《傳感器與檢測技術(shù)》(第二版)第二章

第二章、電阻式傳感器本章學(xué)習(xí)要求：1.了解電阻式傳感器的分類2.掌握電阻式傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路Thursday,December26,2024

導(dǎo)體或半導(dǎo)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)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。2.1電阻應(yīng)變式傳感器Thursday,December26,2024一、電阻應(yīng)變片的工作原理金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。Thursday,December26,2024

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

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(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時，

將變大，導(dǎo)致R變大。

K0—電阻應(yīng)變片的靈敏度Thursday,December26,2024

1.應(yīng)變(ε)

在材料力學(xué)中，

=

l/l

稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。

通常很小，常用10-6表示之。例如，當

為0.000001時，在工程中常表示為1

10-6或

m/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變(

)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導(dǎo)致斷裂。

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2.應(yīng)變靈敏度系數(shù)(K0)K0表示單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化，其大小由兩個因素影響：

(1＋2μ)表示由幾何尺寸改變所引起的變化；

(Δρ/ρ)/(Δl/l)表示材料的電阻率ρ隨應(yīng)變所引起的變化。對于金屬材料，以前者為主。K0

略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，以后者為主，由于其感受到應(yīng)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。

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由材料力學(xué)可知，

=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，例如可用于電子秤的稱重。

3.應(yīng)變片用于測量力F的計算公式Thursday,December26,2024二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗。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。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。薄膜式應(yīng)變片采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成金屬薄膜形成應(yīng)變片。其靈敏度系數(shù)較高，允許電流密度大，工作范圍廣。Thursday,December26,2024箔式應(yīng)變片的外形Thursday,December26,2024半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Thursday,December26,2024應(yīng)變片主要性能指標舉例上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

Thursday,December26,2024三、應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)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。Thursday,December26,2024

2.貼片：在應(yīng)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(yīng)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。Thursday,December26,2024

3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。Thursday,December26,2024

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。

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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(yīng)變片。Thursday,December26,2024四、測量轉(zhuǎn)換電路——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。

如有一金屬箔式應(yīng)變片，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(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/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。下面分析該橋式測量轉(zhuǎn)換電路是如何將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024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是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

Thursday,December26,2024單臂電橋全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。Thursday,December26,2024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)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。Thursday,December26,2024四臂全橋全橋的四個橋臂都為應(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，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋還能實現(xiàn)溫度自補償。Thursday,December26,2024全橋的溫度補償原理當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)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，所以全橋的溫漂較?。话霕蛞餐瑯幽芸朔仄?。Thursday,December26,2024應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。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。五、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用Thursday,December26,2024應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFFThursday,December26,2024各種懸臂梁

Thursday,December26,2024各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜Thursday,December26,2024應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4Thursday,December26,2024應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FFThursday,December26,2024荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。

Thursday,December26,2024汽車衡Thursday,December26,2024汽車衡Thursday,December26,2024汽車衡稱重系統(tǒng)Thursday,December26,2024電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示Thursday,December26,2024電子天平電子天平的精度可達十萬分之一Thursday,December26,2024人體秤

Thursday,December26,2024吊鉤秤

便攜式Thursday,December26,2024應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手

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(lǐng)域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。Thursday,December26,20242.2熱電阻及熱敏電阻2.2.1熱電阻1.原理溫度升高，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)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，稱為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。2.類型普通熱電阻、鎧裝熱電阻、端面熱電阻和隔爆型熱電阻。Thursday,December26,2024易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻Thursday,December26,2024熱電阻的主要技術(shù)性能Thursday,December26,2024

1、鉑電阻鉑易于提純，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，電阻率較大，能耐較高的溫度，；因此用鉑電阻作為復(fù)現(xiàn)溫標的基準器。鉑電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系可用下式表示

