电阻式传感器优秀3课件

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1、传感器传感器与检测技术与检测技术董春利董春利 主编主编潘洪坤潘洪坤 执笔执笔20082008年年3 3月月全国高等职业教育规划教材省级精品课程配套教材电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件第二章 电阻式传感器2.1电阻应变式传感器2.2固态压阻式传感器2.3热电阻式传感器2.4热敏电阻传感器电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件 第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件n n电阻应变式传感器电阻应变式传感器n n利用电阻应变片将利用电阻应变片将应变应变应变应变转换为转换为电阻变化电阻变化电阻变化电阻变化的传

2、感器的传感器n n传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成n n当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路将其转变成电量输出，其转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物电量变化的大小反映了被测物电量变化的大小反映了被测物电量变化的大小反映了被测物理量的大小。理量的大小。理量的大小。理量的大小。n n应变式电阻传感器是目前应变式电阻传感器是目前测量力测量力测量力测量力、力矩力矩力矩力矩、压力压力压力压力、加加加加速度

3、速度速度速度、重量重量重量重量等参数应用广泛的传感器。等参数应用广泛的传感器。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件一、电阻应变效应 电阻应变片的电阻应变片的工作原理工作原理工作原理工作原理是基于是基于应变效应应变效应应变效应应变效应，即在导体产生，即在导体产生 机械变形时，它的电阻值相应发生变化。机械变形时，它的电阻值相应发生变化。 1 1应变效应的理论应变效应的理论应变效应的理论应变效应的理论 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：电阻丝的电阻率；L电阻丝的长度S电阻丝的截面积。 当电阻丝受到拉力F作用时 ，电阻值相对变化量

4、为： 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件 把单位应变能引起的电阻值变把单位应变能引起的电阻值变把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。化称为电阻丝的灵敏度系数。化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义：单位应变所引起的其物理意义：单位应变所引起的其物理意义：单位应变所引起的电阻相对变化的量电阻相对变化的量电阻相对变化的量 L/L是长度相对变化量，用应变表示；S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量；/为圆形电阻丝的电阻率相对变化量 将上述表达式带入原始公式电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件2应变效应的结论（1）灵

5、敏度系数）灵敏度系数 对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中（对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中（1+21+2）的值要比（的值要比（/）/大得多，而半导体材料的（大得多，而半导体材料的（/）/项的值比（项的值比（1+21+2）大得多。）大得多。 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与与 应变成正比，即应变成正比，即K K为常数为常数 （2）应变测量）应变测量 应变片测量应变的基本原理应变片测量应变的基本原理应变片测量应变的基本原理应变片测量应变的基本原理 应力应力 正比于电阻值的变化正比于电阻值的变化 电阻式传感器优秀电阻式传

6、感器优秀(3)(3)课件课件二、电阻应变片的结构与特性敏感栅是应变片的敏感栅是应变片的核心部分核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式丝式、箔式和薄膜式三种。三种。应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片基于压阻效应 金属电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件 将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，

7、应变状态相同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数同，但由于应变片敏感栅的电阻变化较小，因而其灵敏系数K K较较电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数K0K0小，这种现象称为应变片的小，这种现象称为应变片的横向效应横向效应横向效应横向效应。 3 3应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差，应变片的温度误差，主要因素主要因素: : n n 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，

8、电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻。 2横向效应横向效应电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件三、电阻应变片的测量电路通常采用通常采用直流电桥直流电桥 和和交流电桥交流电桥测量电路测量应变变测量电路测量应变变化而引起电阻变化。化而引起电阻变化。 1 1直流电桥直流电桥直流电桥直流电桥（1 1）直流电桥平衡条件）直流电桥平衡条件 条件：条件：（2 2）电压灵敏度）电压灵敏度 电桥电压灵敏度是单位应变片电阻阻值相对变化电桥电压灵敏度是单位应变片电阻阻值相对变化引起的输出电桥电压的变化。引起的输出电桥电压的变化。 电阻式传感器优秀电阻式传感器

