《传感器与检测技术》(第二版)第二章

第二章、电阻式传感器本章学习要求：1.了解电阻式传感器的分类2.掌握电阻式传感器测量原理3.了解传感器测量电路Thursday,December26,2024

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，这种现象称为电阻应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。2.1电阻应变式传感器Thursday,December26,2024一、电阻应变片的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。Thursday,December26,2024

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

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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，

将变大，导致R变大。

K0—电阻应变片的灵敏度Thursday,December26,2024

1.应变(ε)

在材料力学中，

=

l/l

称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。

通常很小，常用10-6表示之。例如，当

为0.000001时，在工程中常表示为1

10-6或

m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(

)。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1

10-3，即1000

m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。

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2.应变灵敏度系数(K0)K0表示单位应变所引起的电阻相对变化，其大小由两个因素影响：

(1＋2μ)表示由几何尺寸改变所引起的变化；

(Δρ/ρ)/(Δl/l)表示材料的电阻率ρ随应变所引起的变化。对于金属材料，以前者为主。K0

略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，以后者为主，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。

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由材料力学可知，

=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，例如可用于电子秤的称重。

3.应变片用于测量力F的计算公式Thursday,December26,2024二、应变片的种类与结构变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、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。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。薄膜式应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成金属薄膜形成应变片。其灵敏度系数较高，允许电流密度大，工作范围广。Thursday,December26,2024箔式应变片的外形Thursday,December26,2024半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构Thursday,December26,2024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？

Thursday,December26,2024三、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。Thursday,December26,2024

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。Thursday,December26,2024

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。Thursday,December26,2024

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。

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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。Thursday,December26,2024四、测量转换电路——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。

如有一金属箔式应变片，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=2

1011N/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。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。

Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024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。

Thursday,December26,2024单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。Thursday,December26,2024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。Thursday,December26,2024四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，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥还能实现温度自补偿。Thursday,December26,2024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，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。Thursday,December26,2024应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。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，传感元件就是应变片，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。五、应变效应的应用Thursday,December26,2024应变式力传感器

应变式力传感器

FFFFThursday,December26,2024各种悬臂梁

Thursday,December26,2024各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆Thursday,December26,2024应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4Thursday,December26,2024应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FFThursday,December26,2024荷重传感器原理演示

荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

Thursday,December26,2024汽车衡Thursday,December26,2024汽车衡Thursday,December26,2024汽车衡称重系统Thursday,December26,2024电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示Thursday,December26,2024电子天平电子天平的精度可达十万分之一Thursday,December26,2024人体秤

Thursday,December26,2024吊钩秤

便携式Thursday,December26,2024应变式数显扭矩扳手

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，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。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。Thursday,December26,20242.2热电阻及热敏电阻2.2.1热电阻1.原理温度升高，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，称为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。2.类型普通热电阻、铠装热电阻、端面热电阻和隔爆型热电阻。Thursday,December26,2024易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻Thursday,December26,2024热电阻的主要技术性能Thursday,December26,2024

1、铂电阻铂易于提纯，物理化学性质稳定，电阻率较大，能耐较高的温度，；因此用铂电阻作为复现温标的基准器。铂电阻的电阻值与温度之间的关系可用下式表示

式中，为温度为t时的电阻值；为温度为时的电阻值；A为常数,A=3.96847×103C-1；B为常数，B=5.847×10-7℃-2

；C为常数，C=-4.22×10-12℃-4Thursday,December26,2024

2、铜电阻铂是贵重金属，因此在一些测量精度要求不高，测温范围较小(-50～150℃)的情况下，普遍采用铜电阻。铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜的价格比较便宜，所以铜电阻在工业上得到广泛应用。铜电阻的缺点是电阻率较小，稳定性也较差，容易氧化。铜电阻的电阻值与温度间的关系为

Rt为温度t时的电阻值；R0为温度为0℃时的电阻值；a为0℃时的电阻温度系数。Thursday,December26,2024a）圆片型热电阻b）柱型热电阻c）珠型热电阻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—安装孔

3.热电阻的外形、结构及符号Thursday,December26,2024薄膜型及普通型铂热电阻Thursday,December26,2024小型铂热电阻Thursday,December26,2024防爆型铂热电阻Thursday,December26,2024汽车用水温传感器及水温表铜热电阻Thursday,December26,20242.2.2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：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；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。Thursday,December26,202412345下图中那根曲线为NTC热敏电阻？Thursday,December26,20241、热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻Thursday,December26,20242、其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻Thursday,December26,2024带安装孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻Thursday,December26,2024

