電阻傳感器(應變片修改)課件

1、 力、轉矩和壓力傳感器導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現象稱為應變效應。 電阻應變傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成。一、電阻應變式測力傳感器7/19/20221 我們先來做一個實驗。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00增大到10.05，如圖2-4所示。導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現象稱為應變效應。在工業(yè)中，將試材受力后所產生的長度相對變化量xl/l，稱為縱向應變。7/19/20222（一）、

2、應變原理演示 金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。7/19/20223（二）、應變片的工作原理 設有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為 K電阻應變片的靈敏度 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。 當金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大； 某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。 電阻絲及應變片的電阻相對變化量R R與材料力學中的軸向應變x的關系在很大范圍內是線性的，即 7/19/20224微應變() 對于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應

3、變時，電阻率 會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。 在材料力學中，x =l/l稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變。 x通常很小。例如，當 x為0.000001（ 10-6 ）時，在工程中常表示為1m/m或1微應變(1)。 對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致非線性或斷裂。 7/19/20225應變片用于測量力F的計算公式 由材料力學可知，x=F /(AE)，所以R /R又可表示為 如果應變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設法測出R /R的數值，即可獲知試件受力的大小，可用

4、于電子秤的稱重和測量拉力等。7/19/20226應變片的應用將應變片粘貼在斜拉繩表面，可測量斜拉繩所受的拉力應變片可用于電子秤7/19/20227（三）、應變片的種類與結構 應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。 金屬絲式應變片，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。7/19/20228金屬絲式應變片的結構7/19/20229半導體應變片 半導體應變片的主要優(yōu)點是靈敏度高

5、；缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。 在使用時，需采用半橋、全橋溫度補償及非線性補償措施。 7/19/202210箔式應變片的外形7/19/202211應變片主要性能指標舉例 上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？ 7/19/202212應變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 7/19/202213 2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的

6、氣泡 。7/19/202214 3.測量 ：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現端子折斷和壞的應變片。7/19/202215 4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 7/19/202216 5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。 7/19/202217（四）、應變效應的應用 電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類：是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。轉換元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路；第二類：是將應變片貼于被測試件

7、上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。 7/19/202218應變式力傳感器 S型力傳感器 FFFF7/19/202219各種懸臂梁 7/19/202220各種懸臂梁 FF固定點固定點電纜7/19/202221應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形7/19/202222應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2 R47/19/202223應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF7/19/202224應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF7/19/202225荷重傳感器原理演示 貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。7/19/202

8、226汽車衡測量裝貨量或判斷超載7/19/202227電子秤 磅秤超市打印秤遠距離顯示7/19/202228人體秤 7/19/202229吊鉤秤 便攜式7/19/202230電子秤中的各類彈性元件 7/19/202231材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試 7/19/202232五、測量轉換電路不平衡電橋 金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 例：金屬箔式應變片的標稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R 的變化量僅為0.2。

9、 所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將R /R轉換為輸出電壓Uo。 7/19/202233什么是電橋 不平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結點。在a、c結點之間接入電源Ui，而另一對結點(b、d)之間的電壓差作為輸出電壓端Uo 。b、d的對地電壓相等時稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。 電橋平衡的條件是：上下橋臂的左右位置電阻比例相等。7/19/202234測量轉換電路不平衡電橋 由電工學可知：若橋路4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路的輸出電壓反而相互疊加。7/19/202235電橋平衡的條件 ：R1/R

10、2=R4/R3 調節(jié)RP ，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。7/19/202236單臂電橋單臂半橋的靈敏度最低。計算公式7/19/202237雙臂電橋 R1、 R2為應變片， R3、R4為固定電阻 。應變片R1 、R2 感受到的應變1、2以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。7/19/202238四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1 R4產生的電阻增量（或感受到的應變14）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。 上述三種工作方式中，哪一

11、種靈敏度最高? 哪一種靈敏度最低? 7/19/202239全橋的溫度補償原理 當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最小。 采用全橋（或雙臂半橋）能實現溫度自補償。7/19/2022407/19/2022417/19/2022427/19/202243應變式數顯扭矩扳手 數顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程2500Nm，耗電量10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。7/19/2022447/19/202245應變式數顯扭矩扳手（續(xù)）7/19/202

12、246壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應快。 7/19/202247壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。 7/19/202248壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內部結構信號處理電路p7/19/202249小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口7/19/202250小型壓阻式固態(tài)差壓傳感器（續(xù)）可用于呼吸、透析和注射泵等設備p1進氣管p2進氣管電纜引出7/19/202251小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進氣管7/19/2