9、优秀(3)(3)课件课件对电压灵敏度进行分析对电压灵敏度进行分析对电压灵敏度进行分析对电压灵敏度进行分析 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；耗的限制，所以要作适当选择；电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n n的函数，恰当地选择桥的函数，恰当地选择桥臂比臂比n n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。在电桥电的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。在电桥电压确定后，当压确定后，当R1=R2

10、=R3=R4R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高。时，电桥电压灵敏度最高。 当电源电压当电源电压E E和电阻相对变化量和电阻相对变化量R1/R1R1/R1一定时，电桥的输一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。关。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件（3 3）电阻应变片的温度补偿方法）电阻应变片的温度补偿方法）电阻应变片的温度补偿方法）电阻应变片的温度补偿方法 l l温度补偿方法通常温度补偿方法通常有线路补偿法有线路补偿法有线路补偿法有线路补偿法和和应变片自补偿应变片自补偿应变片自补偿应变片

11、自补偿两大类两大类 。l l电桥补偿原理：电桥补偿原理： 一般按一般按R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4选取桥臂电阻。当选取桥臂电阻。当温度升高或降低温度升高或降低tt=t-t=t-t0 0时，两个应变片的因温度而引起的时，两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态 （4 4）电阻应变片的非线性补偿方法）电阻应变片的非线性补偿方法）电阻应变片的非线性补偿方法）电阻应变片的非线性补偿方法 1 1）半桥差动电路）半桥差动电路）半桥差动电路）半桥差动电路 特点：特点：特点：特点：差动电桥无非线性差动电桥无非线性 误差误差, , 而且电桥电

12、压灵敏度而且电桥电压灵敏度KU=E/2,KU=E/2,比单臂工作时提高一倍比单臂工作时提高一倍, , 同时还具有温度补偿作用。同时还具有温度补偿作用。 2 2）全桥差动电路）全桥差动电路）全桥差动电路）全桥差动电路 特点特点特点特点：全桥差动电路不仅没有非线性误差：全桥差动电路不仅没有非线性误差, , 而且电压灵敏度是而且电压灵敏度是单片的单片的4 4倍倍, , 同时仍具有温度补偿作用。同时仍具有温度补偿作用。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件 必要性：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直必要性：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂

13、，因此应变电桥多采用交流电桥。流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。电路：电路： 调节电路：调节电路：2 2交流电桥交流电桥平衡条件：满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件，平衡条件：满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件，为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件 四、应变式传感器应用 1应变式力传感器应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器，统称为应变式力传感器。其主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。

14、图2-9柱式、筒式力传感器应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥接线时应尽量减小载荷偏心和弯矩的影响，贴片在圆柱面上的位置及其在桥路中的连接如图（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上以减小弯矩影响，横向贴片作温度补偿用。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件2 2应变式压力传感器应变式压力传感器l l应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化，枪管及炮

15、管内部的压力、内燃机管道压内部的压力变化，枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。力等。 l l应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 （a）应变变化图（b）应变片粘贴图2-10膜片式压力传感器一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件第二节第二节 固态压阻式传感器固态压阻式传感器电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件一、半导体的压阻效应 n n压阻效应压阻效应 ：n n固体受到作用力后，电阻率就要发生变化

16、固体受到作用力后，电阻率就要发生变化 n n半导体材料的压阻效应特别强，即在半导体材料半导体材料的压阻效应特别强，即在半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率在某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生的变化发生的变化较大。较大。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件1 1半导体压阻效应原理半导体压阻效应原理 对半导体材料对半导体材料 ：2 2半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数为： 半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高 5080倍，尺寸小，横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(

17、3)(3)课件课件二、固态压阻式传感器的结构 n n按照结构划分，压阻式传感器主要有三种不同类型。按照结构划分，压阻式传感器主要有三种不同类型。n n体型半导体、薄膜型半导体、扩散型半导体。体型半导体、薄膜型半导体、扩散型半导体。 1 1体型半导体应变片体型半导体应变片体型半导体应变片体型半导体应变片 体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按定定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图。变片，其结构如图。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件2 2薄