2.3压敏电阻

1、工作原理单晶硅材料在受到力的作用后，其电阻率将随作用力而变化．这种物理现象称为固态压阻效应，由此得到的传感器叫压阻式传感器。半导体材料电阻的变化率ΔR／R主要由Δρ／ρ引起，即取决于半导体材料的压阻效应，所以可以用下式表示Thursday,December26,2024

2、结构原理固态压阻式传感器的核心是硅膜片。通常多选用N型硅晶片作硅膜片，在其上扩散P型杂质，形成四个阻值相等的电阻条。将芯片封接在传感器的壳体内，再联接出电极引线就制成了典型的压阻式传感器。Thursday,December26,2024

3、压敏电阻的型号压敏电阻的型号由四部分组成，第一部分用字母“M”表示主称为敏感电阻器。第二部分用字母“Y”表示敏感电阻器为压敏电阻器。第三部分用字母表示压敏电阻器的用途的特征。第四部分用数字表示序号，有的在序号的后面还标有标称电压、通流容量或电阻体直径、电压误差、标称电压等。各部分代号及含义见书上。Thursday,December26,2024

例如：

MYL1-1（防雷用压敏电阻器） MY31-270/3（270V/3kA

普通压敏电阻器）

M——敏感电阻器 M——敏感电阻器

Y——压敏电阻器 Y——压敏电阻器

L——防雷用 31——序号

1-1——序号 270——标称电压为

270V

3——通流容量为3kAThursday,December26,2024

4、典型应用由于压敏电阻具有频率响应高、体积小、精度高、灵敏度高等优点，所以它在航空、航海、石油、化工、动力机械、兵器工业以及医学等方面得到了广泛的应用。固态压阻式压力传感器的结构如下图所示。传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。

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当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。膜片上的四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出的电压与膜片两边压力差成正比。

1、硅杯2、高压腔3、低压腔4、硅膜片5、输出引线电极Thursday,December26,2024

当悬臂梁自由端的质量块受到外界加速度作用时，将感受到的加速度转变为惯性力，使悬臂梁受到弯矩作用，产生应力。这时硅梁上四个电阻条的阻值发生变化，使电桥产生不平衡，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。GAE813固态压阻式加速度计的有关参数：量程10～100g；灵敏度：1～5V/g；非线性误差：土1％；温度范围：-40一+200；固有频率：1000～2000Hz。

1、基座2、扩散电阻3、质量块4、硅梁Thursday,December26,2024

2.4气敏传感器使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），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，

一般为半导体材质。还原性气体传感器还原性气体就是在化学反应中能给出电子，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、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等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。Thursday,December26,2024工作原理：N型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小；P型随气体浓度的增大而增大。象SnO2金属氧化物半导体气敏材料，属于N型半导体，在200～300℃温度它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当遇到能供给电子的可燃性气体时其阻值就会下降。Thursday,December26,2024

1、氧化锌系气敏电阻

ZnO是属于N型金属氧化物半导体，也是一种应用较广泛的气敏器件。通过掺杂而获得不同气体的选择性，如掺铂可对异丁烷、丙烷、乙烷等气体有较高的灵敏度，而掺钯则对氢、一氧化碳、甲烷，烟雾等有较高的灵敏度。这种气敏元件的结构特点是：在圆形基板上涂敷ZnO主体成分，当中加以隔膜层与催化剂分成两层而制成。例如生活环境中的一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥等状态，达1.84ml/L时则有在几分钟内死亡的危险，因此对一氧化碳检测必须快而准。Thursday,December26,20242、氧化铁系气敏电阻当还原性气体与多孔的接触时，气敏电阻的晶粒表面受到还原作用转变为，其电阻串迅速降低。这种敏感元件用于检测烷类气体特别灵敏。3、型号命名方式气敏电阻器的型号命名由三部分组成，各部分的含义见表2-4。第一部分用字母表示主称。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号。Thursday,December26,2024气敏电阻外形及类型酒精传感器其他可燃性气体传感器Thursday,December26,2024酒精测试仪呼气管Thursday,December26,2024家庭用煤气报警器Thursday,December26,2024家庭用液化气报警器Thursday,December26,2024一氧化碳传感器Thursday,December26,2024其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器Thursday,December26,2024（二）氧浓度传感器

