传感器-2电阻传感器课件

第二章电阻传感器

本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻、湿敏电阻及磁敏电阻、电位器等。2/6/20231第一节电阻应变传感器

导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。2/6/20232一、应变原理演示

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。2/6/20233微应变(με)

对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。

x通常很小。例如，当x为0.000001（10-6）时，在工程中常表示为1m/m或1微应变(1με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。

2/6/20235应变片用于测量力F的计算公式由材料力学可知，x=F/(AE)，所以R/R又可表示为

如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小，可用于电子秤的称重等。2/6/20236二、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各种应变式传感器中。2/6/20237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。

2/6/20239箔式应变片的外形2/6/202310应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

2/6/202311

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。2/6/2023133.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。2/6/202314

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。

2/6/202315三、测量转换电路——不平衡电桥

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。例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2。

所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将R/R转换为输出电压Uo。

2/6/202317三、测量转换电路——不平衡电桥

由电工学知识可知：若桥路4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路的输出电压反而相互叠加。2/6/202318电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

调节RP

，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

2/6/202319双臂电桥

R1、R2为应变片，

R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1、2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。计算公式2/6/202321四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。

上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高?哪一种灵敏度最低?

计算公式2/6/202322全桥的温度补偿原理

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂最小；请说出半桥克服温漂的原理！采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。2/6/202323应变式力传感器

S型力传感器

FFFF2/6/202325各种悬臂梁

2/6/202326各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆2/6/202327应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R42/6/202329应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF2/6/202330应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF2/6/202331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。2/6/202332汽车衡测量装货量或判断超载2/6/202333汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）2/6/202334荷重传感器计算公式

当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数，Ui的取值范围多少为好？2/6/202335荷重传感器应用估算

例现用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV，求被测荷重为多少吨。解

从该荷重传感器铭牌上得到Fm=100103N，KF=2mV/V，可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算得被测荷重：2/6/202336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2/6/202337电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示2/6/202338电子天平电子天平的精度可达十万分之一2/6/202339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。2/6/202340应变式数显扭矩扳手（续）2/6/202341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。

2/6/202342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。

2/6/202343小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口2/6/202344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2/6/202345小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管2/6/202346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2/6/202347投入式液位计

压阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通，耐腐蚀。

2/6/202348投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器

与水位成正比的光柱

橡胶背压管

进水孔2/6/202349投入式液位传感器

投入式液位传感器必须使用安装支架，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。2/6/202350投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压

p1=gh1

所以：

h=h0+h1=h0+p1/（g）

例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度h。2/6/202351材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

2/6/202352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2/6/202353第二节测温热电阻传感器

一、金属热电阻

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，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。测温热电阻可分为金属和半导体两大类。2/6/202354

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。

2/6/202355易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

请挑选适合于制作热电阻的金属材料2/6/202356金属热电阻材料的主要技术性能

2/6/202357薄膜式及装配式铂热电阻

2/6/202358小型铂热电阻

2/6/202359防爆型铂热电阻

坚实的外壳起“隔爆”作用2/6/202360汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻2/6/202361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？2/6/202362二、热敏电阻

热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。NTC又可分为两大类：第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于控制温度。2/6/202363热敏电阻的外形、结构及符号

a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

2/6/202364PTC热敏电阻

PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元件。恒温加热PTC热敏电阻2/6/202365下图所示的恒温加热PTC热敏电阻的温度将恒定在多少度范围？为什么？加热电流约为多少A？将暖风机的“风量”加大后，PTC的温度为什么不会下降？加热功率如何变化？2/6/202366下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？2/6/202367热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻2/6/202368其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻2/6/202369其他形式的热敏电阻

带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻2/6/202370其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻2/6/202371热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD2/6/202372热敏电阻体温表

2/6/202373热敏电阻体温表的调试、标定方法

调试时，应该先调哪一只电位器，再调哪一只电位器？如何检验表面刻度中其他各点是否准确？具体步骤如何进行？

2/6/202374热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）2/6/202375热敏电阻用于电热水器的温度控制

2/6/202376第三节气敏电阻

气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

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，再转换为电流、电压信号。

2/6/202377一、还原性气体传感器

在化学反应中，还原性气体是给出电子还是得到电子？

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、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料烧结而成的半导体器件。

2/6/202378MQN型气敏电阻结构及测量电路a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量电路

1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热电源8—测量电源

2/6/202379MQN型气敏半导体器件的烧结体中，有两组铂丝。一组铂丝为测量电极，另一组（上图中的左边铂丝）为加热电极兼测量电极。

气敏电阻工作时必须加热到200300℃，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）。

2/6/202380气敏电阻外形

酒精传感器其他可燃性气体传感器2/6/202381酒精测试仪呼气管2/6/202382气敏电阻的选择性2/6/202383

气敏半导体的灵敏度特性曲线观察右图这些曲线，有何特点？可以得出哪些启示？请说明非线性特性对浓度超限报警是否有利，为什么？2/6/202384家庭用煤气报警器2/6/202385家庭用液化气报警器2/6/202386一氧化碳传感器2/6/202387其他气体传感器NH3传感器煤矿瓦斯报警器2/6/202388二、二氧化钛氧浓度传感器

半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。

用于汽车或燃烧炉排放气体中的氧浓度传感器结构图及测量转换电路。二氧化钛气敏电阻与补偿热敏电阻同处于陶瓷绝缘体的末端。当氧气含量减小时，RTiO2的阻值减小，Uo增大。

与TiO2气敏电阻串联的热敏电阻Rt

起温度补偿作用。当环境温度升高时，TiO2气敏电阻的阻值会逐渐减小，只要Rt也以同样的比例减小，根据分压比定律，Uo不受温度影响，减小了测量误差。

2/6/202389TiO2氧浓度传感器结构及测量转换电路a）结构b）测量转换电路

1－外壳（接地）2－安装螺栓3－搭铁线4－保护管5—补偿电阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏电阻8－进气口9－引脚

2/6/202390氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量2/6/202391汽车尾气分析2/6/202392有毒气体传感器的使用2/6/202393第四节湿敏电阻

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(克数)。

相对湿度（RH％）：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小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。

湿敏电阻的原理：水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、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。

2/6/202394湿度传感器的分类

2/6/202395湿度对电子元件的影响

当环境的相对湿度增大时，物体表面就会附着一层水膜，并渗入材料内部。这不仅降低了绝缘强度，还会造成漏电、击穿和短路现象；潮湿还会加速金属材料的腐蚀并引起有机材料的霉烂。2/6/202396露点

降低温度会产生结露现象。露点与农作物的生长有很大关系，结露也严重影响电子仪器的正常工作，必须予以注意。

测量露点的仪器2/6/202397露点传感器外形

2/6/2023