18、膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图。沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图。 1-锗膜 2-绝缘层 3-金属箔基底 4-引线3 3扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片 将将P P型杂质扩散到型杂质扩散到N N型硅单晶基底上，形成一层极薄的型硅单晶基底上，形成一层极薄的P P型导电型导电层，形成四个阻值相等的电阻条。再通过超声波和热压焊法接层，形成四个阻值相等的电阻条。再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。上引出线就

19、形成了扩散型半导体应变片。1-N型硅2-P型硅扩散层3-二氧化硅绝缘层 4-铝电极 5-引线 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件三、固态压阻式传感器的测量电路 1恒流源供电电桥恒流源供电电桥 输出电压：输出电压：恒流源供电的全桥差动电路 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件l l零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。l l灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。 2

20、零点与灵敏度温度补偿零点与灵敏度温度补偿 零漂和灵敏度漂移补偿电路 u并联电阻Rp/R2，串联电阻 Rs、R1用于抑制零位温漂。u串联电阻Rs起调零作用u并联电阻RP起补偿作用。u串联二极管VD，用于灵u敏度的温漂补偿。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件四、固态压阻式传感器的应用 固态压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高，应变的横向效应和机械滞后极小。固态压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高，应变的横向效应和机械滞后极小。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 1 1扩散型压阻式压力传感器扩散型压

21、阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器 （1 1）结构）结构 1 1低压腔低压腔 2 2高压腔高压腔 3 3硅杯硅杯 4 4引线引线 5 5硅膜片硅膜片（2 2）工作原理）工作原理 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。电压与膜片两边的压力差成正比。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件四、固态压阻式传感器的应用 （3 3）特点）特点 n n优点优点: :n n体积小，结构比较简单，体积小，结构比较简单，n n动态响应也好，动态响应也好

22、，n n灵敏度高，能测出十几帕的微压，灵敏度高，能测出十几帕的微压，n n长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，n n便于生产，成本低。便于生产，成本低。n n缺点：缺点：n n测量准确度受到非线性和温度的影响。测量准确度受到非线性和温度的影响。n n目前广泛使用的智能型扩散硅压阻式压力传感器，利用微处理器目前广泛使用的智能型扩散硅压阻式压力传感器，利用微处理器对输出的非线性和温度漂移进行补偿。比如：对输出的非线性和温度漂移进行补偿。比如：HoneywellHoneywell公司的公司的ST-3000ST-3000系列。系列。电阻式传感器优秀电阻式传感

23、器优秀(3)(3)课件课件2 2压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器（1 1）结构）结构）结构）结构 1-1-基座；基座；2-2-扩散电阻扩散电阻 3-3-质量块；质量块；4-4-硅梁硅梁（2 2）工作原理）工作原理）工作原理）工作原理 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

24、成正比的电压值。度成正比的电压值。 （3 3）特点）特点）特点）特点 固态压阻式加速度传感器，具有频率动态响应好、结构比较简单、体固态压阻式加速度传感器，具有频率动态响应好、结构比较简单、体积小、精度高、灵敏度高，长期稳定性好，滞后和蠕变小，便于生产，积小、精度高、灵敏度高，长期稳定性好，滞后和蠕变小，便于生产，成本低等优点。成本低等优点。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件第三节第三节 热电阻式传感器热电阻式传感器电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件一、热阻效应及其温度特性 1 1热阻效应热阻效应热阻效应热阻效应 l l定义：定义：l l物体的电阻率随温度变化