氧浓度传感器外形

可用于汽车尾气测量Thursday,December26,2024汽车尾气分析Thursday,December26,2024有毒气体传感器的使用Thursday,December26,20242.5湿敏电阻传感器绝对湿度：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：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：水是一种强极性的电解质。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。Thursday,December26,2024湿度传感器的分类

Thursday,December26,2024水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害

Thursday,December26,2024湿敏电阻原理：利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。

1、湿敏电阻型号命名方法湿敏电阻的型号可分为三个部分，第一部分用字母表示主称；第二部分用字母表示用途或特征；第三部分用数字表示序号，各部分的含义见表8。例如：MS01-A（通用型号湿敏电阻器）M—敏感电阻器；S—湿敏电阻器；01-A—序号Thursday,December26,2024

2、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。Thursday,December26,2024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Thursday,December26,2024

露点温度：在空气所含水气量（含湿量）不变的情况下，通过冷却降温而达到饱和状态时的温度称为露点温度。空气在露点温度下，相对湿度达100%，此时干球温度、湿球温度、饱和温度及露点温度为同一温度值。

在空气调节技术中，当空气通过冷却器或喷淋室时，有一部分直接与管壁或冷冻水接触而达到饱和，结出露水，但还有相当达的部分空气未直接接触冷源，虽然也经过热交换而降温，但他们的相对温度却处在90~95%左右，这时的状态温度称为机器露点温度。

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密析尔露点传感器的工作原理非常简单，是基于水分的导电性。多孔的吸湿层如同“三明治”一样被夹在陶瓷基底上的两个导电层之间。吸收水分子后，吸湿活性层的导电特性就会发生变化。该传感器的表面导电层允许水分子自由通过进入吸湿活性层。吸湿活性层很薄，仅1微米厚（一微米=百万分之一米），而顶部的导电层厚度比1微米还要薄，这样，当周围环境的湿度发生变化的时候，传感器对湿度变化会做出极其快速的反应。Thursday,December26,2024露点仪：能直接测出露点温度的仪器。使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。Thursday,December26,2024露点传感器外形

Thursday,December26,2024电子湿度计模块封装后的外形Thursday,December26,2024电子式温湿度计Thursday,December26,2024机械式、电子式温湿度计对比Thursday,December26,20242.6光敏电阻

（一）工作原理

光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。

Thursday,December26,2024

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）Thursday,December26,2024

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。

Thursday,December26,2024（二）基本特性及其主要参数

1、暗电阻、亮电阻

光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流称为暗电流。例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG41—21型光敏电阻亮阻小于等于1k。亮电流与暗电流之差称为光电流。

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2、伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。由图可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。Thursday,December26,2024

3、光电特性

光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。

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4、光谱特性

对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。Thursday,December26,2024

5、频率特性当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。Thursday,December26,2024

6、温度特性

光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变化对光谱特性也有很大影响。下图是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。Thursday,December26,2024

（三）光敏电阻器型号命名方法

光敏电阻器的型号命名分为三个部分，第一部分用字母表示主称。第二部分用数字表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号，各部分的含义见表2-9。例如：MG45-14（可见光敏电阻器）：M——敏感电阻器；G——光敏电阻器；4——可见光；5-14——序号。Thursday,December26,2024光敏电阻

当光敏电阻受到光照时，阻值减小。内光电效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象.Thursday,December26,2024（四）光敏电阻的应用光敏电阻可广泛应用于各种光控电路，如对灯光的控制、调节等场合，也可用于光控开关，下面给出几个典型应用电路。1、光敏电阻调光电路Thursday,December26,2024

2、光敏电阻式光控开关以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等。Thursday,December26,20242.7电阻传感器应用电路的设计与制作2.7.1电子称测量电路的设计

要求用电阻应变式传感器并采用全桥测量电路设计一款电子称重测量电路，电路由全桥测量电桥、放大电路和A/D转换电路组成。

Thursday,December26,2024（一）应变式称重传感器的选择

1.自制式：浙江黄岩测试仪器厂的电阻应变片BHF120-1AA5元（高精密），BX120-1AA1.2元（精密）。应变梁用开孔钢梁。Thursday,December26,20242、称重传感器LSM-1K-B型高精度超薄型压向力称重传感器日本美蓓亚（NMB）集团公司生产N466（深圳鸿瑞传感仪器有限公司）额定称重量500g，误差0.05%FS。Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024

LSM-1K-B技术参数：

量程：4.903N～980.7N；零点输出：±0.2mV/V

额定输出：1.3mV/V±0.7mV/V；非线性：1%R.O滞后：1%R.O.

