缘基片受力方向上面两只应变片下面两只应变片固定端受力端在悬臂梁的两个侧面各粘贴2片电阻应变片电子计价秤悬臂梁应变片固定端敏感元件人体秤中的

传感器应变片

固定端

悬臂梁

应变片的应用荷重传感器测量汽车载重练习题

1.传感器是由________、_________和转换电路三部分组成的。2.传感器的静态特性包括________、________、_______、测量范围、误差特性等。3.电阻式应变传感器的敏感元件是__________、转换元件是_________,转换电路是__________。4.应变片按材料的不同分为_________和_______。5.电阻应变片的工作原理是基于_______效应，半导体应变片的工作原理是基于_______效应。练习题

6.电源按激励方式不同，分为_______和_______。7.电桥分为_________和_________。8.直流电桥分为________、________和_______。

9.电阻应变式传感器的工作原理：利用_________将__________转换为_________的传感器。10.电阻式应变传感器可用于测量_____、_____、_______和扭矩等物理量。§2.2压阻式传感器

一、压阻式传感器基本原理二、压阻式传感器类型与特点三、压阻式传感器的应用§2.2压阻式传感器（型号）

水压力传感器液压、气压、油压传感器§2.2压阻式传感器

一、压阻式传感器基本原理

压阻式传感器是利用半导体的压阻效应制成。压阻效应：半导体材料受到应力（σ）作用时，其电阻率（ρ）会发生变化。

ΔＲ∕Ｒ＝Δρ∕ρ＝πＬσ＝πＬＥε半导体材料：Ｋ＝(ΔＲ∕Ｒ)∕ε＝πＬＥ§2.2压阻式传感器

二、压阻式传感器类型与特点类型：体型、薄膜型、扩散型优点：灵敏度高，测量元件尺寸小，频率响应高，横向效应小。缺点：温度稳定性差，非线性误差大。§2.2压阻式传感器

三、压阻式传感器的应用半导体应变片：用硅、锗等材料做成的应用：压阻式压力传感器（测压力），可用于测量心血管、颅内、尿道、眼球内等的压力。§2.3电位器式传感器§2.3电位器式传感器一、电位器的概念和分类1、概念：是一种可调的电子元件2、结构：电阻体、转动或滑动系统（触点）3、工作原理：将直线位移、角位移转换为与其成一定关系的电阻或电压输出§2.3电位器式传感器一、电位器的概念和分类

4、分类：按电阻体材料：线绕式、非线绕式按调节方式：旋转式、推拉式、直滑式按电阻值变化规律：直线式、指数式、对数式按结构特点：单圈、多圈、单联、多联等§2.3电位器式传感器二、电位器的空载特性处于空载状态：是线性的三、电位器的负载特性处于有载状态：是非线性的其测量转换电路，一般采用电阻分压电路（串联）§2.3电位器式传感器四、在电动阀门控制器中的应用工作原理：阀门开关位置改变的同时，经过齿条板带动电位器传感器旋转，就把阀门开度位置转换为电压信号反馈给控制电路板。控制电路板把阀门开度位置信号与给定的控制信号进行比较，控制电机正向或反向运动，再经过传动机构改变阀门的开度位置。如此组成闭环系统，使阀门稳定在所需位置上。§2.4热电阻式传感器

工作原理：热电阻温度传感器是利用物质的电阻率随温度变化而变化的特性来进行温度测量的，当温度变化时，热电阻的电阻值随温度变化而变化。用转换电路可将变化的电阻值转换成电信号输出，从而得到被测温度。按材料不同分：金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）一、热电阻（热电偶传感器）1、常用的金属热电阻材料：铂、铜、镍、铟、锰、铁等国际上实用温标把铂作为标准，测量－50℃~150℃的温度常使用铜作为热电阻传感器。一、热电阻（热电偶传感器）2、热电阻的基本参数①标称电阻（R0）：热电阻在0℃时的电阻值

②温度测量范围及允许偏差范围③热响应时间

④额定工作电流：热电阻连续工作所允许通过的最大电流，一般为2~5mA

⑤分度表与分度号：分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻－温度对照表。分度号是指分度表的代号，一般用热电阻金属材料的化学符号和0℃时的电阻值表示。

如Pt100，表示金属材料为铂，标称电阻为100Ω一、热电阻（热电偶传感器）3、热电阻的温度特性指热电阻的阻值与温度之间的关系，呈非线性。

Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)Rt：t

℃时的电阻值R0：0

℃时的电阻值

4、普通工业用热电阻传感器的基本结构外形如下图一、热电阻（热电偶传感器）温度传感器温度传感器中的热电阻由铂金属制成。传感器的金属管内充满导热硅脂，便于外界温度通过金属管传递到铂电阻。铂电阻一、热电阻（热电偶传感器）常用热电阻传感器：Pt100和Cu50结构：将金属电阻丝绕在云母片上，并使其长度调节为0℃时电阻值，为固定值。电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。外加保护套管保护热电阻。5、热电阻的测量转换电路及其应用

①测量转换电路：电桥电路（热电阻的三线连接法）

②非线性校正：串联热敏电阻；计算机软件编程；专用集成IC；正反馈网络的非线性放大电路

③应用：工业生产中测量温度二、热敏电阻一、热敏电阻材料：半导体材料制成的，通常采用重金属锰、钛、钴的氧化物，在高温下烧结混合而成二、热敏电阻特性：是一种新型的半导体测温元件，其电阻值随温度的变化而变化三、热敏电阻特点：灵敏度高，比金属电阻大很多；阻值与温度变化呈非线性关系；结构简单；体积小等四、热敏电阻分类：正温度系数热敏电阻（PTC）：T↑，R↑负温度系数热敏电阻（NTC）：T↑，R↓临界温度系数热敏电阻（CTR）：T变化，R急剧变化各类热敏电阻的特性曲线

热敏电阻分类：负温度系数

NTC

用于测温、补偿正温度系数

PTC

用于特定温度的检测和控制临界温度

CTR

用于特定温度的检测和控制二、热敏电阻五、应用：负温度系数热敏电阻应用：适合测量温度变化范围较小的场合，灵敏度很高。常应用于温度补偿、抑制浪涌电流、温度测量、温度控制（空调、冰箱、热水器、节能灯、国防及科技等领域）正温度系数热敏电阻应用：温度补偿、温度测量、温度开关临界温度系数热敏电阻应用：温度开关热敏电阻温控器温度开关热敏电阻温度变化电阻值变化热敏电阻热敏油墨热敏灯罩记忆合金对温度敏感的材料

热敏电阻电冰箱的控制器

电压力锅电脑型微波炉电脑型电饭锅热敏电阻用于测量二、热敏电阻六、热敏电阻的优点：灵敏度高，体积小，响应速度