25、而变化这一物理现象。物体的电阻率随温度变化而变化这一物理现象。l l常用材料：常用材料：l l铂和铜，铂和铜，l l低温测量中则使用铟、锰等材料。低温测量中则使用铟、锰等材料。l l热电阻传感器：热电阻传感器：l l由金属组成由金属组成 ，广泛用来测量，广泛用来测量-220-220+850+850范围内的温度，范围内的温度，l l少数情况下，低温可测量至少数情况下，低温可测量至-272-272，高温可测量至，高温可测量至10001000。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件2 2热电阻的温度特性热电阻的温度特性热电阻的温度特性热电阻的温度特性 定义：热电阻的阻值随温度变化而变

26、化的特性。定义：热电阻的阻值随温度变化而变化的特性。 （1 1）铂热电阻（）铂热电阻（）铂热电阻（）铂热电阻（贵金属贵金属）l l特点：测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了特点：测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为广泛应用。铂电阻的应用范围为-200-200+850+850。 l l铂电阻的电阻值与温度之间的关系铂电阻的电阻值与温度之间的关系 ： 在在-200-2000 0的温度范围内为：的温度范围内为： 在在0 0+850+850的温度范围内为：的温度范围内为： RR温度为温度为t t时的电阻值；时的电阻值； Ro Ro温度为温度为0 0时的电

27、阻值时的电阻值 A A常数，常数，A=3.96847x10-3/A=3.96847x10-3/； B B常数，常数，B=-5.847x10-7/B=-5.847x10-7/-2-2 C C常数，常数，C=-4.22x10-12/C=-4.22x10-12/-4-4。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件l l优点：优点：l l铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，铜电阻具有较大的电阻温度系数，材料容易提纯，l l铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，铜电阻的阻值与温度之间接近线性关系，l l铜的价格比较便宜，在工业上得到广泛应用铜的价格比较便宜，在工业上得到广泛应用 l l

28、缺点：缺点：l l电阻率较小，机械强度差，电阻率较小，机械强度差，l l稳定性也较差，容易氧化。稳定性也较差，容易氧化。 l l测温范围：测温范围： -50-50150150 l l电阻电阻温度特性方程温度特性方程 RR温度为温度为t t时的电阻值；时的电阻值； RoRo温度为温度为0 0时的电阻值；时的电阻值； 温度为温度为0 0时的电阻温度系数时的电阻温度系数=4.28x10-3/=4.28x10-3/。 （2 2）铜热电阻）铜热电阻）铜热电阻）铜热电阻电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件二、热电阻传感器的结构 n n热电阻按结构分为绕线型、薄膜型及厚膜型。热电阻按结构分为

29、绕线型、薄膜型及厚膜型。n n工业用的热电阻，普遍使用的是绕线型结构，包工业用的热电阻，普遍使用的是绕线型结构，包括感温元件、内引线、保护管和绝缘物。括感温元件、内引线、保护管和绝缘物。n n感温元件是热电阻的核心部分，用金属丝绕制而成，感温元件是热电阻的核心部分，用金属丝绕制而成，测温时通过热传递，使感温元件在短时间内达到所处测温时通过热传递，使感温元件在短时间内达到所处点位的温度。点位的温度。n n内引线是连接在感温元件和热电阻体接线端子之间的内引线是连接在感温元件和热电阻体接线端子之间的导线，将感温元件产生的变化信号引出。导线，将感温元件产生的变化信号引出。n n保护管就是电阻体外壳，用

30、以保护内部元件。保护管就是电阻体外壳，用以保护内部元件。n n绝缘物分两部分，一是绝缘骨架，用来缠绕、支撑或绝缘物分两部分，一是绝缘骨架，用来缠绕、支撑或固定金属丝；二是绝缘陶瓷管，用来隔离内引线及内固定金属丝；二是绝缘陶瓷管，用来隔离内引线及内引线和保护管，防止短接。引线和保护管，防止短接。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件三、热电阻传感器的测量电路热电阻引线的连接方式经常采用三线制和四线制热电阻引线的连接方式经常采用三线制和四线制 （1）三线制）三线制在电阻体的一端连接两根引线，另一端连接一根引线，此种引线形式称为三线制。当热电阻和电桥配合使用时，这种引线方式可以较好地

