电阻传感器(应变片修改)课件

第六节力、转矩和压力传感器

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。一、电阻应变式测力传感器8/1/20231第六节力、转矩和压力传感器

导体或半导体材料在外界力

我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω，如图2-4所示。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。在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量εx＝Δl/l，称为纵向应变。8/1/20232我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻（一）、应变原理演示

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。8/1/20233（一）、应变原理演示金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大（二）、应变片的工作原理

设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为

K—电阻应变片的灵敏度当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。当金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。电阻丝及应变片的电阻相对变化量R

R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即

8/1/20234（二）、应变片的工作原理设有一长微应变(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。

8/1/20235微应变(με)对于不同的金属材料，K略微不同应变片用于测量力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和测量拉力等。8/1/20236应变片用于测量力F的计算公式由材料力应变片的应用将应变片粘贴在斜拉绳表面，可测量斜拉绳所受的拉力

应变片可用于电子秤8/1/20237应变片的应用将应变片粘贴在斜拉绳表面，可测量斜拉绳所受的拉力（三）、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，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。8/1/20238（三）、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片金属丝式应变片的结构8/1/20239金属丝式应变片的结构7/31/20239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，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。

8/1/202310半导体应变片半导体应变片的主要优点是灵敏箔式应变片的外形8/1/202311箔式应变片的外形7/31/202311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？

8/1/202312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。

8/1/202313应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具

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。8/1/202314

2.贴片：在应变片的表面和处理过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。8/1/2023153.测量：从分开的端子处，预先用万

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。

8/1/2023164.焊接：

将引线和端子

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。

8/1/2023175.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在（四）、应变效应的应用

电阻应变片的应用可分为两大类：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，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。转换元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类：是将应变片贴于被测试件上，然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。

8/1/202318（四）、应变效应的应用电阻应变片的应用可分为两应变式力传感器

S型力传感器

FFFF8/1/202319应变式力传感器S型力传感器FFFF7/31/20231各种悬臂梁

8/1/202320各种悬臂梁7/31/202320各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆8/1/202321各种悬臂梁FF固定点固定点电缆7/31/202321应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形8/1/202322应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形7/31/202322应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R48/1/202323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）FF8/1/202324应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF7/31/20232应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF8/1/202325应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF7/31/20232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。8/1/202326荷重传感器原理演示贴在荷重传感器表面汽车衡测量装货量或判断超载8/1/202327汽车衡测量装货量或7/31/202327电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示8/1/202328电子秤磅秤超市打印秤远距离显示7/31/202328人体秤

8/1/202329人体秤7/31/202329吊钩秤

便携式8/1/202330吊钩秤便携式7/31/202330电子秤中的各类弹性元件

8/1/202331电子秤中的各类弹性元件7/31/202331材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

8/1/202332材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试7/31/202332五、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。

8/1/202333五、测量转换电路——不平衡电桥金属应变片的电阻变化什么是电桥

不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo

。b、d的对地电压相等时称作“电桥平衡”；反之，称作“电桥不平衡”。

电桥平衡的条件是：上下桥臂的左右位置电阻比例相等。8/1/202334什么是电桥不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R测量转换电路——不平衡电桥

由电工学可知：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。8/1/202335测量转换电路——不平衡电桥由电工学可知：7/31/2023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。8/1/202336电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

单臂电桥单臂半桥的灵敏度最低。计算公式8/1/202337单臂电桥单臂半桥的计算公式7/31/202337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。8/1/202338双臂电桥R1、R2为应变片，R3、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?

8/1/202339四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使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。采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。8/1/202340全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的8/1/2023417/31/2023418/1/2023427/31/2023428/1/2023437/31/202343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。8/1/202344应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车、摩托车8/1/2023457/31/202345应变式数显扭矩扳手（续）8/1/202346应变式数显扭矩扳手（续）7/31/202346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。

8/1/202347压阻式固态压力传感器

利用扩散工艺制作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。

8/1/202348压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路p8/1/202349压阻式固态压力传感器内部结构信号小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口8/1/202350小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口7/31/202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8/1/202351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小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管8/1/202352小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管7/3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8/1/202353汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎汽车胎压传感器7/31/2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。

8/1/202354投入式液位计压阻式固态压力传感器的p1进气孔用投入式液位计外形（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8/1/202355投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器与水位成正投入式液位传感器

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。8/1/202356投入式液位传感器投入式液位传感器必须使用安装支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。8/1/202357投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压与计算机接口的多路电阻应变测量模块

8/1/202358与计算机接口的多路电阻应变测量模块7/31/202358第三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。8/1/202359第三节测温热电阻传感器一、金属热电阻金属丝电阻随温度增高而变大的演示

我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω，如图2-4所示。8/1/202360金属丝电阻随温度增高而变大的演示我们先来做一个实验。当我们用超导现象

1911年，荷兰物理学家昂内斯（KamerlinghOnnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时，发现汞的电阻降为零。昂内斯将这种现象称为物质的超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现了其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。8/1/202361超导现象1911年，荷兰物理学家昂内斯（Kamerling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8/1/202362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金属热电阻材料的主要技术性能

8/1/202363金属热电阻材料的主要技术性能7/31/202363薄膜式及装配式铂热电阻

8/1/202364薄膜式及装配式铂热电阻7/31/202364小型铂热电阻

8/1/202365小型铂热电阻7/31/202365防爆型铂热电阻

坚实的外壳起“隔爆”作用8/1/202366防爆型铂热电阻坚实的外壳起“隔爆”作用7/31/202366汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻8/1/202367汽车用水温传感器及水温表铜热电阻7/31/202367学习查“铂热电阻分度表”请判断铂热电阻是否线性8/1/202368学习查“铂热电阻分度表”请判断铂热电阻是否线性7/31/20铂电阻温度显示、变送器上下限设定键上限下限上上限下下限测量值8/1/202369铂电阻温度显示、变送器上下限设定键上限下限上上限下下限测量值可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关拨码式设定开关哪一种更适合车间使用？8/1/202370可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码二、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。8/1/202371二、热敏电阻热敏电阻有负温度系数（N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

