1、第六章 电阻传感器,电阻传感器的基本原理是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度、磁场强度等。,电阻应变传感器,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。,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10.00增大到10.05。,一、应变原理演
2、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,微应变(),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
3、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(1)。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。,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，可用于电子秤的称重和测量拉力等。,二、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及
4、半导体应变片两大类。金属丝式应变片蠕变较大，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。,金属丝式应变片的结构,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。,箔式应变片的外形,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？,三、测量转换电路不平衡电桥
5、,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。,为什么要使用不平衡电桥,把对某物理量的电阻敏感材料加工成传感器，作为电桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个在很大的基值上附加
6、的一个很小的信号是很困难的。利用电桥可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，并且可以通放大电路来增大灵敏度。,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。,三、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。,电桥平衡的条件 ：R1/R2
7、=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的作用是什么？又称为 电阻？,单臂电桥,单臂半桥的 灵敏度最低。,计算公式,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。,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。,上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高?
8、哪一种灵敏度最低?,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； 请说出半桥克服温漂的原理！,采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。,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。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。,应变式力传感器,S型力传感器,F,F,F,F
9、,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形,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。,汽车衡,测量装货量或 判断超载,汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,怎样改造，才能适合盲人使用？,吊钩秤,便携式,如何将信号传送到计算机中？,电子秤中的各类弹性元件,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,材料应变的测量（续）,预应力管桩的质量检验： 工作人员正在贴应变片,应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固定
10、,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。,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10.00增大到10.05，如图2-4所示。,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,金属热电阻材料的主要技术性能,薄膜式及
11、装配式铂热电阻,小型铂热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,学习查“铂热电阻分度表”,请判断铂热电阻是否线性,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,2019/1/15,47,热电阻的测量转换电路,1连接电缆,二线制单臂电桥测量电路,2019/1/15,48,热电阻的测量转换电路,二线制电桥测量电路的缺点：（1）引线的电阻将使原来已调好平衡的电桥失 去了平衡，需重新调零。（2）在测量过程中，气温升高时，引线电缆受 环境温度影响，铜质电缆线的电阻与热电阻一样， 阻值也会升高，叠加在Rt的变化上
12、，引起测量误差 ，且无法纠正。,2019/1/15,49,四线制电桥 测量电路的缺点：由于输出电压是直接从R t两端引出的，所以激励电流Ii在r1a、r1b上的压降就不被包括到Uo中，因此可以克服引线电阻的影响。四线制测量电路的缺点是：A/D转换器得到的电压中，本底电压Uo0所占比例较大，而反映温度变化的Uo相对较小，降低了系统的分辨力。,3恒流源,2019/1/15,50,热电阻的测量转换电路,三线制单臂电桥测量电路,2屏蔽层 RP1调零电位器 RP2调满度电位器,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
13、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 。,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,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,下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热
14、敏电阻,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,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,其他形式的热敏电阻（续）,贴片式NTC热敏电阻,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）,非标热敏电阻,非标热敏电阻（续）,非标热敏电阻（续）,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,LCD,热敏电阻体温表,热敏电阻用于CPU的温度测量,（参考小熊在线公司资料）,热敏电阻用于电热水器的温度控制,2019/1/15,67,第五节 湿敏电阻传感器,许多储物仓库在湿度超过某一程度时，物品
15、易发生变质或霉变现象；居室的湿度希望适中；而纺织厂要求车间的相对湿度保持在60%70%；在农业生产中的温室育苗、食用菌培养、水果保鲜等都需要对湿度进行检测和控制。 湿度有绝对湿度和相对湿度之分。在这一节里，卡卡给大家介绍测量相对湿度的湿敏电阻传感器特性及其应用。,2019/1/15,68,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（RH）：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
16、利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。,2019/1/15,69,湿度传感器的分类,2019/1/15,70,水蒸气的凝结将给仪器设备带来各种危害,2019/1/15,71,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。,2019/1/15,72,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,2019/1/15,73,露点传感器外形,2019/1/15,74,电子湿度计模块,2019/1/15,75,电子湿度计模块,封装后的外形,2019/1/15,76,电子式温湿度计,2019/1/15,77,机械式、电子式温湿度计对比,2019/1/15,78,陶瓷湿度传感器特性曲线,陶瓷湿度传感器特性曲线采用对数坐标有何意义？其电阻率变化约有多少个数量级？,温度升高，灵敏度如何变化？,2019/1/15,79,电子相对湿度仪表的标定仪器,干湿球湿度计外形及原理,干球,湿球,休 息 一 下,