31、消除引线电阻的影响，提高测量精度。所以工业热电阻多半采样这种方法。 （2）四线制）四线制 在电阻体的两端各连接两根引线称为四线制，这种引线方式不仅消除连接线电阻的影响，而且可以消除测量电路中寄生电势引起的误差。这种引线方式主要用于高精度温度测量。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件第四节第四节 热敏电阻传感器热敏电阻传感器电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件n n热敏电阻n n利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。性质制成的。常用的半导体材料n n铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁、铜等的氧化物铁、镍、锰、钴、钼、

32、钛、镁、铜等的氧化物或其它化合物，或其它化合物，n n根据产品性能不同，进行不同的配比烧结而成根据产品性能不同，进行不同的配比烧结而成第四节第四节 热敏电阻传感器热敏电阻传感器电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件一、热敏电阻的主要特性一、热敏电阻的主要特性 1 1热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性热敏电阻的温度特性l l热敏电阻的温度特性是指半导体材料的电阻值与温度变化热敏电阻的温度特性是指半导体材料的电阻值与温度变化而变化的特性。而变化的特性。 l l按温度特性分类：正温度系数（按温度特性分类：正温度系数（PTCPTC）热敏电阻；负温度）热敏电阻；负温度系

33、数（系数（NTCNTC）热敏电阻；临界温度热敏电阻（）热敏电阻；临界温度热敏电阻（CTRCTR） l l分析这三类热敏电阻的特性图可以得出下列结论：分析这三类热敏电阻的特性图可以得出下列结论：热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很热敏电阻的温度系数值远大于金属热电阻，所以灵敏度很高。高。热敏电阻热敏电阻RttRtt曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围曲线非线性十分严重，所以其测量温度范围远小于金属热电阻远小于金属热电阻 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件（2 2）热敏电阻的温度灵敏系数）热敏电阻的温度灵敏系数热敏电阻的灵敏系数为：热敏电阻的灵敏系数为： 结论：结

34、论： 热敏电阻的温度系数为负值。热敏电阻的温度系数为负值。 温度减小，电阻温度系数温度减小，电阻温度系数 增大。在低温时，负温度系数增大。在低温时，负温度系数热敏电阻的温度系数比金属热电阻丝高得多，故热敏电阻热敏电阻的温度系数比金属热电阻丝高得多，故热敏电阻常用于低温测量（常用于低温测量（-100-100300300）。）。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件2 2热敏电阻的伏安特性热敏电阻的伏安特性 定义：静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电定义：静态情况下热敏电阻上的端电压与通过热敏电阻的电流之间的关系称为伏安特性。流之间的关系称为伏安特性。 分析：热敏电阻只有

35、在小电流范围内端电压和电流成正比，因为电压低时电流也小，温度没有显著升高，它的电流和电压关系符合欧姆定律，但当电流增加到一定数值时，元件由于温度升高而阻值下降，故电压反而下降，因此，要根据热敏电阻的允许功耗线来确定电流，在测温中电流不能选得太高。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件3 3热敏电阻的结构热敏电阻的结构 热敏电阻的结构可以分为，柱状、片状、珠状、薄热敏电阻的结构可以分为，柱状、片状、珠状、薄膜状等形式膜状等形式 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件4 4热敏电阻的特点热敏电阻的特点灵敏度高，电阻温度系数大，约为金属热电阻的灵敏度高，电阻温度系数大，约

36、为金属热电阻的1010倍。因倍。因此可大大降低对仪器、仪表的要求。此可大大降低对仪器、仪表的要求。结构简单，可根据不同要求，制成各种形状。结构简单，可根据不同要求，制成各种形状。电阻率高，同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电电阻率高，同温度情况下，热敏电阻阻值远大于金属热电阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。阻。所以连接导线电阻的影响极小，适用于远距离测量。体积小、热惯性小，可测点温、适用于动态测量。体积小、热惯性小，可测点温、适用于动态测量。化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，制造简单、易于化学稳定性好，机械性能强，价格低廉，制造简单、易于维护、使用寿命长。维护、使用寿命长