重复性：1%R.O.；满程温漂：2%LOAD/10℃

零点温漂：2%R.O./10℃；温度范围：-10℃～60℃

安全载荷：150%

温度补偿范围：0℃～60℃

最大负载：150%；输入阻抗：350Ω±10Ω

输出阻抗：350Ω±10Ω；绝缘阻抗：＞1000MΩ（50VDC）

激励电压：≤5VDC/VC；最大激励：8VDC/VC

导线长度：3m；导线颜色：红（+E）黑（-E）绿（+S）白（-S）

防护等级：IP60Thursday,December26,20243.称重传感器原理Thursday,December26,2024（二）信号放大电路设计1.设计方案方案一：利用普通低温漂运算放大器构成多级放大电路普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于A/D转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。所以，此中方案不宜采用。

Thursday,December26,2024方案二：由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放(如OP07)做成一个差动放大器。如下图：Thursday,December26,2024优点：输入级加入射随放大器，增大了输入阻抗，中间级为差动放大电路，滑动变阻器R6可以调节输出零点，最后一级可以用于微调放大倍数，使输出满足满量程要求。输出级为反向放大器，所以输出电阻不是很大，比较符合应用要求。缺点：此电路要求R3、R4相等，误差将会影响输出精度，难度较大。实际测量，每一级运放都会引入较大噪声。对精度影响较大。Thursday,December26,2024方案三：采用专用仪表放大器，如：INA126，INA121等。此类芯片内部采用差动输入，共模抑制比高，差模输入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口简单。以INA126为例,接口如下图所示：放大器增益G，通过改变RG的大小来改变放大器的增益。基于以上分析，我们决定采用制作方便而且精度很好的专用仪表放大器INA126。

Thursday,December26,20242.仪表放大器INA126Thursday,December26,2024（三）A/D转换芯片选择由上面对传感器量程和精度的分析可知：A/D转换器误差应在0.03%以下12位A/D精度：1Kg/4096=0.244g14位A/D精度：1Kg/16384=0.061g

考虑到其他部分所带来的干扰,12位A/D无法满足系统精度要求。所以需要选择14位或者精度更高的A/D。方案一、逐次逼近型A/D转换器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D转换，一般具有采样/保持功能。采样频率高，功耗比较低，是理想的高速、高精度、省电型A/D转换器件。Thursday,December26,2024高精度逐次逼近型A/D转换器一般都带有内部基准源和内部时钟，基于89C52构成的系统设计时仅需要外接几个电阻、电容。但考虑到所转换的信号为一慢变信号，逐次逼近型A/D转换器的快速的优点不能很好的发挥，且根据系统的要求，14位AD足以满足精度要求，太高的精度就反而浪费了系统资源。所以此方案并不是理想的选择。Thursday,December26,2024方案二、双积分型A/D转换器：如：ICL7135、ICL7109等。双积分型A/D转换器精度高，但速度较慢(如：ICL7135),具有精确的差分输入，输入阻抗高（大于

），可自动调零，超量程信号，全部输出于TTL电平兼容。双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力。对正负对称的工频干扰信号积分为零，所以对50HZ的工频干扰抑制能力较强，对高于工频干扰（例如噪声电压）具有良好的滤波作用。

Thursday,December26,2024只要干扰电压的平均值为零，对输出就不产生影响。尤其对本系统，缓慢变化的压力信号，很容易受到工频信号的影响。故而采用双积分型A/D转换器可大大降低对滤波电路的要求。作为电子秤，系统对AD的转换速度要求并不高，精度上14位的AD足以满足要求。另外双积分型A/D转换器较强的抗干扰能力，和精确的差分输入，低廉的价格。综合分析其优点和缺点，最终选择美国德州仪器的ICL7135作为A/D转换器件。Thursday,December26,2024ICL7135引脚排列Thursday,December26,2024引脚功能说明Thursday,December26,2024（四）称重测量模数转换1、称重测量电路设计的称重测量电路由应变式称重传感器、测量电桥及A/D转换器组成，如下图：Thursday,December26,2024通过调节的阻值来改变放大倍数。微弱信号Vi1和Vi2被分别放大后从INA126的第6脚输出。A/D转换器ICL7135的输入电压变化范围是-2V～+2V，传感器的输出电压信号在0～20mv左右，因此放大器的放大倍数在200左右，可将接成的滑动变阻器。

