第二章電阻式傳感器

1、1 電阻式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成傳感元件電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。 常用來測量力、壓力、位移、應(yīng)變、扭矩、加速度等。 電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、靈敏度較高，有的還適合于動態(tài)測量。 第二章 電阻式傳感器電阻應(yīng)變片式傳感器是一種電阻式傳感器。將電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元器件上，加上相應(yīng)的測量電路后就構(gòu)成電阻應(yīng)變片式傳感器。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性能穩(wěn)定可靠、易于自動化、多點(diǎn)同步測量、遠(yuǎn)距離測量和遙測等特點(diǎn)，并且測量的靈敏度、精度和速度都很高。利用電阻應(yīng)變片式傳感器可測量力、位移、加速度和形變等參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳

2、感器3 一、 應(yīng)變片與應(yīng)變效應(yīng) 應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)變式傳感器是利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電量輸出的一種傳感器 1電阻應(yīng)變效應(yīng) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)證明，在金屬絲變形的彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化R/R與應(yīng)變是成正比，即xRKR二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)1.1.金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片 用應(yīng)變片測量時，將其貼在被測對象表面上。當(dāng)用應(yīng)變片測量時，將其貼在被測對象表面上。當(dāng)被測對象受力變形時，應(yīng)變片也隨同變形，其電阻值被測對象受力變形時，應(yīng)變片

3、也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變發(fā)生相應(yīng)變化，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化?；?.2.半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片體型體型薄膜型薄膜型擴(kuò)散型擴(kuò)散型導(dǎo)體應(yīng)變片導(dǎo)體應(yīng)變片7三、測量轉(zhuǎn)換電路 機(jī)械應(yīng)變一般在10 3 000 之間，而應(yīng)變靈敏度k值較小，因此電阻相對變化是很小的，用一般測量電阻的儀表是難直接測出來，必須用專門的電路來測量這種微弱的變化，最常用的電路為直流電橋和交流電橋。 8（1）直流電橋電路 直流電橋電路的4個橋臂是由R1、R2、R3、R4組成，其中a、c兩端接直流電壓Ui，而b、d兩端為輸出端，其輸出電壓為Uo。在測量前，取R1R3 = R2R4

4、，輸出電壓為Uo=0。 9（1）直流電橋電路 當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化，且RiRi，在電橋輸出端的負(fù)載電阻為無限大時，電橋輸出電壓可近似表示為 312124oi2123412()()RR RRRRUURRRRRR10（1）直流電橋電路 一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R， 3i124o1234()4RURRRURRRR11（2）電橋工作方式 半橋單臂工作方式 半橋雙臂工作方式 全橋4臂工作方式 12（3）電橋的線路補(bǔ)償 零點(diǎn)補(bǔ)償要求電橋的4個橋臂電阻值相同是不可能的，這樣就使電橋不能滿足初始平衡條件（即U00）。為了解決這一問題，可以在一對橋臂電阻乘積較小的任一橋臂中串聯(lián)一個可調(diào)電阻進(jìn)

5、行調(diào)節(jié)補(bǔ)償。 13 溫度補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。 在只有一個應(yīng)變片工作的橋路中，可用補(bǔ)償片法。在另一塊和被測試件結(jié)構(gòu)材料相同而不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補(bǔ)償片，使補(bǔ)償塊和被測試件處于相同的溫度環(huán)境，工作片和補(bǔ)償片分別接入電橋的相鄰兩臂如圖所示。補(bǔ)償片法的優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果比較好。缺點(diǎn)是溫度變化梯度較大時，比較難以掌握。當(dāng)測量橋路處于雙臂半橋和全橋工作方式時，電橋相鄰兩臂受溫度影響，同時產(chǎn)生大小相等、符號相同的電阻增量而互相抵消，從而達(dá)到橋路溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?四、四、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（一）測

6、力與稱重傳感器（一）測力與稱重傳感器（二）壓力傳感器（二）壓力傳感器 補(bǔ)償片補(bǔ)償片工作片工作片膜片膜片應(yīng)變片應(yīng)變片插座插座（三）加速度傳感器（三）加速度傳感器質(zhì)質(zhì)量量塊塊應(yīng)應(yīng)變變梁梁應(yīng)應(yīng)變變片片阻阻尼尼液液密密封封墊墊接接線線板板底座底座（四）位移傳感器（四）位移傳感器彈簧彈簧插頭座插頭座應(yīng)變片應(yīng)變片等寬懸臂梁等寬懸臂梁調(diào)整螺釘調(diào)整螺釘頂桿頂桿第二節(jié)第二節(jié) 熱電阻式溫度傳感器熱電阻式溫度傳感器 熱電阻傳感器熱電阻傳感器分類：分類：金屬熱電阻金屬熱電阻=熱電阻熱電阻半導(dǎo)體熱電阻半導(dǎo)體熱電阻=熱敏電阻熱敏電阻 熱電阻傳感器熱電阻傳感器-利用利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體導(dǎo)體或半導(dǎo)體的的電阻值隨電阻值隨溫度變化溫

