檢測技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)第三專題

檢測技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)第三專題2023/4/301第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

電阻應(yīng)變傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一

我們先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω。第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一一、應(yīng)變原理演示

金屬絲受拉時(shí)，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、應(yīng)變片的工作原理

設(shè)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(yīng)變片的靈敏度當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。當(dāng)金屬絲受拉時(shí)，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一微應(yīng)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(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，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(xué)中，x=l/l稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。

x通常很小。例如，當(dāng)x為0.000001（10-6）時(shí)，在工程中常表示為1m/m或1微應(yīng)變(1με)。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)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(qiáng)度而導(dǎo)致非線性或斷裂。

第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變片用于測量力F的計(jì)算公式由材料力學(xué)可知，x=F/(AE)，所以R/R又可表示為

如果應(yīng)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(shè)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和測量拉力等。第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。金屬絲式應(yīng)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(yīng)變片價(jià)格便宜，多用于大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)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(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時(shí)間測量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時(shí)，需采用半橋、全橋溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。

第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一箔式應(yīng)變片的外形第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例上表中，哪幾個(gè)型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)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(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)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(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一為什么要使用不平衡電橋

把對某物理量的電阻敏感材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個(gè)臂電阻，通過電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來判斷該物理量的大小。如果直接測應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y量一個(gè)在很大的基值上附加的一個(gè)很小的信號是很困難的。利用電橋可以把這個(gè)信號的基值去掉，變成了一個(gè)在零值附近的信號，并且可以通放大電路來增大靈敏度。第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一什么是電橋

不平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對結(jié)點(diǎn)(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(shí)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。第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

由電工學(xué)可知：若橋路4個(gè)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。第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一電橋平衡的條件：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(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5的作用是什么？又稱為

電阻？

第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一單臂電橋單臂半橋的靈敏度最低。計(jì)算公式第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一雙臂電橋

R1、

R2為應(yīng)變片，

R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變1、2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四臂全橋

全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）正負(fù)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?

第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)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??；請說出半橋克服溫漂的原理！采用全橋（或雙臂半橋）能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；

第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。

第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一各種懸臂梁

第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應(yīng)變片在向下力的作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一汽車衡測量裝貨量或判斷超載第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一人體秤

怎樣改造，才能適合盲人使用？第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一吊鉤秤

便攜式如何將信號傳送到計(jì)算機(jī)中？第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一電子秤中的各類彈性元件

第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一材料應(yīng)變的測量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試

第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一材料應(yīng)變的測量（續(xù)）預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗(yàn)：工作人員正在貼應(yīng)變片

應(yīng)變片粘貼在管樁上，引出線應(yīng)良好固定第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?/p>

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(dǎo)體時(shí)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?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

我們先來做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω，如圖2-4所示。第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一易提純、復(fù)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第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能

第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一薄膜式及裝配式鉑熱電阻

第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一小型鉑熱電阻

第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”請判斷鉑熱電阻是否線性第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一鉑電阻溫度顯示、變送器上下限設(shè)定鍵上限下限上上限下下限測量值第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一可設(shè)定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開關(guān)撥碼式設(shè)定開關(guān)第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路1－連接電纜二線制單臂電橋測量電路2023/4/3047第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路二線制電橋測量電路的缺點(diǎn)：（1）引線的電阻將使原來已調(diào)好平衡的電橋失去了平衡，需重新調(diào)零。（2）在測量過程中，氣溫升高時(shí)，引線電纜受環(huán)境溫度影響，銅質(zhì)電纜線的電阻與熱電阻一樣，阻值也會升高，疊加在Rt的變化上，引起測量誤差，且無法糾正。2023/4/3048第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一四線制電橋測量電路的缺點(diǎn)：由于輸出電壓是直接從Rt兩端引出的，所以激勵(lì)電流Ii在r1a、r1b上的壓降就不被包括到Uo中，因此可以克服引線電阻的影響。四線制測量電路的缺點(diǎn)是：A/D轉(zhuǎn)換器得到的電壓中，本底電壓Uo0所占比例較大，而反映溫度變化的ΔUo相對較小，降低了系統(tǒng)的分辨力。3－恒流源2023/4/3049第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱電阻的測量轉(zhuǎn)換電路三線制單臂電橋測量電路2－屏蔽層RP1－調(diào)零電位器RP2－調(diào)滿度電位器2023/4/3050第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一二、熱敏電阻

熱敏電阻有負(fù)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(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此可用于測量溫度：第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降，可用于控制溫度。第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)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

第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一PTC熱敏電阻

PTC熱敏電阻屬于臨界溫度型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，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(fēng)機(jī)中的加熱元件。恒溫加熱PTC熱敏電阻第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達(dá)電子有限公司資料）第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一非標(biāo)熱敏電阻第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）

第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）

第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻體溫表

第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻用于CPU的溫度測量

（參考小熊在線公司資料）第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一第五節(jié)濕敏電阻傳感器

許多儲物倉庫在濕度超過某一程度時(shí)，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的相對濕度保持在60%～70%；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對濕度進(jìn)行檢測和控制。濕度有絕對濕度和相對濕度之分。在這一節(jié)里，卡卡給大家介紹測量相對濕度的濕敏電阻傳感器特性及其應(yīng)用。2023/4/3067第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一絕對濕度：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(zhì)量(克數(shù))。

相對濕度（RH％）：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)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(dāng)相對濕度達(dá)100%時(shí)，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(dǎo)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。

2023/4/3068第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期一濕度傳感器的分類

2023/4/3069第69頁，共80頁，2023年，