由于ICL7135对高频干扰不敏感，所以滤波电路主要针对工频及其低次谐波引入的干扰。因为压力信号变化十分缓慢，所以滤波电路可以把频率做得很低。Thursday,December26,20242、模数转换电路Thursday,December26,2024外接1V基准源：ICL7135还需要外接基准电源，这是因为芯片内部的基准源一般容易受到温度的影响，而基准电源的变化会直接影响转换精度。所以当精度要求较高时，应采用外接基准源。一般接其典型值1V。

Thursday,December26,2024阻容基本振荡电路：ICL7135的时钟频率典型值为200kHz最高允许为1200kHz，时钟频率越高，转换速度越快。考虑到此系统频率要求不是太高，且单片机的工作频率也不是很高，因此我们取时钟频率的典型值：200kHz。实际电路的振荡频率约为160kHz。

Thursday,December26,20242.7.2自动空气清新器控制电路一、电路原理Thursday,December26,2024二、元器件选择与制作1、元器件清单见表2-9。

2、制作

T2用14吋行输出变压器改制，其高压包不动，将低压绕组线圈全部拆除，用Φ＝0.6mm漆包线重绕45匝。其它元器件无特殊要求。放电端子用大头针做成，在长170mm、宽40mm的敷铜板上钻三排眼，每排16个，均为Φ＝1mm。将大头针一一插入孔中并焊牢，要使焊点圆滑，不能有毛刺。挑选大头针时要注意长短一致，且尖头越尖越好。整机装入一个180×110×80（mm3）的ABS工程塑料盒中。Thursday,December26,20242.7.3恒温控制电路一、电路原理及元件选择

1、电路原理如图R12KR21KC1100μVD16V

R45.1KR65.1KR31KR52KR71KRp470R8300R8120C20.1μTr19014Tr29012Tr39014Tr43BT31Tr4220V18VSCRR8300t

0

C

Rt

300电热器负载Thursday,December26,2024

2、所用元器件说明晶体管Tr1、Tr3两管特性应尽量一致，β>60，型号为2SC1815或9014，最好使用差分对管，Tr2管可采用9012型PNP管，Tr4单结晶管可选用BT31--33，η>0.50。C2值不能太小，否则晶闸SCR导通角将变小。晶闸管SCR的耐压大于或等于500V，若采用3CT5晶闸管，电路可输出约lkW的功率。热敏电阻选用在25℃时，阻值300

左右的热敏电阻。电阻阻值、电容器的容量误差要求不高。其中电阻R2要求功率大一点，选用1W的电阻。变压器可以选用5-10W，原变电压220V，副边电压18～24V左右的变压器。Thursday,December26,2024

3、安装调试按照原理图，在线路板上设计好元件安装位置走线，元件布置尽可能与原理图的走向相近。安装焊接晶体管等各元件。焊接好电路板即可和恒温箱加热器连接，如果恒温箱的空间不是太大，可用100-200W的灯泡作加热器。

4、调试步骤首先调整可调电阻Rp，阻值调至较小的位置，此时，加热器应通电加热，恒温箱内的温度逐渐升高。然后用温度计监测恒温箱的温度，当恒温箱内的温度达到设定温度时，调整可调电阻Rp使加热器断电停止加热。当温度稍有下降时，加热器重新通电再次加热，如此反复，达到恒温控制的目的。用温度计监测恒温箱的温度，如箱内温度与预想温度有偏差，微调可调电阻Rp使箱内温度达到预想温度。Thursday,December26,20242.7.4湿度控制电路一、工作原理及所需器件

1、原理电路图Thursday,December26,2024

2、元件说明

元件清单见表2-10，晶体管T1、T2两管选用β>100的晶体管，型号为9014或2SC1815。二极管D1~D4组成整流桥，可以用4个分立二极管，也可用额定电流为0.5A以上的整流桥。湿敏电阻选用在环境湿度为80%时，其阻值小于40Ω左右的湿敏电阻。电阻阻值、电容器的容量误差要求不高。其中电阻R1要求功率大一点，选用1W的电阻。变压器可以选用5-10W，原边电压220V，副边电压8V和16V左右两个绕组的变压器。8V绕组作为适度监测电源，16V绕组作为控制电源。Thursday,December26,2024