7、度變化而變的物理現(xiàn)象進(jìn)行溫度檢測。而變的物理現(xiàn)象進(jìn)行溫度檢測。 一、熱電阻一、熱電阻 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： （1 1）電阻）電阻- -溫度變化具有良好的線性關(guān)系；溫度變化具有良好的線性關(guān)系； （2 2）電阻溫度系數(shù)大，故測量精度高；）電阻溫度系數(shù)大，故測量精度高； （3 3）熱容量小，反應(yīng)速度快；）熱容量小，反應(yīng)速度快； （4 4）有較大的測量范圍；）有較大的測量范圍；200200500500； （5 5）在測量范圍內(nèi)具有高的物理和化學(xué)性質(zhì)，價格）在測量范圍內(nèi)具有高的物理和化學(xué)性質(zhì)，價格較低。較低。 （5 5）易于使用在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中。）易于使用在自動測量和遠(yuǎn)距離測量中。（一）鉑電阻（一）鉑電

8、阻 鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠鉑熱電阻的特點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠, 所所以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。以在溫度傳感器中得到了廣泛應(yīng)用。 鉑熱電阻的特性方程：鉑熱電阻的特性方程： 在在0650的溫度范圍內(nèi)的溫度范圍內(nèi): 在在-2000的溫度范圍內(nèi)的溫度范圍內(nèi):32020)100(11ttCBtAtRRBtAtRRttR Rt t和和R R0 0分別為分別為tt和和00時鉑電阻值時鉑電阻值; A; A、 B B和和C C為常數(shù)。為常數(shù)。 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和和R0=100兩兩種種, 它們的分度號分別為它們的分度號分別為Pt1

9、0和和Pt100, 其中以其中以Pt100為常用。為常用。 不同分度號有相應(yīng)分度表不同分度號有相應(yīng)分度表, 即即Rt-t 的關(guān)系表。的關(guān)系表。 實(shí)際測量中實(shí)際測量中, 只要測得熱電阻的阻值只要測得熱電阻的阻值Rt, 便可從便可從分度表分度表上上查出對應(yīng)的溫度值。查出對應(yīng)的溫度值。 鉑電阻絲鉑電阻絲 銀引出線銀引出線骨架骨架鉑熱電阻鉑熱電阻P Pt100t100分度表分度表 （二）銅電阻（二）銅電阻 由于鉑是貴重金屬由于鉑是貴重金屬, 在一些測量精度要求不高且溫度在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合較低的場合, 可采用銅熱電阻測溫可采用銅熱電阻測溫, 測量范圍測量范圍-50+150。 銅熱電阻

10、在測量范圍內(nèi)電阻值與溫度的關(guān)系銅熱電阻在測量范圍內(nèi)電阻值與溫度的關(guān)系: 為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，銅熱電組的有兩種分為銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)，銅熱電組的有兩種分度號度號 Cu50(R0=50)和和Cu100（R100=100）。）。 tRRt10銅電阻絲銅電阻絲 骨架骨架銅引出線銅引出線 銅熱電阻線性好銅熱電阻線性好, ,測溫范圍小，測溫范圍小， 價格便宜價格便宜, , 易氧化易氧化, , 不適宜在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。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。化，在腐蝕

11、性介質(zhì)或較高溫度下可以工作。熱電阻的外形結(jié)構(gòu)熱電阻的外形結(jié)構(gòu) 接線盒接線盒 熱電阻熱電阻固定螺紋固定螺紋 引線方式有兩線制、引線方式有兩線制、 三線制和四線制三線制和四線制, , 二線制引線電阻對二線制引線電阻對測量影響大測量影響大, , 精度低。三線制可以減小連接導(dǎo)線電阻因溫度變精度低。三線制可以減小連接導(dǎo)線電阻因溫度變化所引起的測量誤差。化所引起的測量誤差。 四線制可以完全消除誤差。四線制可以完全消除誤差。242 熱電阻的測量電路 最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路 普通測量 精密測量25普通測量26精密測量273 熱電阻的應(yīng)用 （1）溫度測量 （2）流量測量 金屬熱電阻傳感器作溫度測量的主

12、要特點(diǎn)是精度高，適用于測低溫（測高溫時常用熱電偶傳感器），便于遠(yuǎn)距離、多點(diǎn)、集中測量和自動控制。 28（1）溫度測量 利用熱電阻的高靈敏度進(jìn)行液體、氣體、固體、固熔體等方面的溫度測量，是熱電阻的主要應(yīng)用。工業(yè)測量中常用3線制接法，標(biāo)準(zhǔn)或?qū)嶒?yàn)室精密測量中常用4線制。 29（2）流量測量 熱電阻上的熱量消耗和介質(zhì)流速的關(guān)系還可以測量流量、流速、風(fēng)速等 30第三節(jié) 其他電阻式傳感器 1熱敏電阻傳感器 2 氣敏電阻傳感器 3.濕敏電阻傳感器 312.3.1熱敏電阻傳感器 熱敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的熱敏器件。相對于一般的金屬熱電阻而言，它主要具備如下特點(diǎn)：（1）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻

13、大10100倍。（2）結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量點(diǎn)溫度。（3）電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量。（4）阻值與溫度變化呈非線性關(guān)系。（5）穩(wěn)定性和互換性較差。32 1.熱敏電阻結(jié)構(gòu)。33MF12型型 NTC熱敏電阻熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏聚脂塑料封裝熱敏電阻電阻342.3.2 氣敏電阻傳感器 是利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測待定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。 氣敏傳感器主要用于工業(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(yù)報(bào)和自動控制。 35氣敏電阻的特性 氣敏電阻的材料是金屬氧化物 金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導(dǎo)體后卻顯示

14、氣敏特性 N型半導(dǎo)體 氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等 P型半導(dǎo)體 氧化鈷、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等36氣敏電阻的特性 N型半導(dǎo)體遇到還原性氣體（即可燃性氣體，如一氧化碳、氫、甲烷、有機(jī)溶劑等）后，發(fā)生還原反應(yīng)，電子從氣體分子向半導(dǎo)體移動，半導(dǎo)體中載流子濃度增加，導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻減小 P型半導(dǎo)體遇到氧化性氣體（如氧、三氧化硫、等）后，發(fā)生氧化反應(yīng)，半導(dǎo)體中載流子濃度減少，導(dǎo)電性能減弱，電阻增大 混合型材料無論吸附氧化性氣體還是還原性氣體，都將使載流子濃度減少，電阻增大37氣敏傳感器的種類主要物理屬性傳感器舉例工作溫度典型被測氣體電阻式電阻表面控制型氧化銀、氧化鋅室溫450可燃?xì)怏w體控制型氧化

15、鈦、氧化鈷、氧化鎂、氧化錫700以上酒精、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管 整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫200氫氣、一氧化碳、酒精晶體管特性鉑柵MOS場效應(yīng)晶體管150氫氣、硫化氫38氣敏元件的基本測量電路2 氣敏元件輸出電壓與溫度的關(guān)系 39氣敏電阻元件的種類 （1）燒結(jié)型氣敏元件 （2）薄膜型氣敏元件 （3）厚膜型氣敏元件氣敏氣敏電阻的應(yīng)用電阻的應(yīng)用（一）氣敏電阻檢漏報(bào)警器（一）氣敏電阻檢漏報(bào)警器預(yù)熱預(yù)熱開關(guān)開關(guān)工作工作開關(guān)開關(guān)氣敏電阻氣敏輸出電壓氣敏輸出電壓 檢出可燃?xì)怏w時，氣敏檢出可燃?xì)怏w時，氣敏電阻減小，電壓增大，電阻減小，電壓增大，V1V1觸觸發(fā)發(fā)V2V2，報(bào)警燈亮，

16、音頻振蕩，報(bào)警燈亮，音頻振蕩電路也自激振蕩聲音報(bào)警。電路也自激振蕩聲音報(bào)警。（二）礦燈瓦斯報(bào)警器（二）礦燈瓦斯報(bào)警器加加熱熱支支路路測量支路測量支路礦礦燈燈控控制制支支路路 檢出瓦斯氣體時，氣敏電阻減小，檢出瓦斯氣體時，氣敏電阻減小，V1V1、V2V2導(dǎo)通，導(dǎo)通，V3V3、V4V4振蕩，報(bào)警燈閃爍。振蕩，報(bào)警燈閃爍。（三）一氧化碳報(bào)警器（三）一氧化碳報(bào)警器 檢出檢出COCO氣體時，氣敏電阻氣體時，氣敏電阻R RQ Q減小，減小，V5V5、V6V6、V7V7導(dǎo)通，振蕩電路振蕩，聲音報(bào)警。導(dǎo)通，振蕩電路振蕩，聲音報(bào)警。 +10V +10V以上以上 - -+ +5V5V加加熱熱支支路路 備用電源備用

17、電源 濕敏電阻濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致其是利用濕敏材料吸收空氣中的水分而導(dǎo)致其電阻率變化的特性制成的電阻元件。電阻率變化的特性制成的電阻元件。 濕度濕度是指大氣中的水蒸氣含量是指大氣中的水蒸氣含量, , 通常采用絕對濕度和通常采用絕對濕度和相對濕度兩種表示方法。相對濕度兩種表示方法。 2.3.32.3.3 濕敏電阻濕敏電阻 絕對濕度絕對濕度是指單位空間中所是指單位空間中所含水蒸氣的絕對含量含水蒸氣的絕對含量, , 一般用符一般用符號號AHAH表示。表示。相對濕度相對濕度是指被測氣是指被測氣體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度體中蒸氣壓和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比下飽和水蒸氣壓的百分比, , 一般一般用符號用符號RHRH表示，是一個無量綱的表示，是一個無量綱的量。量。 在實(shí)際使用中多使用在實(shí)際使用中多使用相對濕度相對濕度這一概念。這一概念。電阻電阻- -濕度濕度特性曲線特性曲線 一、陶瓷一、陶瓷 濕敏元件濕敏元件 感濕陶瓷感濕陶瓷MgCrMgCr2 2O O4 4- -TiOTiO2 2 加熱器加熱器 加熱器加熱器二氧化釕電極二氧化釕電極引出線引出線ZnO-CrZnO-Cr2 2O O3