8/1/202372热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热PTC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8/1/202373PTC热敏电阻PTC热敏电阻属于临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？8/1/202374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？为下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？8/1/202375下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？7/31/20237热敏电阻的特性曲线如下图2，计算公式如下，R0＝1MΩ，

T0＝25℃，B=4000,求100℃时的电阻值解：T=273+100=373K（开氏）结论：100℃时的阻值只有25℃时的1/15。8/1/202376热敏电阻的特性曲线如下图2，计算公式如下，R0＝1MΩ，热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻8/1/202377热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻8/1/202378其他形式的热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻MF58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8/1/202379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7其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻8/1/202380其他形式的热敏电阻（续）贴片式NTC热敏电阻7/3其他形式的热敏电阻（续）

MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）8/1/202381其他形式的热敏电阻（续）MF58型（珠形）高精度负非标热敏电阻8/1/202382非标热敏电阻7/31/202382非标热敏电阻（续）

8/1/202383非标热敏电阻（续）7/31/202383非标热敏电阻（续）

8/1/202384非标热敏电阻（续）7/31/202384热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD8/1/202385热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD7/31/202385热敏电阻体温表

8/1/202386热敏电阻体温表7/31/202386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？

8/1/202387热敏电阻体温表的调试、标定方法调试时，应该先调热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器

多谐振荡器又称为矩形波发生器。f≈1/(2RC)Rt去计算机的计数器ff8/1/202388热敏电阻与电容器组成的RC多谐振荡器多谐振荡器又热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）8/1/202389热敏电阻用于CPU的温度测量（参考小熊在线公司资料）7/3热敏电阻用于电热水器的温度控制

8/1/202390热敏电阻用于电热水器的温度控制7/31/202390第四节气敏电阻传感器

工业、科研、生活、医疗、农业等许多领域都需要测量环境中某些气体的成分、浓度。例如，煤矿中瓦斯气体浓度超过极限值时，有可能发生爆炸；家庭发生煤气泄漏时，可能发生悲剧性事件；农业塑料大棚中CO2浓度不足时，农作物将减产；锅炉和汽车发动机汽缸燃烧过程中O2含量不达标时，效率将下降，并造成环境污染。在这一节里，卡卡给大家介绍气敏电阻传感器的特性及其典型应用8/1/202391第四节气敏电阻传感器工业、科研、生活、医疗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。

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。

8/1/202392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。

8/1/202393一、还原性气体传感器在化学反应中，还原性气体MQN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

8/1/202394MQN型气敏电阻结构及测量电路a）气敏烧结体7/31/2在学习过的化学知识中，所谓还原性气体，就是在化学反应中能逸出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、煤气、天然气、氢气等。回顾一下8/1/202395在学习过的化学知识中，所谓还原性气体，就是在化学反应中能逸出表2-4几种国产气敏电阻的主要特性型号参数UL－206UL－282UL－281MQN－10检测对象烟雾酒精蒸气煤气可燃性气体测量回路电压/V15±1.515±1.510+110±1加热回路电压/V5±0.55±0.5清洗5.5+0.5工作0.8+0.15±0.5加热电流/mA160～180160～180清洗190工作25～35160～180环境温度/℃-10～50-10～50-10～50-20～50环境湿度/%RH<0.95<0.95<0.95<0.958/1/202396表2-4几种国产气敏电阻的主要特性型号参数UL－206U

MQN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）。

8/1/202397MQN型气敏半导体器件的烧结体中，有部分气敏电阻外形

酒精传感器8/1/202398部分气敏电阻外形酒精传感器7/31/202398酒精传感器技术指标

工作电压DC3V（2×A5电池）；工作电流≤120mA；使用环境温度：0℃～45℃；相对湿度：≤95%RH；预热时间<10秒（初次预热18秒）；测试时间<8秒；测量范围0.00~1.00mg/L；报警浓度0.24mg/L；准确度±10%F.S8/1/202399酒精传感器技术指标工作电压DC3V（2×A5电池）；工作酒精测试仪呼气管8/1/2023100酒精测试仪呼气管7/31/2023100气敏电阻的选择性8/1/2023101气敏电阻的选择性7/31/2023101在图2-24中，气敏电阻在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化，而当被测气体浓度较大时，其电阻率的变化逐渐趋缓，有较大的非线性。这种特性较适用于气体的微量检漏、浓度检测或超限报警，被广泛用于煤炭、石油、化工、家居等各种领域。观察和分析8/1/2023102在图2-24中，气敏电阻在被测气体浓度较低时有较大的电阻变化

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？8/1/2023103气敏半导体的灵敏度特性曲线观家庭用煤气报警器8/1/2023104家庭用煤气报警器7/31/2023104家庭用液化气报警器8/1/2023105家庭用液化气报警器7/31/2023105一氧化碳传感器8/1/2023106一氧化碳传感器7/31/2023106其他气体传感器NH3传感器煤矿瓦斯报警器8/1/2023107其他气体传感器NH3传感器煤矿瓦斯报警器7/31/20231各种酒精传感器8/1/2023108各种酒精传感器7/31/202310812.酒后驾车测试仪酒后驾车易出事故，但判定驾驶员是否喝酒过量带有较大的主观因素。请你利用学过的知识，设计一台便携式、交通警使用的酒后驾车测试仪……8/1/202310912.酒后驾车测试仪酒后驾车易出事故，但判定驾驶酒后驾车测试仪的试制

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