13、02252汽車子午線輪胎胎壓的測量子午線輪胎汽車胎壓傳感器的安裝7/19/202253投入式液位計 壓阻式固態(tài)壓力傳感器的p1進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力。硅杯不與液體相通，耐腐蝕。 7/19/202254投入式液位計外形（續(xù)） 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 與水位成正比的光柱 橡膠 背壓管 進水孔7/19/202255投入式液位傳感器 投入式液位傳感器必須使用安裝支架，適應于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質的水或其他液體的液位測量。7/19/202256投入式液位計液位的計算： 安裝高度h0處水的表壓 p1=gh1 所以： h=h0+h1=h0+p1 /（g）

14、 例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，求水的深度h。7/19/202257與計算機接口的多路電阻應變測量模塊 7/19/202258第三節(jié) 測溫熱電阻傳感器 一、金屬熱電阻 溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。 測溫熱電阻可分為金屬和半導體兩大類。7/19/202259金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示 我們先來做一個實驗。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的1

15、0.00增大到10.05，如圖2-4所示。7/19/202260超導現象 1911年，荷蘭物理學家昂內斯（Kamerlingh Onnes）在用液氦將汞的溫度降到4.2K時，發(fā)現汞的電阻降為零。昂內斯將這種現象稱為物質的超導性。后來昂內斯和其他科學家陸續(xù)發(fā)現了其他一些金屬也是超導體。昂內斯因為這項重大發(fā)現而獲得1913年的諾貝爾物理學獎。7/19/202261易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻 請?zhí)暨x適合于制作熱電阻的金屬材料7/19/202262金屬熱電阻材料的主要技術性能 7/19/202263薄膜式及裝配式鉑熱電阻 7/19/202264小型鉑熱電阻 7/19/202265防爆

16、型鉑熱電阻 堅實的外殼起“隔爆”作用7/19/202266汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱電阻7/19/202267學習查“鉑熱電阻分度表”請判斷鉑熱電阻是否線性7/19/202268鉑電阻溫度顯示、變送器上下限設定鍵上限下限上上限下下限測量值7/19/202269可設定溫度的溫度控制箱 旋轉式機械 設定開關 撥碼式 設定開關哪一種更適合車間使用？7/19/202270二、熱敏電阻 熱敏電阻有負溫度系數（NTC）和正溫度系數（PTC）之分。 NTC又可分為兩大類： 第一類的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數關系，因此可用于測量溫度： 第二類為突變型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降

17、 ，可用于控制溫度 。7/19/202271熱敏電阻的外形、結構及符號 a）圓片型熱敏電阻 b）柱型熱敏電阻 c）珠型熱敏電阻 d）鎧裝型 e）厚膜型 f）圖形符號1熱敏電阻 2玻璃外殼 3引出線 4紫銅外殼 5傳熱安裝孔 7/19/202272PTC熱敏電阻 PTC熱敏電阻屬于臨界溫度型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降，可用于各種電子電路中抑制浪涌電流。大功率PTC還可用作暖風機中的加熱元件。 恒溫加熱PTC熱敏電阻 7/19/202273下圖所示的恒溫加熱PTC熱敏電阻的溫度將恒定在多少度范圍？為什么？加熱電流約為多少A？將暖風機的“風量”加大后，PTC的溫度為什么不會

18、下降？加熱功率如何變化？7/19/202274下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？7/19/202275熱敏電阻的特性曲線如下圖2，計算公式如下， R01M， T025，B=4000,求100 時的電阻值 解：T=273+100=373K（開氏）結論：100 時的阻值只有25 時的1/15 。7/19/202276熱敏電阻外形 MF12型 NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻7/19/202277其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝 NTC熱敏電阻MF58 型熱敏電阻7/19/202278其他形式的熱敏電阻 帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻7/19/202279其他形式的熱敏電阻（續(xù)） 貼片式

19、NTC熱敏電阻7/19/202280其他形式的熱敏電阻（續(xù)） MF58型（珠形）高精度負溫度系數熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達電子有限公司資料）7/19/202281非標熱敏電阻7/19/202282非標熱敏電阻（續(xù)） 7/19/202283非標熱敏電阻（續(xù)） 7/19/202284熱敏電阻溫度面板表 熱敏電阻 LCD7/19/202285熱敏電阻體溫表 7/19/202286熱敏電阻體溫表的調試、標定方法 調試時，應該先調哪一只電位器，再調哪一只電位器？ 如何檢驗表面刻度中其他各點是否準確？具體步驟如何進行？ 7/19/202287熱敏電阻與電容器組成的RC多諧振蕩器 多諧振