式中，為溫度為t時的電阻值；為溫度為時的電阻值；A為常數(shù),A=3.96847×103C-1；B為常數(shù)，B=5.847×10-7℃-2

；C為常數(shù)，C=-4.22×10-12℃-4Thursday,December26,2024

2、銅電阻鉑是貴重金屬，因此在一些測量精度要求不高，測溫范圍較小(-50～150℃)的情況下，普遍采用銅電阻。銅電阻具有較大的電阻溫度系數(shù)，材料容易提純，銅電阻的阻值與溫度之間接近線性關(guān)系，銅的價格比較便宜，所以銅電阻在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。銅電阻的缺點是電阻率較小，穩(wěn)定性也較差，容易氧化。銅電阻的電阻值與溫度間的關(guān)系為

Rt為溫度t時的電阻值；R0為溫度為0℃時的電阻值；a為0℃時的電阻溫度系數(shù)。Thursday,December26,2024a）圓片型熱電阻b）柱型熱電阻c）珠型熱電阻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—安裝孔

3.熱電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號Thursday,December26,2024薄膜型及普通型鉑熱電阻Thursday,December26,2024小型鉑熱電阻Thursday,December26,2024防爆型鉑熱電阻Thursday,December26,2024汽車用水溫傳感器及水溫表銅熱電阻Thursday,December26,20242.2.2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：第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關(guān)系；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。Thursday,December26,202412345下圖中那根曲線為NTC熱敏電阻？Thursday,December26,20241、熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻Thursday,December26,20242、其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻Thursday,December26,2024帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻Thursday,December26,2024

2.3壓敏電阻

1、工作原理單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化．這種物理現(xiàn)象稱為固態(tài)壓阻效應(yīng)，由此得到的傳感器叫壓阻式傳感器。半導(dǎo)體材料電阻的變化率ΔR／R主要由Δρ／ρ引起，即取決于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，所以可以用下式表示Thursday,December26,2024

2、結(jié)構(gòu)原理固態(tài)壓阻式傳感器的核心是硅膜片。通常多選用N型硅晶片作硅膜片，在其上擴散P型雜質(zhì)，形成四個阻值相等的電阻條。將芯片封接在傳感器的殼體內(nèi)，再聯(lián)接出電極引線就制成了典型的壓阻式傳感器。Thursday,December26,2024

3、壓敏電阻的型號壓敏電阻的型號由四部分組成，第一部分用字母“M”表示主稱為敏感電阻器。第二部分用字母“Y”表示敏感電阻器為壓敏電阻器。第三部分用字母表示壓敏電阻器的用途的特征。第四部分用數(shù)字表示序號，有的在序號的后面還標有標稱電壓、通流容量或電阻體直徑、電壓誤差、標稱電壓等。各部分代號及含義見書上。Thursday,December26,2024

例如：

MYL1-1（防雷用壓敏電阻器） MY31-270/3（270V/3kA

普通壓敏電阻器）

M——敏感電阻器 M——敏感電阻器

Y——壓敏電阻器 Y——壓敏電阻器

L——防雷用 31——序號

1-1——序號 270——標稱電壓為

270V

3——通流容量為3kAThursday,December26,2024

4、典型應(yīng)用由于壓敏電阻具有頻率響應(yīng)高、體積小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，所以它在航空、航海、石油、化工、動力機械、兵器工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。

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當膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應(yīng)力。膜片上的四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。

1、硅杯2、高壓腔3、低壓腔4、硅膜片5、輸出引線電極Thursday,December26,2024

當懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時，將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，使懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力。這時硅梁上四個電阻條的阻值發(fā)生變化，使電橋產(chǎn)生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。GAE813固態(tài)壓阻式加速度計的有關(guān)參數(shù)：量程10～100g；靈敏度：1～5V/g；非線性誤差：土1％；溫度范圍：-40一+200；固有頻率：1000～2000Hz。

1、基座2、擴散電阻3、質(zhì)量塊4、硅梁Thursday,December26,2024

2.4氣敏傳感器使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)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，

