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1、主讲人：轩运动 电子电气与通信工程学院第三章：电阻式传感器3.1、工作原理3.2、滑动触点式电阻传感器3.3、应变式电阻传感器3.4、热敏、光敏电阻传感器3.5、电阻式传感器应用实例热敏电阻光敏电阻第三章：电阻式传感器3.1、工作原理3.2、滑动触点式电阻传感器3.3、应变式电阻传感器3.4、热敏、光敏电阻传感器3.5、电阻式传感器应用实例热敏电阻光敏电阻3.1、工作原理电阻式传感器是将被测量的变化转化为电阻变化 的一种传感器； 电导体的电阻值： 式中：R-电阻值，单位：；材料的电阻率，单位：mm/m；l-导体的长度，单位：m；A-导体的截面积，mm第三章：电阻式传感器3.1、工作原理 3.2
2、、滑动触点式电阻传感器 3.3、应变式电阻传感器 3.4、热敏、光敏电阻传感器 3.5、电阻式传感器应用实例热敏电阻光敏电阻3.2、滑动触点式电阻传感器原理通过改变电阻丝的长度从而改变电阻值大小； 分为直线位移型和角位移型3.2、滑动触点式电阻传感器直线位移型如图：触点C沿变阻器表面移动的距离x与A、C两点 之间电阻值的关系为：其中，Kt为单位长度的电阻值； 灵敏度S：3.2、滑动触点式电阻传感器角度位移型如图：触点C沿变阻器表面移动的角度a与A、C两点 之间电阻值的关系为：其中，Kr为单位角度的电阻值； 灵敏度S：n 结构n 电位器式传感器用于什么场合 ？n 应用特点？3.2、滑动触点式电阻
3、传感器n灵敏度n阶梯特性和阶梯误差n分辨率3.2、滑动触点式电阻传感器n 电位器的负载特性或3.2、滑动触点式电阻传感器n电位器的负载特性n电位器的负载误差n减小负载误差的措施u 提高负载系数u 限制电位器的工作范围u 重新设计电位器的空载特性或3.2、滑动触点式电阻传感器敏感结构 真空膜盒串 真空膜盒1. 压力传感器3.2、滑动触点式电阻传感器-例子工作机理 真空膜盒被测压力膜盒位移 杠杆位移电刷位移 电位器输出 1. 压力传感器3.2、滑动触点式电阻传感器-例子第三章：电阻式传感器3.1、工作原理 3.2、滑动触点式电阻传感器 3.3、应变式电阻传感器 3.4、热敏、光敏电阻传感器 3.5
4、、电阻式传感器应用实例热敏电阻光敏电阻金属丝的灵敏系数 3.3、应变式电阻传感器3.3.1. 原理以结构尺寸变化为主， 对金属或合金, 一般Ko=Km=1.84.8。 3.3.2.金属材料的应变电阻效应金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比 。这就是金属材料的应变电阻效应。1+2( /)/3.3.2.半导体材料的压阻效应-半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。式中：半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=100Km。实践证明 E(1+2)因此：半导体丝材的Ko=KsE3
5、.3.3 电阻应变计的类型与结构常用的电阻应变计有两种：金属应变计金属箔式金属箔式-光刻、腐蚀制成的薄栅光刻、腐蚀制成的薄栅丝式丝式-金属丝弯曲金属丝弯曲半导体应变计金属薄膜式金属薄膜式-溅射和沉积，蒸镀薄膜溅射和沉积，蒸镀薄膜薄膜型薄膜型体型体型扩散型扩散型外延型外延型 结构(组成)：1基底 固定敏感 栅2敏感栅 应变-电阻转换3引线 连接栅与 测量电路4盖层 保护层金属丝式（单轴应变计金属丝式（单轴应变计 ）有回线式和短接式二种。回 线式最为常用，制作简单， 性能稳定，成本低，易粘贴 ，但横向效应较大。 5粘结剂 粘贴传递应变金金 属属 箔箔 式式3向应变测 量用优点是：栅的尺寸准确、一致