37、。缺点是复现性和互换性差，非线性严重。测温范围较窄。缺点是复现性和互换性差，非线性严重。测温范围较窄。因此在使用时，必须进行非线性校正。因此在使用时，必须进行非线性校正。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件（1 1）热敏电阻的温度特性分析）热敏电阻的温度特性分析n n负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，）热敏电阻是一种氧化物的复合烧结体，其电阻值随温度的增加而减小。其电阻值随温度的增加而减小。 n n电阻电阻温度特性关系温度特性关系 RT、RO温度为T、TO时的电阻值；T热力学温度；B热敏电阻材料常数，一般取20006000K 电阻式传感器

38、优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件二、热敏电阻的测量电路 （1 1）线性化网络修正）线性化网络修正 利用包含有热敏电阻的电阻网络，利用包含有热敏电阻的电阻网络， 来代替单个的热敏电阻，使网络来代替单个的热敏电阻，使网络电阻电阻RTRT与温度成单值线性关系。与温度成单值线性关系。（2 2）其它部件特性修正）其它部件特性修正温度温度- -频率转换电路，适当地选取线路频率转换电路，适当地选取线路中的电阻中的电阻r r和和R R，可以在一定的温度范围，可以在一定的温度范围内，得到近于线性的温度内，得到近于线性的温度- -频率转换特性。频率转换特性。（3 3）计算修正法）计算修正法在微处理机（或微

39、计算机）的测量系统中，在微处理机（或微计算机）的测量系统中，计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行计算机将根据热敏电阻器的实际输出值进行校正计算后，给出要求的输出值。校正计算后，给出要求的输出值。（4 4）温度测量线路图）温度测量线路图测温范围为测温范围为-50-50300300，误差小于，误差小于0.50.5 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件三、热敏电阻的主要参数 （1 1）标称电阻值）标称电阻值RHRH 厂家通常将零功率时、环境温度为厂家通常将零功率时、环境温度为2525002 2时测得的热敏电阻（称冷电阻）时测得的热敏电阻（称冷电阻）的电阻值作为的电阻值作为RHRH，

40、称为额定电阻值或标称阻值，记作，称为额定电阻值或标称阻值，记作R R2525， 85 85时的电阻值时的电阻值R85R85作为作为R R8585也由厂家给出。也由厂家给出。（2 2）热敏电阻材料常数）热敏电阻材料常数B B值值（3 3）电阻温度系数）电阻温度系数 热敏电阻在其自身温度变化热敏电阻在其自身温度变化1 1时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的电阻时，电阻值的相对变化量称为热敏电阻的电阻温度系数温度系数 。 B B值越大，负温度系数热敏电阻的热灵敏度值越大，负温度系数热敏电阻的热灵敏度 越高。越高。（4 4）额定功率）额定功率 额定功率是指负温度系数热敏电阻在环境温度为额定功率是指负温

41、度系数热敏电阻在环境温度为2525，相对湿度为，相对湿度为454580%80%。大气压为大气压为0.870.871.07bar1.07bar的条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。单位为的条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。单位为WW。（5 5）耗散系数）耗散系数 耗散系数耗散系数 是指热敏电阻的温度变化与周围介质的温度相差是指热敏电阻的温度变化与周围介质的温度相差1 1时，热敏电阻所时，热敏电阻所耗散的功率，单位为耗散的功率，单位为w w。 （6 6）热时间常数）热时间常数 热敏电阻本身的温度在放入环境温度之前的初始值和达到与环境温度同温度的热敏电阻本身的温度在放入环境温度之前的初始值和达

