第2讲电阻传感器

第2讲电阻传感器第1页/共62页

自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，应变式传感器有下列优点：

1.精确度，线性度好，灵敏度高

2.滞后和蠕变都较小，寿命高

3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测

4.结构较简单，体积较小应用灵活

5.工作稳定、保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。第一节电阻应变式传感器第2页/共62页

应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。

一、电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为的金属丝，未受力时其电阻R为第3页/共62页

当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长ΔL,横截面积相应减小ΔA（取负号）,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ,故引起电阻值相对变化量为式中ΔL/L是长度相对变化量,用应变ε表示ΔA/A为电阻丝的截面积相对变化量,因第4页/共62页

由材料力学,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中:μ——材料的泊松比,负号表示应变方向相反。

ε——材料的应变

以ε取代和，得第5页/共62页从上式中提出ε

，得材料的灵敏度系数K0取决于两个因素

（1）材料几何尺寸的改变。见上式中的项。（2）应变引起的电阻率改变。见上式中的项。

结论：金属材料的主要受前者影响；非金属材料主要受后者影响！

K0为灵敏度系数------单位应变能引起的电阻变化。第6页/共62页二、电阻应变片的结构1.金属电阻应变片第7页/共62页

用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。第8页/共62页2.半导体应变片体型薄膜型扩散型导体应变片第9页/共62页第10页/共62页三、应变片的粘贴技术应变片的检查与选择试件的表面处理底层处理贴片固化粘贴质量检查引线焊接与组桥连接第11页/共62页

四、测量电路

作用：将电阻的变化转换为电压输出。

(一)直流电桥

空载电压：

直流电源U输出电压R’等效电阻：直流电桥交流电桥直流电桥平衡条件：第12页/共62页等臂电桥输出对称电桥电源对称电桥第13页/共62页

1.直流电桥的电流输出

如果直流电桥带一个具有内阻Rg的负载,将输出电流Ig.

电流输出电路及其等效电路:(E’=U0)第14页/共62页

由等效电路可求得Ig、Ug的一般表达式:*当阻抗匹配即Rg=R’时,Ig、Ug表达式可简化为:第15页/共62页

设R1为应变电阻，当电阻增加∆R时，由Ig简化算式：

得输出电流为：即（2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有（1）阻抗匹配的输出对称电桥（3）阻抗匹配的等臂电桥，有第16页/共62页2.直流电桥的电压输出

如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻Rg≈∞,输出电流Ig≈0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：对于输出对称电桥（右图）即

对于电源对称电桥对于等臂电桥第17页/共62页直流电桥实用电路----等臂电桥全桥工作电路特征：四个电阻相同四个电阻全为应变电阻

（两个被拉长，两个被压短）

与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍！第18页/共62页(二)交流电桥

交流电桥采用正弦交流电源U，电源频率取被测应变频率的5~10倍。各桥臂采用应变片或定值精密无感电阻。在频率较高时，必须考虑分布电容的影响。如：等。Z1Z2Z3Z4第19页/共62页设正弦交流电源则输出交流电压交流电桥平衡条件：或第20页/共62页（1）等臂电桥单臂应变情况下（2）等臂电桥双臂应变情况下第21页/共62页(三)电桥的线路补偿

（1）初始平衡补偿

对平衡位置（零点）的改变进行的补偿。

如果某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补偿，以满足电桥的初始平衡条件。补偿电阻第22页/共62页（2）温度补偿a.补偿片补偿b.热敏电阻补偿补偿应变片置于相同现场温度不受力受力工作应变片热敏电阻调零如图中R2、R4桥臂的总温度系数低,可采用高温度系数的RT进行补偿第23页/共62页（3）弹性模量补偿

弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿。温度补偿调零弹性模量补偿

分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的应变ε增大，测量电路输出会增大。加上RE之后，由于RE升温增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温引起的输出增大。第24页/共62页

五、电阻应变式传感器的应用（一）测力与称重传感器第25页/共62页（二）压力传感器

补偿片工作片膜片应变片插座第26页/共62页（三）加速度传感器质量块应变梁应变片阻尼液密封垫接线板底座第27页/共62页（四）位移传感器弹簧插头座应变片等宽悬臂梁调整螺钉顶杆第28页/共62页第二节固态压阻式传感器

--------半导体传感器

压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。

半导体压阻式传感器分类①粘贴式应变片②扩散硅型压阻传感器

特点：灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能化。

本节介绍扩散硅型压阻传感器第29页/共62页设半导体材料的压阻系数为，材料受到的应力为σ，有一、工作原理与结构对于半导体材料，其电阻率的变化为：

在弹性变形限度内，压阻效应是可逆的，当应力消失时，硅片的电阻会恢复原来数值。

注意：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同。第30页/共62页压阻效应传感器的核心-----------硅膜片内部电路膜片芯体示意图引出线第31页/共62页二、压阻式压力传感器硅杯高压腔低压腔硅膜片引线引线第32页/共62页三、压阻式加速度传感器基座扩散电阻质量块梁第33页/共62页

四、压阻式传感器的应用

因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能化的优点。在航空、航海、石油、化工、机械、兵器、医疗等各方面获得广泛应用。机械：实时检测各种机器设备、生产线的气液压力等航空：飞机发动机压力、物体加速度等兵器：枪炮膛内压力、爆炸压力、冲击波压力等医疗：测量心脑血管、颅内、尿道、眼球内压力等其他：自来水管网压力检测震动检测过山车加速度检测等第34页/共62页第三节热电阻式温度传感器热电阻传感器分类：金属热电阻==热电阻半导体热电阻==热敏电阻