6、性好、适于大批量生产，易于小型 化、易散热、疲劳寿命高等。（应变花 ）应变花-也称多轴应变计，平面应变场中，需准确检测表面某 点主应力大小、方向半导体应变计灵敏度高，体积小，省电，滞后小，可测静态 应变、低频应变。 但重复性、温度及时间稳定 性差。多用于测量小的应变(微应变到数百微应变) 引线基底敏感栅电极3.3.4 电阻应变片的温度效应及其补偿（2-7） 设工作温度变化为t，则引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为:热阻效应 引起敏感栅与试件热膨 胀失配引起相对的应变量输出为:（2-8） 温度效应u 电阻的热效应uu 试件与应变丝的材料线膨胀系数不一致试件与应变丝的材料线膨胀系数不一致 n
7、 温度误差产生的原因合理选择应变片和使用构件合理选择应变片和使用构件 合理使用电桥uu自补偿法自补偿法u线路补偿法n 温度误差的补偿方法方案方案1 1方案方案2 2双金属补偿应变片： 两个电阻具有正、负温度系数，总的效果为零方案方案3 3双金属补偿应变片： 两个电阻具有相同 的符号温度系数， 分别接入不同桥臂合理选择应变片和使用构件合理选择应变片和使用构件 合理使用电桥uu自补偿法自补偿法u线路补偿法n 温度误差的补偿方法调节 ,n 电桥的平衡电桥原理电桥原理3.3.5 电阻应变片的测量电路引入引入n 电桥的平衡n 电桥的不平衡输出电桥原理电桥原理n 电桥的平衡n 电桥的不平衡输出( (最大灵
8、敏度讨论最大灵敏度讨论) )利用提高灵敏度的措施？提高灵敏度的措施？电桥原理电桥原理n 电桥的平衡n 电桥的不平衡输出n 电桥的非线性误差非线性误差？电桥原理电桥原理半导体应变片金属应变片n 电桥的平衡n 电桥的不平衡输出n 电桥的非线性误差电桥原理电桥原理n 减少电桥的非线性误差的措施双臂受感电桥u差动电桥u采用恒流源供电电桥uu差动电桥差动电桥四臂受感电桥半差动全差动电桥原理电桥原理双臂受感电桥考虑双臂受感的常用情况考虑双臂受感的常用情况四臂受感情况四臂受感情况四臂受感电桥思考：双臂与四臂差动电桥应用情况的比较思考：双臂与四臂差动电桥应用情况的比较n 减少电桥的非线性误差的措施(差动)电桥
9、原理电桥原理四臂受感情况四臂受感情况恒流源供电电桥单臂受感情况单臂受感情况仍然有比较大的非线性误差！仍然有比较大的非线性误差！n 减少电桥的非线性误差的措施(恒流源)非线性误差？电桥原理电桥原理附：电桥转换电路中的温度温差单臂受感情况单臂受感情况评论：温度影响体现在分子、分母上评论：温度影响体现在分子、分母上单臂受感电桥电桥原理电桥原理四臂受感电桥评论：温度影响体现在分母上评论：温度影响体现在分母上四臂受感情况四臂受感情况附：电桥转换电路中的温度温差电桥原理电桥原理单臂受感情况单臂受感情况四臂受感电桥评论：四臂受感电桥大大减小了温度误差！评论：四臂受感电桥大大减小了温度误差！单臂受感电桥四臂受
10、感情况四臂受感情况附：电桥转换电路中的温度温差电桥原理电桥原理四臂受感电桥(恒流源)评论：四臂受感恒流源供电电桥最常用！评论：四臂受感恒流源供电电桥最常用！四臂受感情况四臂受感情况( (恒流源供电恒流源供电) )A BA B附加值：温度的测量附加值：温度的测量附：电桥转换电路中的温度温差电桥原理电桥原理3.3.6 电阻应变计的应用 1、应变计的选用（1）选择类型使用目的、要求、对象、环境等（2）材料考虑使用温度、时间、最大应变量及精度（3）阻值选择根据测量电路和仪器选定标称电阻（4）尺寸考虑试件表面、应力分布、粘贴面积（5）其他考虑特殊用途、恶劣环境、高精度2、应变计的使用（1）粘结剂的选择通
11、常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化 条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。（2）应变计的粘贴准备试件和应变片；涂胶；贴片； 复查；接线；防护。3、应变片的主要参数u应变片电阻值 u绝缘电阻 u灵敏系数 u机械滞后 u允许电流 u应变极限 u零漂和蠕变n 应变式力传感器n 应变式加速度传感器3.3.7 典型的应变式传感器n 应变式力传感器u 圆柱式力传感器u 环式测力传感器u 梁式测力传感器典型的应变式传感器u 圆柱式力传感器应变式力传感器(1)圆柱体：一端固支（非直接施力端 ）一端自由（直接施力端） 敏感结构被测集中力圆柱体的应变电阻应变片的电阻相对变化电桥的电压输出u 圆柱式力传感器应变