一般為半導(dǎo)體材質(zhì)。還原性氣體傳感器還原性氣體就是在化學(xué)反應(yīng)中能給出電子，化學(xué)價升高的氣體。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等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。Thursday,December26,2024工作原理：N型在檢測時阻值隨氣體濃度的增大而減??；P型隨氣體濃度的增大而增大。象SnO2金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏材料，屬于N型半導(dǎo)體，在200～300℃溫度它吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當遇到能供給電子的可燃性氣體時其阻值就會下降。Thursday,December26,2024

1、氧化鋅系氣敏電阻

ZnO是屬于N型金屬氧化物半導(dǎo)體，也是一種應(yīng)用較廣泛的氣敏器件。通過摻雜而獲得不同氣體的選擇性，如摻鉑可對異丁烷、丙烷、乙烷等氣體有較高的靈敏度，而摻鈀則對氫、一氧化碳、甲烷，煙霧等有較高的靈敏度。這種氣敏元件的結(jié)構(gòu)特點是：在圓形基板上涂敷ZnO主體成分，當中加以隔膜層與催化劑分成兩層而制成。例如生活環(huán)境中的一氧化碳濃度達0.8～1.15ml/L時，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟实葼顟B(tài)，達1.84ml/L時則有在幾分鐘內(nèi)死亡的危險，因此對一氧化碳檢測必須快而準。Thursday,December26,20242、氧化鐵系氣敏電阻當還原性氣體與多孔的接觸時，氣敏電阻的晶粒表面受到還原作用轉(zhuǎn)變?yōu)?，其電阻串迅速降低。這種敏感元件用于檢測烷類氣體特別靈敏。3、型號命名方式氣敏電阻器的型號命名由三部分組成，各部分的含義見表2-4。第一部分用字母表示主稱。第二部分用字母表示用途或特征。第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號。Thursday,December26,2024氣敏電阻外形及類型酒精傳感器其他可燃性氣體傳感器Thursday,December26,2024酒精測試儀呼氣管Thursday,December26,2024家庭用煤氣報警器Thursday,December26,2024家庭用液化氣報警器Thursday,December26,2024一氧化碳傳感器Thursday,December26,2024其他氣體傳感器NH3傳感器甲烷傳感器Thursday,December26,2024（二）氧濃度傳感器

氧濃度傳感器外形

可用于汽車尾氣測量Thursday,December26,2024汽車尾氣分析Thursday,December26,2024有毒氣體傳感器的使用Thursday,December26,20242.5濕敏電阻傳感器絕對濕度：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：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：水是一種強極性的電解質(zhì)。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。Thursday,December26,2024濕度傳感器的分類

Thursday,December26,2024水蒸氣的凝結(jié)將給儀器設(shè)備帶來各種危害

Thursday,December26,2024濕敏電阻原理：利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致本身電阻值發(fā)生變化這一原理而制成的。

1、濕敏電阻型號命名方法濕敏電阻的型號可分為三個部分，第一部分用字母表示主稱；第二部分用字母表示用途或特征；第三部分用數(shù)字表示序號，各部分的含義見表8。例如：MS01-A（通用型號濕敏電阻器）M—敏感電阻器；S—濕敏電阻器；01-A—序號Thursday,December26,2024

2、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。Thursday,December26,2024露點

降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關(guān)系，結(jié)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Thursday,December26,2024

露點溫度：在空氣所含水氣量（含濕量）不變的情況下，通過冷卻降溫而達到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點溫度?？諝庠诼饵c溫度下，相對濕度達100%，此時干球溫度、濕球溫度、飽和溫度及露點溫度為同一溫度值。

在空氣調(diào)節(jié)技術(shù)中，當空氣通過冷卻器或噴淋室時，有一部分直接與管壁或冷凍水接觸而達到飽和，結(jié)出露水，但還有相當達的部分空氣未直接接觸冷源，雖然也經(jīng)過熱交換而降溫，但他們的相對溫度卻處在90~95%左右，這時的狀態(tài)溫度稱為機器露點溫度。

