第2講電阻傳感器

第2講電阻傳感器第1頁/共62頁

自動測力或稱重中應用最普遍的是電阻應變式傳感器，應變式傳感器有下列優(yōu)點：

1.精確度，線性度好，靈敏度高

2.滯后和蠕變都較小，壽命高

3.容易與二次儀表相匹配實現(xiàn)自動檢測

4.結構較簡單，體積較小應用靈活

5.工作穩(wěn)定、保養(yǎng)方便應變式傳感器除可用于測量力參數(shù)外，還可用于測量加速度，振幅等其他物理量。第一節(jié)電阻應變式傳感器第2頁/共62頁

應變式傳感器是利用金屬的電阻應變效應，將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器。

一、電阻應變效應當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。取一根長度為L，截面積為S，電阻率為的金屬絲，未受力時其電阻R為第3頁/共62頁

當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔA（取負號）,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應變ε表示ΔA/A為電阻絲的截面積相對變化量,因第4頁/共62頁

由材料力學,在彈性范圍內(nèi),金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為式中:μ——材料的泊松比,負號表示應變方向相反。

ε——材料的應變

以ε取代和，得第5頁/共62頁從上式中提出ε

，得材料的靈敏度系數(shù)K0取決于兩個因素

（1）材料幾何尺寸的改變。見上式中的項。（2）應變引起的電阻率改變。見上式中的項。

結論：金屬材料的主要受前者影響；非金屬材料主要受后者影響！

K0為靈敏度系數(shù)------單位應變能引起的電阻變化。第6頁/共62頁二、電阻應變片的結構1.金屬電阻應變片第7頁/共62頁

用應變片測量時，將其貼在被測對象表面上。當被測對象受力變形時，應變片也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。第8頁/共62頁2.半導體應變片體型薄膜型擴散型導體應變片第9頁/共62頁第10頁/共62頁三、應變片的粘貼技術應變片的檢查與選擇試件的表面處理底層處理貼片固化粘貼質(zhì)量檢查引線焊接與組橋連接第11頁/共62頁

四、測量電路

作用：將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

(一)直流電橋

空載電壓：

直流電源U輸出電壓R’等效電阻：直流電橋交流電橋直流電橋平衡條件：第12頁/共62頁等臂電橋輸出對稱電橋電源對稱電橋第13頁/共62頁

1.直流電橋的電流輸出

如果直流電橋帶一個具有內(nèi)阻Rg的負載,將輸出電流Ig.

電流輸出電路及其等效電路:(E’=U0)第14頁/共62頁

由等效電路可求得Ig、Ug的一般表達式:*當阻抗匹配即Rg=R’時,Ig、Ug表達式可簡化為:第15頁/共62頁

設R1為應變電阻，當電阻增加?R時，由Ig簡化算式：

得輸出電流為：即（2）阻抗匹配的電源對稱電橋，也有（1）阻抗匹配的輸出對稱電橋（3）阻抗匹配的等臂電橋，有第16頁/共62頁2.直流電橋的電壓輸出

如果直流電橋輸出帶運算放大器，負載電阻Rg≈∞,輸出電流Ig≈0，輸出電壓即可認為是電橋電路的開路電壓：對于輸出對稱電橋（右圖）即

對于電源對稱電橋?qū)τ诘缺垭姌虻?7頁/共62頁直流電橋?qū)嵱秒娐?---等臂電橋全橋工作電路特征：四個電阻相同四個電阻全為應變電阻

（兩個被拉長，兩個被壓短）

與單臂應變相比，靈敏度擴大4倍！第18頁/共62頁(二)交流電橋

交流電橋采用正弦交流電源U，電源頻率取被測應變頻率的5~10倍。各橋臂采用應變片或定值精密無感電阻。在頻率較高時，必須考慮分布電容的影響。如：等。Z1Z2Z3Z4第19頁/共62頁設正弦交流電源則輸出交流電壓交流電橋平衡條件：或第20頁/共62頁（1）等臂電橋單臂應變情況下（2）等臂電橋雙臂應變情況下第21頁/共62頁(三)電橋的線路補償

（1）初始平衡補償

對平衡位置（零點）的改變進行的補償。

如果某一對橋臂電阻的乘積較小，可對這兩個電阻中的任一個串聯(lián)小的補償電阻進行補償，以滿足電橋的初始平衡條件。補償電阻第22頁/共62頁（2）溫度補償a.補償片補償b.熱敏電阻補償補償應變片置于相同現(xiàn)場溫度不受力受力工作應變片熱敏電阻調(diào)零如圖中R2、R4橋臂的總溫度系數(shù)低,可采用高溫度系數(shù)的RT進行補償?shù)?3頁/共62頁（3）彈性模量補償

