傳感器-2電阻傳感器課件

第二章電阻傳感器

本章學習電阻式傳感器的原理及應用，包括：電阻應變片、測溫熱電阻、氣敏電阻、濕敏電阻及磁敏電阻、電位器等。2/6/20231第一節(jié)電阻應變傳感器

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)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。2/6/20232一、應變原理演示

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。2/6/20233微應變(με)

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，由于其感受到應變時，電阻率會產(chǎn)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(1με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)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。

2/6/20235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Ｅ均為已知，則只要設法測出R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，可用于電子秤的稱重等。2/6/20236二、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。金屬絲式應變片蠕變較大，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。2/6/20237半導體應變片半導體應變片的主要優(yōu)點是靈敏度高；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，需采用溫度補償及非線性補償措施。

2/6/20239箔式應變片的外形2/6/202310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(jù)是什么？

2/6/202311

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(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。2/6/2023133.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(xiàn)端子折斷和壞的應變片。2/6/202314

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。

2/6/202315三、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。

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。

2/6/202317三、測量轉換電路——不平衡電橋

由電工學知識可知：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。2/6/202318電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP

，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

2/6/202319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(chǎn)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。計算公式2/6/202321四臂全橋

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(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應變1~4）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，哪一種靈敏度最高?哪一種靈敏度最低?

計算公式2/6/202322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(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最?。徽堈f出半橋克服溫漂的原理！采用全橋（或雙臂半橋）能實現(xiàn)溫度自補償。2/6/202323應變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF2/6/202325各種懸臂梁

2/6/202326各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜2/6/202327應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R42/6/202329應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF2/6/202330應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF2/6/202331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(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。2/6/202332汽車衡測量裝貨量或判斷超載2/6/202333汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）2/6/202334荷重傳感器計算公式

當KF為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。思考：綜合考慮靈敏度與功耗、發(fā)熱等因數(shù)，Ui的取值范圍多少為好？2/6/202335荷重傳感器應用估算

例現(xiàn)用某荷重傳感器稱重。當橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸出電壓Uo為8mV，求被測荷重為多少噸。解

從該荷重傳感器銘牌上得到Fm=100103N，KF=2mV/V，可計算得到Uom=12mV。根據(jù)上述公式計算得被測荷重：2/6/202336荷重傳感器用于構件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）底座墊塊電纜2/6/202337電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示2/6/202338電子天平電子天平的精度可達十萬分之一2/6/202339應變式數(shù)顯扭矩扳手數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)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2~500N·m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。2/6/202340應變式數(shù)顯扭矩扳手（續(xù)）2/6/202341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。

2/6/202342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。

2/6/202343小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口2/6/202344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2/6/202345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2/6/202346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2/6/202347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。

2/6/202348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2/6/202349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。2/6/202350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）

例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，求水的深度h。2/6/202351材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試

2/6/202352材料應變的測量（續(xù)）預應力管樁的質量檢驗：工作人員正在貼應變片

應變片粘貼在管樁上，引出線應良好固定2/6/202353第二節(jié)測溫熱電阻傳感器

一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，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。2/6/202354

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484。

請說明鎢絲的溫度系數(shù)的正負。

2/6/202355易提純、復現(xiàn)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2/6/202356金屬熱電阻材料的主要技術性能

2/6/202357薄膜式及裝配式鉑熱電阻

2/6/202358小型鉑熱電阻

2/6/202359防爆型鉑熱電阻

堅實的外殼起“隔爆”作用2/6/202360汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2/6/202361學習查“鉑熱電阻分度表”1.Pt100在40℃時為多少歐？2.鉑熱電阻是否線性？2/6/202362二、熱敏電阻

熱敏電阻有負溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（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(shù)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，可用于控制溫度。2/6/202363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

2/6/202364PTC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2/6/202365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的溫度為什么不會下降？加熱功率如何變化？2/6/202366下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？2/6/202367熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻2/6/202368其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻2/6/202369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2/6/202370其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻2/6/202371熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD2/6/202372熱敏電阻體溫表

2/6/202373熱敏電阻體溫表的調(diào)試、標定方法

調(diào)試時，應該先調(diào)哪一只電位器，再調(diào)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？

2/6/202374熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）2/6/202375熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

2/6/202376第三節(jié)氣敏電阻

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。

氣敏電阻可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉換成電阻變化量，再轉換為電流、電壓信號。

2/6/202377一、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(shù)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。

2/6/202378MQN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(wǎng)罩5—加熱電極6—工作電極7—加熱電源8—測量電源

2/6/202379MQN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）。

2/6/202380氣敏電阻外形

酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器2/6/202381酒精測試儀呼氣管2/6/202382氣敏電阻的選擇性2/6/202383

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？2/6/202384家庭用煤氣報警器2/6/202385家庭用液化氣報警器2/6/202386一氧化碳傳感器2/6/202387其他氣體傳感器NH3傳感器煤礦瓦斯報警器2/6/202388二、二氧化鈦氧濃度傳感器

半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大。

用于汽車或燃燒爐排放氣體中的氧濃度傳感器結構圖及測量轉換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。

與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt

起溫度補償作用。當環(huán)境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據(jù)分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差。

2/6/202389TiO2氧濃度傳感器結構及測量轉換電路a）結構b）測量轉換電路

1－外殼（接地）2－安裝螺栓3－搭鐵線4－保護管5—補償電阻6－陶瓷片7－TiO2氧敏電阻8－進氣口9－引腳

2/6/202390氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量2/6/202391汽車尾氣分析2/6/202392有毒氣體傳感器的使用2/6/202393第四節(jié)濕敏電阻

絕對濕度：是指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質量(克數(shù))。

相對濕度（RH％）：是大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態(tài)。

濕敏電阻的原理：水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內(nèi)部，引起半導體的電阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。

2/6/202394濕度傳感器的分類

2/6/202395濕度對電子元件的影響

當環(huán)境的相對濕度增大時，物體表面就會附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛。2/6/202396露點

降低溫度會產(chǎn)生結露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關系，結露也嚴重影響電子儀器的正常工作，必須予以注意。

測量露點的儀器2/6/202397露點傳感器外形

2/6/2023