Thursday,December26,2024

密析爾露點傳感器的工作原理非常簡單，是基于水分的導(dǎo)電性。多孔的吸濕層如同“三明治”一樣被夾在陶瓷基底上的兩個導(dǎo)電層之間。吸收水分子后，吸濕活性層的導(dǎo)電特性就會發(fā)生變化。該傳感器的表面導(dǎo)電層允許水分子自由通過進入吸濕活性層。吸濕活性層很薄，僅1微米厚（一微米=百萬分之一米），而頂部的導(dǎo)電層厚度比1微米還要薄，這樣，當周圍環(huán)境的濕度發(fā)生變化的時候，傳感器對濕度變化會做出極其快速的反應(yīng)。Thursday,December26,2024露點儀：能直接測出露點溫度的儀器。使一個鏡面處在樣品濕空氣中降溫，直到鏡面上隱現(xiàn)露滴（或冰晶）的瞬間，測出鏡面平均溫度，即為露（霜）點溫度。它測濕精度高，但需光潔度很高的鏡面，精度很高的溫控系統(tǒng)，以及靈敏度很高的露滴（冰晶）的光學(xué)探測系統(tǒng)。使用時必須使吸入樣本空氣的管道保持清潔，否則管道內(nèi)的雜質(zhì)將吸收或放出水分造成測量誤差。Thursday,December26,2024露點傳感器外形

Thursday,December26,2024電子濕度計模塊封裝后的外形Thursday,December26,2024電子式溫濕度計Thursday,December26,2024機械式、電子式溫濕度計對比Thursday,December26,20242.6光敏電阻

（一）工作原理

光敏電阻是采用半導(dǎo)體材料制作，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱光導(dǎo)管。

Thursday,December26,2024

當光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）Thursday,December26,2024

用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。

Thursday,December26,2024（二）基本特性及其主要參數(shù)

1、暗電阻、亮電阻

光敏電阻在室溫和全暗條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流稱為暗電流。例如MG41-21型光敏電阻暗阻大于等于0.1M。光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻或亮阻。此時流過的電流稱為亮電流。MG41—21型光敏電阻亮阻小于等于1k。亮電流與暗電流之差稱為光電流。

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2、伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與流過光敏電阻的電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。由圖可知，光敏電阻伏安特性近似直線，而且沒有飽和現(xiàn)象。受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓，圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。Thursday,December26,2024

3、光電特性

光敏電阻的光電流與光照度之間的關(guān)系稱為光電特性。如圖所示，光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適宜做檢測元件，這是光敏電阻的缺點之一，在自動控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。

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4、光譜特性

對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。各種材料的光譜特性如圖所示。從圖中看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域，因此在選用光敏電阻時應(yīng)當把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。Thursday,December26,2024

5、頻率特性當光敏電阻受到脈沖光照時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零。這說明光敏電阻有時延特性。由于不同材料的光敏電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不相同。Thursday,December26,2024

6、溫度特性

光敏電阻和其他半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大，當溫度升高時，它的暗電阻會下降。溫度的變化對光譜特性也有很大影響。下圖是硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。Thursday,December26,2024

（三）光敏電阻器型號命名方法

光敏電阻器的型號命名分為三個部分，第一部分用字母表示主稱。第二部分用數(shù)字表示用途或特征。第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號，各部分的含義見表2-9。例如：MG45-14（可見光敏電阻器）：M——敏感電阻器；G——光敏電阻器；4——可見光；5-14——序號。Thursday,December26,2024光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。內(nèi)光電效應(yīng)：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象.Thursday,December26,2024（四）光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻可廣泛應(yīng)用于各種光控電路，如對燈光的控制、調(diào)節(jié)等場合，也可用于光控開關(guān)，下面給出幾個典型應(yīng)用電路。1、光敏電阻調(diào)光電路Thursday,December26,2024