42、到与环境温度同温度的最终值之间改变最终值之间改变63.2%63.2%所需的时间叫做热时间常数，用所需的时间叫做热时间常数，用 表示。表示。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件四、热敏电阻的应用（1 1）温度补偿）温度补偿）温度补偿）温度补偿 将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝 电阻并联后再与被补偿元件串联。电阻并联后再与被补偿元件串联。（2 2）温度控制）温度控制）温度控制）温度控制 用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值用继电器的绕阻代替不随温度变化的电阻。当温度升高到一定值时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻

43、时，继电器动作，继电器的动作反应温度的大小，所以热敏电阻可用作温度控制。可用作温度控制。（3 3）过热保护）过热保护）过热保护）过热保护 热敏电阻与被保护件紧密结合热敏电阻与被保护件紧密结合 充分热交换，充分热交换， 一旦过热，则起保护作用。一旦过热，则起保护作用。 电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件作业与思考题作业与思考题 1 1试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。试列举金属丝电阻应变片与半导体应变片的相同点和不同点。2 2绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。绘图说明如何利用电阻应变片测量未知的力。3 3热电阻传感器有哪几种？各有何特点及用途？热电阻传

44、感器有哪几种？各有何特点及用途？4 4简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理并举例说明它们的用途。简要说明气敏、湿敏电阻传感器的工作原理并举例说明它们的用途。5 5电阻应变片阻值为电阻应变片阻值为100100，灵敏系数，灵敏系数K K2 2，沿纵向粘贴于直径为，沿纵向粘贴于直径为0.05m0.05m的圆形的圆形钢柱表面，钢材的钢柱表面，钢材的E=2X1011N/m2E=2X1011N/m2，=0.3=0.3。求钢柱受。求钢柱受10t10t拉力作用时，应变片拉力作用时，应变片的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作用时，应变的相对变化量。又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴、受同样拉力作

45、用时，应变片电阻的相对变化量为多少？片电阻的相对变化量为多少？6 6有一额定负荷为有一额定负荷为2t2t的圆筒荷重传感器，在不承载时，四片应变片阻值均为的圆筒荷重传感器，在不承载时，四片应变片阻值均为120120，传感器灵敏度为，传感器灵敏度为0.82mV/V0.82mV/V，应变片的，应变片的K K2 2，圆筒材料的，圆筒材料的=0.3=0.3，电桥，电桥电源电压电源电压Ui=2VUi=2V，当承载为，当承载为0.5t0.5t时（时（R1R1、R3R3轴向粘贴，轴向粘贴，R2R2、R4R4圆周方向粘贴），圆周方向粘贴），求：求：1 1）R1R1、R3R3的阻值；的阻值；2 2）R2R2、R4

46、R4的阻值；的阻值；3 3）电桥输出电压）电桥输出电压UoUo；4 4）每片应）每片应变片功耗变片功耗PwPw。7 7已知铜电阻的已知铜电阻的RoRo为为5050，温度系数为，温度系数为=4.28x10-3/=4.28x10-3/，求当温度为，求当温度为250250时时的铜电阻阻值。的铜电阻阻值。( (铜电阻的阻值铜电阻的阻值RtRt与温度与温度t t的关系可用式（的关系可用式（2-642-64）表示）表示) )8 8直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别？9 9热电阻测温时采用何种测量电路？为什么要采用这种测量电路？说明这种电热电阻测温时采用何种测量电路？

47、为什么要采用这种测量电路？说明这种电路的工作原理。路的工作原理。1010采用阻值为采用阻值为120120、灵敏度系数、灵敏度系数K K=2.0=2.0的金属电阻应变片和阻值为的金属电阻应变片和阻值为120120的固的固定电阻组成电桥，供桥电压为定电阻组成电桥，供桥电压为4V4V，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应，并假定负载电阻无穷大。当应变片上的应变分别为变分别为11和和10001000时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工时，试求单臂工作电桥、双臂工作电桥以及全桥工作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。作时的输出电压，并比较三种情况下的灵敏度。电阻式传感器优秀电阻式传感器优秀(3)(3)课件课件