彈性材料受環(huán)境影響，如升溫變軟，彈性模量減??；老化變硬，彈性模量增大等。對于升溫變軟，可采用銅絲或鎳絲制成補償電阻RE進行補償。溫度補償調(diào)零彈性模量補償

分析：當彈性材料升溫變軟，同樣受力引起的應變ε增大，測量電路輸出會增大。加上RE之后，由于RE升溫增大，電橋電路供電電壓減小，補償了升溫引起的輸出增大。第24頁/共62頁

五、電阻應變式傳感器的應用（一）測力與稱重傳感器第25頁/共62頁（二）壓力傳感器

補償片工作片膜片應變片插座第26頁/共62頁（三）加速度傳感器質(zhì)量塊應變梁應變片阻尼液密封墊接線板底座第27頁/共62頁（四）位移傳感器彈簧插頭座應變片等寬懸臂梁調(diào)整螺釘頂桿第28頁/共62頁第二節(jié)固態(tài)壓阻式傳感器

--------半導體傳感器

壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特別強。

半導體壓阻式傳感器分類①粘貼式應變片②擴散硅型壓阻傳感器

特點：靈敏系數(shù)大，分辨率高，動態(tài)響應快，體積小，溫度范圍寬，便于批量生產(chǎn)，易于集成化、智能化。

本節(jié)介紹擴散硅型壓阻傳感器第29頁/共62頁設半導體材料的壓阻系數(shù)為，材料受到的應力為σ，有一、工作原理與結構對于半導體材料，其電阻率的變化為：

在彈性變形限度內(nèi)，壓阻效應是可逆的，當應力消失時，硅片的電阻會恢復原來數(shù)值。

注意：晶體在不同的方向上，壓阻效應數(shù)值不同。第30頁/共62頁壓阻效應傳感器的核心-----------硅膜片內(nèi)部電路膜片芯體示意圖引出線第31頁/共62頁二、壓阻式壓力傳感器硅杯高壓腔低壓腔硅膜片引線引線第32頁/共62頁三、壓阻式加速度傳感器基座擴散電阻質(zhì)量塊梁第33頁/共62頁

四、壓阻式傳感器的應用

因為壓阻式傳感器具有靈敏度高、動態(tài)響應快、體積小、溫度范圍寬、便于批量生產(chǎn)、易于集成化、智能化的優(yōu)點。在航空、航海、石油、化工、機械、兵器、醫(yī)療等各方面獲得廣泛應用。機械：實時檢測各種機器設備、生產(chǎn)線的氣液壓力等航空：飛機發(fā)動機壓力、物體加速度等兵器：槍炮膛內(nèi)壓力、爆炸壓力、沖擊波壓力等醫(yī)療：測量心腦血管、顱內(nèi)、尿道、眼球內(nèi)壓力等其他：自來水管網(wǎng)壓力檢測震動檢測過山車加速度檢測等第34頁/共62頁第三節(jié)熱電阻式溫度傳感器熱電阻傳感器分類：金屬熱電阻==熱電阻半導體熱電阻==熱敏電阻

熱電阻傳感器-----利用導體或半導體的電阻值隨溫度變化而變的物理現(xiàn)象進行溫度檢測。

一、熱電阻

優(yōu)點：（1）電阻-溫度變化具有良好的線性關系；（2）電阻溫度系數(shù)大，故測量精度高；第35頁/共62頁

（3）熱容量小，反應速度快；（4）有較大的測量范圍；－200～500℃；（5）在測量范圍內(nèi)具有高的物理和化學性質(zhì)，價格較低。（5）易于使用在自動測量和遠距離測量中。（一）鉑電阻

鉑熱電阻的特點是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠,所以在溫度傳感器中得到了廣泛應用。鉑熱電阻的特性方程：在0~650℃的溫度范圍內(nèi):

在-200~0℃的溫度范圍內(nèi):Rt和R0分別為t℃和0℃時鉑電阻值;A、B和C為常數(shù)。第36頁/共62頁

目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種,它們的分度號分別為Pt10和Pt100,其中以Pt100為常用。不同分度號有相應分度表,即Rt-t的關系表。實際測量中,只要測得熱電阻的阻值Rt,便可從分度表上查出對應的溫度值。

鉑電阻絲銀引出線骨架第37頁/共62頁鉑熱電阻Pt100分度表第38頁/共62頁

（二）銅電阻

由于鉑是貴重金屬,在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合,可采用銅熱電阻測溫,測量范圍-50~+150℃。銅熱電阻在測量范圍內(nèi)電阻值與溫度的關系:

α為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，銅熱電組的有兩種分度號Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R100=100Ω）。