2、光敏電阻式光控開關(guān)以光敏電阻為核心元件的帶繼電器控制輸出的光控開關(guān)電路有許多形式，如自鎖亮激發(fā)、暗激發(fā)及精密亮激發(fā)、暗激發(fā)等等。Thursday,December26,20242.7電阻傳感器應(yīng)用電路的設(shè)計與制作2.7.1電子稱測量電路的設(shè)計

要求用電阻應(yīng)變式傳感器并采用全橋測量電路設(shè)計一款電子稱重測量電路，電路由全橋測量電橋、放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路組成。

Thursday,December26,2024（一）應(yīng)變式稱重傳感器的選擇

1.自制式：浙江黃巖測試儀器廠的電阻應(yīng)變片BHF120-1AA5元（高精密），BX120-1AA1.2元（精密）。應(yīng)變梁用開孔鋼梁。Thursday,December26,20242、稱重傳感器LSM-1K-B型高精度超薄型壓向力稱重傳感器日本美蓓亞（NMB）集團公司生產(chǎn)N466（深圳鴻瑞傳感儀器有限公司）額定稱重量500g，誤差0.05%FS。Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024

LSM-1K-B技術(shù)參數(shù)：

量程：4.903N～980.7N；零點輸出：±0.2mV/V

額定輸出：1.3mV/V±0.7mV/V；非線性：1%R.O滯后：1%R.O.

重復(fù)性：1%R.O.；滿程溫漂：2%LOAD/10℃

零點溫漂：2%R.O./10℃；溫度范圍：-10℃～60℃

安全載荷：150%

溫度補償范圍：0℃～60℃

最大負載：150%；輸入阻抗：350Ω±10Ω

輸出阻抗：350Ω±10Ω；絕緣阻抗：＞1000MΩ（50VDC）

激勵電壓：≤5VDC/VC；最大激勵：8VDC/VC

導(dǎo)線長度：3m；導(dǎo)線顏色：紅（+E）黑（-E）綠（+S）白（-S）

防護等級：IP60Thursday,December26,20243.稱重傳感器原理Thursday,December26,2024（二）信號放大電路設(shè)計1.設(shè)計方案方案一：利用普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大電路普通低溫漂運算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于A/D轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此中方案不宜采用。

Thursday,December26,2024方案二：由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。如下圖：Thursday,December26,2024優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。缺點：此電路要求R3、R4相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度影響較大。Thursday,December26,2024方案三：采用專用儀表放大器，如：INA126，INA121等。此類芯片內(nèi)部采用差動輸入，共模抑制比高，差模輸入阻抗大，增益高，精度也非常好，且外部接口簡單。以INA126為例,接口如下圖所示：放大器增益G，通過改變RG的大小來改變放大器的增益?；谝陨戏治?，我們決定采用制作方便而且精度很好的專用儀表放大器INA126。

Thursday,December26,20242.儀表放大器INA126Thursday,December26,2024（三）A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇由上面對傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在0.03%以下12位A/D精度：1Kg/4096=0.244g14位A/D精度：1Kg/16384=0.061g

考慮到其他部分所帶來的干擾,12位A/D無法滿足系統(tǒng)精度要求。所以需要選擇14位或者精度更高的A/D。方案一、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADS7805、ADS7804等。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換，一般具有采樣/保持功能。采樣頻率高，功耗比較低，是理想的高速、高精度、省電型A/D轉(zhuǎn)換器件。Thursday,December26,2024高精度逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般都帶有內(nèi)部基準源和內(nèi)部時鐘，基于89C52構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計時僅需要外接幾個電阻、電容。但考慮到所轉(zhuǎn)換的信號為一慢變信號，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的快速的優(yōu)點不能很好的發(fā)揮，且根據(jù)系統(tǒng)的要求，14位AD足以滿足精度要求，太高的精度就反而浪費了系統(tǒng)資源。所以此方案并不是理想的選擇。Thursday,December26,2024方案二、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109等。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于