二、安装调试

第一步，规划线路板上元件安装位置。元件布置尽可能与原理图相对应。但要考虑需要调整的元件位置适当（如可调电阻Rp），不要受周围元件影响。第二步，根据原理图和线路板上的元件布置，规划电路的走线。走线要尽量整齐、短捷。如果元件布置与原理图上相对应，则电路的走线与原理图相似，便于理解和查找。第三步，安装焊接晶体管等各元件。元件安装时应掌握好焊接时间，尽量做到快捷、焊接牢靠，避免虚焊。如果有高度低的元件，应首先安装焊接高度低的元件，再安装焊接高度较高的元件，避免高度低的元件安装不方便。第四步，焊接好电路板要先进行检查，查看电路连接是否正确；有极性的元件（如电解电容、三极管、二极管等）的极性是否正确；焊点是否有虚焊。发现问题及时处理。第五步，检查无误后，即可送电调试。如果电路连接正确，一般都能够正常工作。但需要根据被控湿度进行调试。Thursday,December26,2024三、调试步骤：

首先，将湿敏电阻用导线引出与干湿温度计一起固定在距热风机（或去湿机）三米左右的地方，使电炉通电，根据干湿温度计的数值，在微安表上刻度。其次，根据所需的控制湿度调整，如果所需控制的环境温度为80%，当干湿温度计上的读数为80%时，调节RP使Tr1、Tr2导通，继电器K吸合热风机（或去湿机）开始除湿。注意在调整较高湿度时，可将一水盆放在电炉上增加环境湿度。第三，当湿度下降到规定数值时T1、T2截至，继电器K断开热风机停止除湿。第四，当湿度上升时，加热器重新通电再次加热，如此反复，达到恒湿控制的目的。注意湿敏电阻的安装位置对控制器的正常工作影响较大，湿敏电阻离加热器应有一定距离。Thursday,December26,20242.7.5酒精探测电路设计（一）目的要求1、复习常用气敏传感器的结构原理，会正确选用这类传感器；2、设计一合理的酒精浓度测量电路；3、完成电路设计报告。Thursday,December26,2024（二）检测原理及所需器件选用1、工作原理酒精探测电路采用酒精气体敏感传感器作为探头，由一块集成电路对信号进行比较放大，并驱动一排发光二极管按信号电压高低依次显示。对刚饮过酒的人，只要向探头吹一口气，探测电路就能显示出酒精气体的浓度高低。若把探头靠近酒瓶口，它也能轻而易举地识别出瓶内盛的是白酒还是黄酒，能相对地区分出酒精含量的高低。酒精探测电路原理如下图所示。

Thursday,December26,2024Thursday,December26,20242、器件选择（1）稳压器件选用

78xx/79xx系列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC转换器，目前也有大量先进的DC/DC转换器层出不穷，如低压差线性稳压器LDO,（NSC的LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM的MAX1747等等）。78xx/79系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。应注意以下事项：1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；2、输出电流不能太大，1.5A是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。

79XX系列集成压器是常用的固定负输出电压的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点与78XX系列集成稳压器相同。79XX系列集成稳压的三个引脚为：1脚为接地端，2脚为输入端，3脚为输出端。Thursday,December26,2024

W7800为固定式稳压电路，其输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等档级。最后两位数表示输出电压值。输出电流分1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和0.1A（W78L00）三个档次。例如：W7805，表示输出电压为5V、最大输出电流为1.5A；

W78M05，表示输出电压为5V、最大输出电流为0.5A；

W78L05，表示输出电压为5V、最大输出电流为0.1A；Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护等组成。此外它还有过热和过压保护电路。因此，其稳压性能要优于分立元件的串联型稳压电路。如串联稳压的启动电路是比较放大管的负载电阻，此电阻在电源工作过程始终接于电路中，当输入电压变化（电网波动），通过负载电阻影响输出电压也跟着变化。而三端集成稳压器设置的启动电路，在稳压电源启动后处于正常状态下，启动电路与稳压电源内部其他电路脱离联系，这样输入电压变化不直接影响基准电路和恒流源电路，保持输出电压的稳定。Thursday,December26,2024（2）酒精气体传感器选用MQ-2、3型及TGS822型●测量范围：50-5000PPM●精度：0.3—0.5（电阻比）●输出信号：可变电阻值●环境温度：-10~50（℃）特点：对乙醇蒸汽有很高的灵敏度和良好的选择性；快速的响应恢复特；长期的寿命和可靠的稳定性；简单的驱动回路。应用：用于机动车驾驶人员及其他严禁酒后作业人员的现场检测；也用于其他场所乙醇蒸汽的检测。适用对象：酒精（乙醇）

Thursday,December26,2024由微型Al2O3陶瓷管、SnO2

敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。Thursday,December26