20、蕩器又稱為矩形波發(fā)生器。f1/(2RC)Rt去計算機的計數器ff7/19/202288熱敏電阻用于CPU的溫度測量 （參考小熊在線公司資料）7/19/202289熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 7/19/202290第四節(jié) 氣敏電阻傳感器 工業(yè)、科研、生活、醫(yī)療、農業(yè)等許多領域都需要測量環(huán)境中某些氣體的成分、濃度。例如，煤礦中瓦斯氣體濃度超過極限值時，有可能發(fā)生爆炸；家庭發(fā)生煤氣泄漏時，可能發(fā)生悲劇性事件；農業(yè)塑料大棚中CO2濃度不足時，農作物將減產；鍋爐和汽車發(fā)動機汽缸燃燒過程中O2含量不達標時，效率將下降，并造成環(huán)境污染。在這一節(jié)里，卡卡給大家介紹氣敏電阻傳感器的特性及其典型應用7/19/

21、202291氣敏電阻可以把某種氣體的成分、濃度等參數轉換成電阻變化量，再轉換為電流、電壓信號。 氣敏電阻品種繁多，主要有可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。 7/19/202292一、還原性氣體傳感器 在化學反應中，還原性氣體是給出電子還是得到電子？ 還原性氣體多數屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。 測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料燒結而成的半導體器件。 7/19/202293MQN型氣敏電阻結構及測量電路 a）氣敏燒結體 b）氣敏電阻外形 c）基本測量電路 1引腳 2塑料底座 3燒結體 4不銹鋼網罩 5加

22、熱電極 6工作電極 7加熱電源 8測量電源 7/19/202294在學習過的化學知識中，所謂還原性氣體，就是在化學反應中能逸出電子，化學價升高的氣體。還原性氣體多數屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、煤氣、天然氣、氫氣等?；?顧 一 下7/19/202295表2-4 幾種國產氣敏電阻的主要特性型號參數UL206UL282UL281MQN10檢測對象煙霧酒精蒸氣煤氣可燃性氣體測量回路電壓/V151.5151.510+1101加熱回路電壓/V50.550.5清洗5.5+0.5工作0.8+0.150.5加熱電流/mA160180160180清洗190工作2535160180環(huán)境溫度/-10

23、50-1050-1050-2050環(huán)境濕度/%RH0.950.950.950.957/19/202296 MQN型氣敏半導體器件的燒結體中，有兩組鉑絲。一組鉑絲為測量電極，另一組（上圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼測量電極。 氣敏電阻工作時必須加熱到200300，其目的是加速被測氣體的化學吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。 7/19/202297部分氣敏電阻外形 酒精傳感器7/19/202298酒精傳感器技術指標 工作電壓 DC3V（2A5電池）；工作電流 120mA； 使用環(huán)境 溫度： 045； 相對濕度：95%RH ；預熱時間 10秒（初次預熱18秒）；測試時間 8秒；測

24、量范圍 0.001.00mg/L； 報警濃度 0.24mg/L；準確度 10% F.S 7/19/202299酒精測試儀呼氣管7/19/2022100氣敏電阻的選擇性7/19/2022101在圖2-24中，氣敏電阻在被測氣體濃度較低時有較大的電阻變化，而當被測氣體濃度較大時，其電阻率的變化逐漸趨緩，有較大的非線性。這種特性較適用于氣體的微量檢漏、濃度檢測或超限報警，被廣泛用于煤炭、石油、化工、家居等各種領域。觀 察 和 分 析7/19/2022102 氣敏半導體的靈敏度特性曲線 觀察右圖這些曲線，有何特點？可以得出哪些啟示？ 請說明非線性特性對濃度超限報警是否有利，為什么？7/19/2022103家庭用煤氣報警器7/19/2022104家庭用液化氣報警器7/19/2022105一氧化碳傳感器7/19/2022106其他氣體傳感器NH3傳感器煤礦瓦斯報警器7/19/2022107各種酒精傳感器 7/19/202210812.酒后駕車測試儀 酒后駕車易出事故，但判定駕駛員是否喝酒過量帶有較大的主觀因素。請你利用學過的知識，設計一臺便攜式、交通警使用的酒后駕車測試儀 7/19/2022109酒后駕車測試儀的試制 酒后駕車測試儀散件呼氣管7/19/20221107/19/2022111汽車尾氣分析7/19/2022112有毒氣體傳感器的使用7/19/2022113第五節(jié) 濕敏電阻