），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）具有良好的濾波作用。

Thursday,December26,2024只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合分析其優(yōu)點和缺點，最終選擇美國德州儀器的ICL7135作為A/D轉(zhuǎn)換器件。Thursday,December26,2024ICL7135引腳排列Thursday,December26,2024引腳功能說明Thursday,December26,2024（四）稱重測量模數(shù)轉(zhuǎn)換1、稱重測量電路設(shè)計的稱重測量電路由應(yīng)變式稱重傳感器、測量電橋及A/D轉(zhuǎn)換器組成，如下圖：Thursday,December26,2024通過調(diào)節(jié)的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號Vi1和Vi2被分別放大后從INA126的第6腳輸出。A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2V～+2V，傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在200左右，可將接成的滑動變阻器。

由于ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。Thursday,December26,20242、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Thursday,December26,2024外接1V基準源：ICL7135還需要外接基準電源，這是因為芯片內(nèi)部的基準源一般容易受到溫度的影響，而基準電源的變化會直接影響轉(zhuǎn)換精度。所以當精度要求較高時，應(yīng)采用外接基準源。一般接其典型值1V。

Thursday,December26,2024阻容基本振蕩電路：ICL7135的時鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快?？紤]到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，且單片機的工作頻率也不是很高，因此我們?nèi)r鐘頻率的典型值：200kHz。實際電路的振蕩頻率約為160kHz。

Thursday,December26,20242.7.2自動空氣清新器控制電路一、電路原理Thursday,December26,2024二、元器件選擇與制作1、元器件清單見表2-9。

2、制作

T2用14吋行輸出變壓器改制，其高壓包不動，將低壓繞組線圈全部拆除，用Φ＝0.6mm漆包線重繞45匝。其它元器件無特殊要求。放電端子用大頭針做成，在長170mm、寬40mm的敷銅板上鉆三排眼，每排16個，均為Φ＝1mm。將大頭針一一插入孔中并焊牢，要使焊點圓滑，不能有毛刺。挑選大頭針時要注意長短一致，且尖頭越尖越好。整機裝入一個180×110×80（mm3）的ABS工程塑料盒中。Thursday,December26,20242.7.3恒溫控制電路一、電路原理及元件選擇

1、電路原理如圖R12KR21KC1100μVD16V

R45.1KR65.1KR31KR52KR71KRp470R8300R8120C20.1μTr19014Tr29012Tr39014Tr43BT31Tr4220V18VSCRR8300t

0

C

Rt

300電熱器負載Thursday,December26,2024

2、所用元器件說明晶體管Tr1、Tr3兩管特性應(yīng)盡量一致，β>60，型號為2SC1815或9014，最好使用差分對管，Tr2管可采用9012型PNP管，Tr4單結(jié)晶管可選用BT31--33，η>0.50。C2值不能太小，否則晶閘SCR導(dǎo)通角將變小。晶閘管SCR的耐壓大于或等于500V，若采用3CT5晶閘管，電路可輸出約lkW的功率。熱敏電阻選用在25℃時，阻值300

左右的熱敏電阻。電阻阻值、電容器的容量誤差要求不高。其中電阻R2要求功率大一點，選用1W的電阻。變壓器可以選用5-10W，原變電壓220V，副邊電壓18～24V左右的變壓器。Thursday,December26,2024

3、安裝調(diào)試按照原理圖，在線路板上設(shè)計好元件安裝位置走線，元件布置盡可能與原理圖的走向相近。安裝焊接晶體管等各元件。焊接好電路板即可和恒溫箱加熱器連接，如果恒溫箱的空間不是太大，可用100-200W的燈泡作加熱器。