热电阻传感器-----利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变的物理现象进行温度检测。

一、热电阻

优点：（1）电阻-温度变化具有良好的线性关系；（2）电阻温度系数大，故测量精度高；第35页/共62页

（3）热容量小，反应速度快；（4）有较大的测量范围；－200～500℃；（5）在测量范围内具有高的物理和化学性质，价格较低。（5）易于使用在自动测量和远距离测量中。（一）铂电阻

铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠,所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂热电阻的特性方程：在0~650℃的温度范围内:

在-200~0℃的温度范围内:Rt和R0分别为t℃和0℃时铂电阻值;A、B和C为常数。第36页/共62页

目前我国规定工业用铂热电阻有R0=10Ω和R0=100Ω两种,它们的分度号分别为Pt10和Pt100,其中以Pt100为常用。不同分度号有相应分度表,即Rt-t的关系表。实际测量中,只要测得热电阻的阻值Rt,便可从分度表上查出对应的温度值。

铂电阻丝银引出线骨架第37页/共62页铂热电阻Pt100分度表第38页/共62页

（二）铜电阻

由于铂是贵重金属,在一些测量精度要求不高且温度较低的场合,可采用铜热电阻测温,测量范围-50~+150℃。铜热电阻在测量范围内电阻值与温度的关系:

α为铜热电阻的电阻温度系数，铜热电组的有两种分度号Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。

铜电阻丝骨架铜引出线第39页/共62页

铜热电阻线性好,测温范围小，价格便宜,易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。铂热电阻线性好，测温范围较大，价格昂贵，不宜氧化，在腐蚀性介质或较高温度下可以工作。热电阻的外形结构

接线盒热电阻固定螺纹

引线方式有两线制、三线制和四线制,二线制引线电阻对测量影响大,精度低。三线制可以减小连接导线电阻因温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除误差。第40页/共62页二、热敏电阻珠状柱状片状

热敏电阻的阻值与温度之间关系：

R0为温度为T0时的电阻，Rt为温度为T时的电阻。第41页/共62页

热敏电阻优点：电阻温度系数大，灵敏度高，热惯性小，反应速度快，体积小，结构简单，使用方便，寿命长，易于远距离测量。

热敏电阻缺点：电阻随温度变化曲线为非线性，且同一型号电阻的产品特性参数有较大差别，难于互相代换。二、热电阻式传感器的应用

（一）工业温度计1234引线电阻相等铂电阻或铜电阻第42页/共62页（二）工业流量计34不流动环境

当液体流动时，铂电阻4温度随流速变化，铂电阻3温度不随流速变化，流体速度将引起电桥的不平衡输出。铂电阻流动环境铂电阻当液体不流动时，两个铂电阻等温，电桥平衡第43页/共62页（三）热敏电阻点温计S1：工作方式

0关机

1校表

2测温S2：换量程第44页/共62页

（四）热敏电阻热保护

电机绕组过热，热敏电阻阻值增大，达到保护程度，保护电路动作，驱动继电器动作切断电源。保护电路继电器热敏电阻电动机第45页/共62页（五）热敏电阻液位传感器常温电阻冷电阻总电流液面高低影响输出电流第46页/共62页（六）热敏电阻湿度传感器感湿热敏电阻感测介质湿度、温度密封热敏电阻处于被测温度不能感测湿度湿度引起输出调零放大电路第47页/共62页

一、气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物半导体,当被气体吸附时这些材料的电阻率会发生变化，利用这个原理可以制成气敏元件和气敏传感器----通过电阻率变化监视气体浓度。主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。金属氧化物半导体分N型半导体（氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等）和P型半导体（氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等）

第四节气敏电阻第48页/共62页

气敏电阻的检测灵敏度受温度影响很大，在常温下输出信号微弱，升温后电导率变化明显。

提高对某些气体成分的选择性和灵敏度的方法：（1）渗入微量的铂、银、金等元素；（2）使用金属盐类催化剂。低温高温低温高温加热电路测量电路气敏元件注意：气敏元件要加温使用！第49页/共62页

（一）氧化锡系气敏电阻该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加,在100~300℃范围内电导率变化很大。二、常用气敏电阻SnO2加热丝兼电极2加热丝兼电极1SnO2加热丝引线2引线1电极1电极2SnO2薄膜电极1电极2加热1加热2网罩电极1电极SnO2加热陶瓷座电线引脚整体结构第50页/共62页（二）氧化锌系气敏电阻圆形绝缘基板ZnO涂层电极加热丝催化剂隔膜第51页/共62页（三）氧化铁系气敏电阻r-Fe203加热丝r-Fe203双层网罩加热电极加热电极气敏元件电极第52页/共62页三、气敏电阻的应用（一）气敏电阻检漏报警器预热开关工作开关气敏电阻气敏输出电压

检出可燃气体时，气敏电阻减小，电压增大，V1触发V2，报警灯亮，音频振荡电路也自激振荡声音报警。第53页/共62页（二）矿灯瓦斯报警器加热支路测量支路矿灯控制支路

检出瓦斯气体时，气敏电阻减小，V1、V2导通，V3、V4振荡，报警灯闪烁。第54页/共62页（三）一氧化碳报警器

检出CO气体时，气敏电阻RQ减小，V5、V6、V7导通，振荡电路振荡