12、式力传感器(1) 工作机理u 圆柱式力传感器应变式力传感器(1) 特性方程u 圆柱式力传感器应变式力传感器(1) 特性方程u 环式力传感器应变式力传感器(2)八角环平行四边形环u 环式力传感器应变式力传感器(2)p 基于悬臂梁p 基于剪切梁p 基于 S 型梁p 双端固支梁u 梁式力传感器应变式力传感器(3)u 悬臂梁式力传感器应变式力传感器(3)u 悬臂梁式力传感器应变式力传感器(3)u 剪切梁式力传感器应变式力传感器(3)u S梁式力传感器应变式力传感器(3)u S梁式力传感器应变式力传感器(3)u S梁式力传感器应变式力传感器(3) 电子秤u S梁式力传感器应变式力传感器(3) 敏感结构
13、悬臂梁：一端固支（非直接施力端）一端自由（直接施力端，通过敏感质量）应变式加速度传感器(4) 工作机理被测加速度(施加于悬臂梁的集中力)悬臂梁的应变 电阻应变片的电阻相对变化 电桥的电压输出应变式加速度传感器 特性方程要考虑积分的平均效果应变式加速度传感器 特性方程应变式加速度传感器 应用特点测小量值灵敏度高精度适中成本不高应用广泛应变式加速度传感器第三章：电阻式传感器3.1、工作原理 3.2、滑动触点式电阻传感器 3.3、应变式电阻传感器 3.4、热敏、光敏电阻传感器 3.5、电阻式传感器应用实例热敏电阻光敏电阻3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器1、工作原理若电子和空穴的浓度分
14、别为 、 ，迁移率分别为 、 ， 则半导体的电导为： 因为 、 、 、 都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由 测量电导而推算出温度的高低。 正温度系数热敏电阻（PTC，Positive Temperature Coefficient）负温度系数热敏电阻（NTC，Negative Temperature Coefficient）临界温度热敏电阻（CTR，Critical Temperature Resistance）3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器2、分类PTC是指在某一温度下 电阻急剧增加、具有正 温度系数的热敏电阻现 象或材料。3.4.1 热敏电阻3.4、热敏
15、、光敏电阻传感器3、正温度系数热敏电阻（PTC）3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器3、正温度系数热敏电阻（PTC）式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值， Bp为B值，为该种材料的材料常数NTC是指随温度上升电 阻呈指数关系减小、具 有负温度系数的热敏电 阻现象和材料 。3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器4、负温度系数热敏电阻（NTC）3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器4、负温度系数热敏电阻（NTC）式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值， Bp为B值，为该种材料的材料常数3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器5、主要参数标称阻值Rc：指环境温度为25时热敏电阻器的实际 电阻值。 实际阻值RT：在一定的温度条件下所测得的电阻值。 材料常数：它是一个描述热敏电阻材料物理特性的参 数，也是热灵敏度指标，B值越大，表示热敏电阻器的灵 敏度越高。应注意的是，在实际工作时，B值并非一个常 数，而是随温度的升高略有增加。3.4.1 热敏电阻3.4、热敏、光敏电阻传感器5、主要参数电阻温度系数T：它表示温度变化1时的阻值变化率 ，单位为%/。 时间常数：热敏电阻器是有热惯性的，时间常数，就 是一个描述热敏电阻器热惯性的参