4、調(diào)試步驟首先調(diào)整可調(diào)電阻Rp，阻值調(diào)至較小的位置，此時，加熱器應(yīng)通電加熱，恒溫箱內(nèi)的溫度逐漸升高。然后用溫度計監(jiān)測恒溫箱的溫度，當恒溫箱內(nèi)的溫度達到設(shè)定溫度時，調(diào)整可調(diào)電阻Rp使加熱器斷電停止加熱。當溫度稍有下降時，加熱器重新通電再次加熱，如此反復(fù)，達到恒溫控制的目的。用溫度計監(jiān)測恒溫箱的溫度，如箱內(nèi)溫度與預(yù)想溫度有偏差，微調(diào)可調(diào)電阻Rp使箱內(nèi)溫度達到預(yù)想溫度。Thursday,December26,20242.7.4濕度控制電路一、工作原理及所需器件

1、原理電路圖Thursday,December26,2024

2、元件說明

元件清單見表2-10，晶體管T1、T2兩管選用β>100的晶體管，型號為9014或2SC1815。二極管D1~D4組成整流橋，可以用4個分立二極管，也可用額定電流為0.5A以上的整流橋。濕敏電阻選用在環(huán)境濕度為80%時，其阻值小于40Ω左右的濕敏電阻。電阻阻值、電容器的容量誤差要求不高。其中電阻R1要求功率大一點，選用1W的電阻。變壓器可以選用5-10W，原邊電壓220V，副邊電壓8V和16V左右兩個繞組的變壓器。8V繞組作為適度監(jiān)測電源，16V繞組作為控制電源。Thursday,December26,2024

二、安裝調(diào)試

第一步，規(guī)劃線路板上元件安裝位置。元件布置盡可能與原理圖相對應(yīng)。但要考慮需要調(diào)整的元件位置適當（如可調(diào)電阻Rp），不要受周圍元件影響。第二步，根據(jù)原理圖和線路板上的元件布置，規(guī)劃電路的走線。走線要盡量整齊、短捷。如果元件布置與原理圖上相對應(yīng)，則電路的走線與原理圖相似，便于理解和查找。第三步，安裝焊接晶體管等各元件。元件安裝時應(yīng)掌握好焊接時間，盡量做到快捷、焊接牢靠，避免虛焊。如果有高度低的元件，應(yīng)首先安裝焊接高度低的元件，再安裝焊接高度較高的元件，避免高度低的元件安裝不方便。第四步，焊接好電路板要先進行檢查，查看電路連接是否正確；有極性的元件（如電解電容、三極管、二極管等）的極性是否正確；焊點是否有虛焊。發(fā)現(xiàn)問題及時處理。第五步，檢查無誤后，即可送電調(diào)試。如果電路連接正確，一般都能夠正常工作。但需要根據(jù)被控濕度進行調(diào)試。Thursday,December26,2024三、調(diào)試步驟：

首先，將濕敏電阻用導(dǎo)線引出與干濕溫度計一起固定在距熱風機（或去濕機）三米左右的地方，使電爐通電，根據(jù)干濕溫度計的數(shù)值，在微安表上刻度。其次，根據(jù)所需的控制濕度調(diào)整，如果所需控制的環(huán)境溫度為80%，當干濕溫度計上的讀數(shù)為80%時，調(diào)節(jié)RP使Tr1、Tr2導(dǎo)通，繼電器K吸合熱風機（或去濕機）開始除濕。注意在調(diào)整較高濕度時，可將一水盆放在電爐上增加環(huán)境濕度。第三，當濕度下降到規(guī)定數(shù)值時T1、T2截至，繼電器K斷開熱風機停止除濕。第四，當濕度上升時，加熱器重新通電再次加熱，如此反復(fù)，達到恒濕控制的目的。注意濕敏電阻的安裝位置對控制器的正常工作影響較大，濕敏電阻離加熱器應(yīng)有一定距離。Thursday,December26,20242.7.5酒精探測電路設(shè)計（一）目的要求1、復(fù)習(xí)常用氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)原理，會正確選用這類傳感器；2、設(shè)計一合理的酒精濃度測量電路；3、完成電路設(shè)計報告。Thursday,December26,2024（二）檢測原理及所需器件選用1、工作原理酒精探測電路采用酒精氣體敏感傳感器作為探頭，由一塊集成電路對信號進行比較放大，并驅(qū)動一排發(fā)光二極管按信號電壓高低依次顯示。對剛飲過酒的人，只要向探頭吹一口氣，探測電路就能顯示出酒精氣體的濃度高低。若把探頭靠近酒瓶口，它也能輕而易舉地識別出瓶內(nèi)盛的是白酒還是黃酒，能相對地區(qū)分出酒精含量的高低。酒精探測電路原理如下圖所示。

