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1、,2008-10-3,1,退出,自动检测与转换技术,2008-10-3,2,第二章 电阻传感器,1、电阻式传感器的原理及应用； 2、掌握测量电路电桥的应用； 3、掌握测温热电阻的原理及应用; 4、了解气敏电阻及湿敏电阻的工作原理及应用。,2008-10-3,3,退出,第一节 电阻应变式传感器,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。,结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,2008-10-3,4,退出,一、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 当沿金属丝的长度方向作用
2、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。 实验证明，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,K电阻应变片的灵敏度。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。 金属的应变电阻主要以结构尺寸变化为主，半导体的电阻主要基于压阻效应（电阻率的变化）。,2008-10-3,5,退出,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
3、性模量均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,2008-10-3,6,退出,二、应变片的种类与结构,金属应变片,半导体应变片,1、应变片的类型和结构,2008-10-3,7,退出,（1）金属丝式,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。,2008-10-3,8,退出,（2） 箔式 通过光刻、腐蚀而成，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，适合于大批量生产。,（3）薄膜式,采用真空蒸镀技术制成，是近年来薄膜技术的产物。,
4、2008-10-3,9,退出,（4）半导体应变片,半导体应变片外形,半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）,主要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。,2008-10-3,10,退出,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？,2008-10-3,11,退出,： 去污,2、应变片的粘贴,贴片,测量,焊接,固定,2008-10-3,12,退出,三、测量转换电路,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
5、阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如，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=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，求受拉后应变片的阻值R 的变化量？,解得仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。,2008-10-3,13,退出,不平衡电桥,组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可表示为：,电桥如图，求得输出为：,当R1R3=R2R4时，电桥平衡。,取R1=R2=R3=R4设电桥四臂增量分别为R1、R、R、R，则电桥的输出为,2008-10-3,14,退出,1、单臂电桥,若传感器输出的电阻
6、变化量R只接入电桥的一个桥臂中，在工作时,其余三个电阻的阻值没有变化，即R1为应变片， R2 、 R3、R4为固定电阻 。 这时,2008-10-3,15,退出,2、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12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。这时,2008-10-3,16,退出,3、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14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。,2008-10-3,17,退出,上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，
7、双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,分析上述三种工作方式中，灵敏度最高的和最低的是哪种？,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。（尽可能在同一温度场）,全桥的温度补偿原理,2008-10-3,18,退出,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。,调零,2008-10-3,19,退
8、出,四、应变效应的应用,1、应变式传感器,（1）应变式力传感器 传感器的采样部分由弹性元件、应变片和外壳所组成。弹性元件把被测量转换成应变量的变化；弹性元件上的应变片把应变量变换成电阻量的变化。常见的应变式测力与荷重传感器有柱式、悬臂梁式、环式等。,a）柱式 b）环式 c）悬臂梁式,2008-10-3,20,退出,应变式力传感器,（2）应变式数显扭矩传感器,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2500N.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。,2008-10-3,22,退出,（3）应变式加速度传感器,F,F,
9、测力和荷重（称重）传感器很大一部分是采用应变式荷重传感器,（4）应变式荷重传感器,荷重传感器的输出电压Uo的计算：生产厂家一般均给出荷重传感器的灵敏度KF 。设荷重传感器的满量程为Fm，桥路电压为Ui，满量程时的输出电压为Uom，则KF被定义为,由于Uo往往是mV数量级，而Ui往往是V级（10V左右），所以荷重传感器的灵敏度以mV/V为单位。 可得到在被测荷重为F时的输出电压Uo,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。,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,汽车衡称重系统,电子天平,2008-10-3,26,退出,电子秤重装置,2008-10-3,2
10、7,退出,（5）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。,压阻式压力传感器体积小、结构简单、灵敏度高，将其倒置于所测液体底部时，可以测出液体的液位。 这种形式的液位计称为投入式液位计。示意图如图所示。安装高度h0处水的表压 p1=gh1,h=h0+h1=h0+p1 /（g）,2008-10-3,28,退出,2、电阻应变仪,材料应变的测量,2008-10-3,29,退出,第二节 测温热电阻传感器,热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量-200+500范围内的温
11、度。按热电阻性质不同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。,2008-10-3,30,退出,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 。,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。,2008-10-3,31,退出,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻，目前广泛采用的是铂和铜,2008-10-3,32,退出,学习查“铂热
12、电阻分度表”,铂热电阻分度表,2008-10-3,33,退出,用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。 热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。,测温电路,r为引线电阻，Rt为铂电阻,2008-10-3,35,退出,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 。,2008-10-3,36,退出,1）分类： 直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一 定比
13、例挤压成型。 旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热器。,U与I的变化不服从欧姆定律,2）特点： 非线性：R与T呈指数关系,二、热敏电阻,稳定性差，一致性差（同一型号差35%） 灵敏度高（可测量0.001 0.005度的微小变化） 热惯性小，结构简单，使用广泛。 本身电阻在3700, 可用于远距离测量 在-50350度范围内, 线性度好,2008-10-3,37,退出,3） 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,2008-10-3,38,退出,片式负温
14、度系数热敏电阻,BN系列珠状NTC热敏电阻器,GN系列玻壳型NTC热敏电阻器,PN系列功率型NTC热敏电阻器,SN系列温度传感器,2008-10-3,39,退出,4 ）温度特性： NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般-503000C PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高 NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多， PTC以突变型多。 电阻温度系数大： NTC -2-6%/0C PTC 1-10%/0C,2008-10-3,40,退出,下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,1 2 3 4 5,2008-10-3,41,退出,1）热敏电阻测温,调试时，应该先调
15、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、热敏电阻的应用,2008-10-3,42,退出,热敏电阻用于CPU的温度测量,热敏电阻用于电热水器的温度控制,2008-10-3,43,退出,2）热敏电阻用于的过热保护控制,热敏电阻构成的电路图 a) 连接示意图 b) 电动机定子上热敏电阻连接方式,2008-10-3,44,退出,两个铂电阻探头Rt1、Rt2 ，Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响。 Rt2放在温度与流体相同，但不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示。当介质流动时，由于介质流动带走热量，温度的变化引起阻值变化，电桥失去平衡而有输出，电流计的指示直接反映了流量的大小。,3）热电阻式流量计,2008-10-3,45,退出,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。,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。,一、还原性气体传感器 所谓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