銅電阻絲骨架銅引出線第39頁/共62頁

銅熱電阻線性好,測溫范圍小，價格便宜,易氧化,不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。鉑熱電阻線性好，測溫范圍較大，價格昂貴，不宜氧化，在腐蝕性介質(zhì)或較高溫度下可以工作。熱電阻的外形結構

接線盒熱電阻固定螺紋

引線方式有兩線制、三線制和四線制,二線制引線電阻對測量影響大,精度低。三線制可以減小連接導線電阻因溫度變化所引起的測量誤差。四線制可以完全消除誤差。第40頁/共62頁二、熱敏電阻珠狀柱狀片狀

熱敏電阻的阻值與溫度之間關系：

R0為溫度為T0時的電阻，Rt為溫度為T時的電阻。第41頁/共62頁

熱敏電阻優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱慣性小，反應速度快，體積小，結構簡單，使用方便，壽命長，易于遠距離測量。

熱敏電阻缺點：電阻隨溫度變化曲線為非線性，且同一型號電阻的產(chǎn)品特性參數(shù)有較大差別，難于互相代換。二、熱電阻式傳感器的應用

（一）工業(yè)溫度計1234引線電阻相等鉑電阻或銅電阻第42頁/共62頁（二）工業(yè)流量計34不流動環(huán)境

當液體流動時，鉑電阻4溫度隨流速變化，鉑電阻3溫度不隨流速變化，流體速度將引起電橋的不平衡輸出。鉑電阻流動環(huán)境鉑電阻當液體不流動時，兩個鉑電阻等溫，電橋平衡第43頁/共62頁（三）熱敏電阻點溫計S1：工作方式

0關機

1校表

2測溫S2：換量程第44頁/共62頁

（四）熱敏電阻熱保護

電機繞組過熱，熱敏電阻阻值增大，達到保護程度，保護電路動作，驅(qū)動繼電器動作切斷電源。保護電路繼電器熱敏電阻電動機第45頁/共62頁（五）熱敏電阻液位傳感器常溫電阻冷電阻總電流液面高低影響輸出電流第46頁/共62頁（六）熱敏電阻濕度傳感器感濕熱敏電阻感測介質(zhì)濕度、溫度密封熱敏電阻處于被測溫度不能感測濕度濕度引起輸出調(diào)零放大電路第47頁/共62頁

一、氣敏電阻的工作原理氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導體,當被氣體吸附時這些材料的電阻率會發(fā)生變化，利用這個原理可以制成氣敏元件和氣敏傳感器----通過電阻率變化監(jiān)視氣體濃度。主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測、預報和自動控制。金屬氧化物半導體分N型半導體（氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等）和P型半導體（氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等）

第四節(jié)氣敏電阻第48頁/共62頁

氣敏電阻的檢測靈敏度受溫度影響很大，在常溫下輸出信號微弱，升溫后電導率變化明顯。

提高對某些氣體成分的選擇性和靈敏度的方法：（1）滲入微量的鉑、銀、金等元素；（2）使用金屬鹽類催化劑。低溫高溫低溫高溫加熱電路測量電路氣敏元件注意：氣敏元件要加溫使用！第49頁/共62頁

（一）氧化錫系氣敏電阻該器件的電導率隨器件本身溫度的升高而增加,在100~300℃范圍內(nèi)電導率變化很大。二、常用氣敏電阻SnO2加熱絲兼電極2加熱絲兼電極1SnO2加熱絲引線2引線1電極1電極2SnO2薄膜電極1電極2加熱1加熱2網(wǎng)罩電極1電極SnO2加熱陶瓷座電線引腳整體結構第50頁/共62頁（二）氧化鋅系氣敏電阻圓形絕緣基板ZnO涂層電極加熱絲催化劑隔膜第51頁/共62頁（三）氧化鐵系氣敏電阻r-Fe203加熱絲r-Fe203雙層網(wǎng)罩加熱電極加熱電極氣敏元件電極第52頁/共62頁三、氣敏電阻的應用（一）氣敏電阻檢漏報警器預熱開關工作開關氣敏電阻氣敏輸出電壓

檢出可燃氣體時，氣敏電阻減小，電壓增大，V1觸發(fā)V2，報警燈亮，音頻振蕩電路也自激振蕩聲音報警。第53頁/共62頁（二）礦燈瓦斯報警器加熱支路測量支路礦燈控制支路

檢出瓦斯氣體時，氣敏電阻減小，V1、V2導通，V3、V4振蕩，報警燈閃爍。第54頁/共62頁（三）一氧化碳報警器

檢出CO氣體時，氣敏電阻RQ減小，V5、V6、V7導通，振蕩電路振蕩