Thursday,December26,2024Thursday,December26,20242、器件選擇（1）穩(wěn)壓器件選用

78xx/79xx系列三端穩(wěn)壓器件是最常用的線性降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，目前也有大量先進的DC/DC轉(zhuǎn)換器層出不窮，如低壓差線性穩(wěn)壓器LDO,（NSC的LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM的MAX1747等等）。78xx/79系列簡單易用、價格低廉，直到今天還在大多電路中采用。應(yīng)注意以下事項：1、輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞；2、輸出電流不能太大，1.5A是其極限值。大電流的輸出，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導(dǎo)致高溫保護或熱擊穿；3、輸入輸出壓差也不能太小,大小效率很差。

79XX系列集成壓器是常用的固定負輸出電壓的三端集成穩(wěn)壓器，除輸入電壓和輸出電壓均為負值外，其他參數(shù)和特點與78XX系列集成穩(wěn)壓器相同。79XX系列集成穩(wěn)壓的三個引腳為：1腳為接地端，2腳為輸入端，3腳為輸出端。Thursday,December26,2024

W7800為固定式穩(wěn)壓電路，其輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等檔級。最后兩位數(shù)表示輸出電壓值。輸出電流分1.5A（W7800）、0.5A（W78M00）和0.1A（W78L00）三個檔次。例如：W7805，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為1.5A；

W78M05，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.5A；

W78L05，表示輸出電壓為5V、最大輸出電流為0.1A；Thursday,December26,2024Thursday,December26,2024由啟動電路、取樣電路、比較放大電路、基準環(huán)節(jié)、調(diào)整環(huán)節(jié)和過流保護等組成。此外它還有過熱和過壓保護電路。因此，其穩(wěn)壓性能要優(yōu)于分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。如串聯(lián)穩(wěn)壓的啟動電路是比較放大管的負載電阻，此電阻在電源工作過程始終接于電路中，當輸入電壓變化（電網(wǎng)波動），通過負載電阻影響輸出電壓也跟著變化。而三端集成穩(wěn)壓器設(shè)置的啟動電路，在穩(wěn)壓電源啟動后處于正常狀態(tài)下，啟動電路與穩(wěn)壓電源內(nèi)部其他電路脫離聯(lián)系，這樣輸入電壓變化不直接影響基準電路和恒流源電路，保持輸出電壓的穩(wěn)定。Thursday,December26,2024（2）酒精氣體傳感器選用MQ-2、3型及TGS822型●測量范圍：50-5000PPM●精度：0.3—0.5（電阻比）●輸出信號：可變電阻值●環(huán)境溫度：-10~50（℃）特點：對乙醇蒸汽有很高的靈敏度和良好的選擇性；快速的響應(yīng)恢復(fù)特；長期的壽命和可靠的穩(wěn)定性；簡單的驅(qū)動回路。應(yīng)用：用于機動車駕駛?cè)藛T及其他嚴禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場檢測；也用于其他場所乙醇蒸汽的檢測。適用對象：酒精（乙醇）

Thursday,December26,2024由微型Al2O3陶瓷管、SnO2

敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個用于信號取出，２個用于提供加熱電流。Thursday,December26