電阻式傳感器及其應用

課題2電阻式傳感器及其應用任務1電位器電阻式傳感器任務2彈性敏感元件任務3電阻應變式傳感器任務4固態(tài)壓阻式傳感器下一頁返回課題2電阻式傳感器及其應用任務5熱電阻傳感器任務6氣敏和濕敏電阻傳感器任務7電阻式傳感器項目實訓—熱敏電阻制作的電冰箱溫度超標指示器上一頁返回任務1電位器電阻式傳感器2.1.1電位器傳感器原理和結構1.電位器的轉換原理電位器的電壓轉換原理如圖2-2所示，設電阻體長度為z，觸點滑動位移量為x，兩端輸入電壓為Ui，則滑動端輸出電壓Uo為對角位移式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉角度a成正比，即下一頁返回任務1電位器電阻式傳感器將電位器的電刷通過機械傳動裝置與被測對象相連，便可測量機械直線位移或角位移。2.基本結構由于測量領域的不同，電位器的結構不同，但是其基本結構是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。根據(jù)電位器結構不同，位移電位器分為直線位移電位器和角位移電位器兩種，其基本結構分別如圖2-3、圖2-4所示。上一頁下一頁返回任務1電位器電阻式傳感器2.1.2電位器傳感器負載特性電位器輸出端接有負載電阻時，輸出電壓與負載大小的關系特性稱為負載特性。接有負載電阻RL的電位器如圖2-5所示，電位器輸出電壓UL為設電阻相對變化為r=Rx/Rmax，并設m=Rmax/RL,m稱負載系數(shù)，則上式可寫成上一頁下一頁返回任務1電位器電阻式傳感器而理想空載特性為由于m≠0,即RL不是無限大，使負載特性與空載特性之間產(chǎn)生偏差。圖2-6是對不同m的負載特性曲線。2.1.3電位器傳感器的應用實例1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器是利用彈性元件(如彈簧管、膜片或膜盒)把被測的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點的移動，從而引起輸出電壓或電流相應的變化。上一頁下一頁返回任務1電位器電阻式傳感器圖2-7為YCD-150型遠程壓力表原理圖。它是由一個彈簧管和電位器組成的壓力傳感器。電位器固定在殼體上，而電刷與彈簧管的傳動機構相連接。當被測壓力變化時，彈簧管的自由端發(fā)生位移，通過傳動機構，一邊帶動壓力表指針轉動，一邊帶動電刷在線繞電位器上滑動，從而將被測壓力值轉換為電阻變化，輸出與被測壓力成正比的電壓信號。圖2-8所示為另一種電位器式壓力傳感器的工作原理圖。彈性敏感元件膜盒的內腔，通入被測流體，在此流體壓力作用下，膜盒硬心產(chǎn)生位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，同樣輸出與被測壓力成正比的電壓信號。上一頁下一頁返回任務1電位器電阻式傳感器2.電位器式位移傳感器圖2-9所示為YHD型滑線電阻式位移傳感器的結構。被測位移使測量軸沿導軌軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻組成電橋的兩個橋臂，通過電橋測量電路把被測位移量轉換成相應的電壓量。在測量比較小的位移時，往往利用齒輪、齒條機構把線位移變換成角位移來測量，如圖2-10所示。3.電位器式加速度傳感器圖2-11所示為電位器式加速度傳感器結構示意圖。慣性質量塊在被測加速度的作用下，使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動，因此輸出一與加速度成比例的電信號。上一頁返回任務2彈性敏感元件物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形。若外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸或形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。彈性元件在傳感器技術中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉換成相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力變換成電量。根據(jù)彈性元件在傳感器中的作用，可以分為兩種類型:彈性敏感元件和彈性支承。前者感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應變、位移等，也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉換為另一種所需要的物理狀態(tài)，故稱為彈性敏感元件。下一頁返回任務2彈性敏感元件2.2.1彈性敏感材料的彈性特性作用在彈性敏感元件上的外力與由該外力所引起的相應變形(應變、位移或轉角)之間的關系稱為彈性元件的彈性特性。主要特性如下:1.剛度剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件圖2-12中彈性特性曲線上某點A的剛度可通過A點作曲線的切線求得，此切線與水平線夾角的正切就代表該元件在A點處的剛度，即k=tanθ=dF/dx。如果彈性特性是線性的，它的剛度是一個常數(shù)。當測量較大的力時，必須選擇剛度大的彈性元件，使x不致太大。2.靈敏度靈敏度就是彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)，即與剛度相似，如果元件彈性特性是線性的，則靈敏度為常數(shù);若彈性特性是非線性的，則靈敏度為變數(shù)。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件3.彈性滯后實際的彈性元件在加、卸載的正、反行程中變形曲線是不重合的，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象，如圖2-13所示。曲線1是加載曲線，曲線2是卸載曲線，曲線1、2所包圍的范圍稱為滯環(huán)。產(chǎn)生彈性滯后的主要原因是彈性敏感元件在工作過程中分子間存在內摩擦，并造成零點附近的不靈敏區(qū)。4.彈性后效彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。由于彈性后效存在，彈性敏感元件的變形不能迅速地隨作用力的改變而改變，引起測量誤差。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件如圖2-14所示，當作用在彈性敏感元件上的力由零快速到F0時，彈性敏感元件的變形首先由零迅速增加至x1，然后在載荷未改變的情況下繼續(xù)變形直到x0為止。由于彈性后效現(xiàn)象的存在，彈性敏感元件的變形始終不能迅速地跟上力的改變。5.固有振動頻率彈性敏感元件的動態(tài)特性與它的固有振動頻率f0有很大的關系，固有振動頻率通常由實驗測得。傳感器的工作頻率應避開彈性敏感元件的固有振動頻率。在實際選用或設計彈性敏感元件時，常常遇到線性度、靈敏度、固有振動頻率之間相互矛盾、相互制約的問題，因此必須根據(jù)測量的對象和要求加以綜合考慮。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件2.2.2彈性敏感元件的材料及基本要求對彈性敏感元件材料的基本要求有以下幾項:(1)具有良好的機械特性(強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等)和良好的機械加工及熱處理性能;(2)良好的彈性特性(彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等);(3)彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定;(4)抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能良好。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件

2.2.3變換力的彈性敏感元件所謂變換力的彈性敏感元件是指輸入量為力F，輸出量為應變或位移的彈性敏感元件。常用的變換力的彈性敏感元件有實心軸、空心軸、等截面圓環(huán)、變截面圓環(huán)、懸臂梁、扭轉軸等，如圖2-15所示。1.等截面軸實心等截面軸又稱柱式彈性敏感元件，如圖2-15(a)所示。在力的作用下，它的位移量很小，所以往往用它的應變作為輸出量，在它的表面粘貼應變片，可以將應變進一步變換為電量。設軸的橫截面積為A，軸材料的彈性模量為E，材料的泊松比為μ，當?shù)冉孛孑S承受軸向拉力或壓力F時，軸向應變(有時也稱為縱向應變)εx，為上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件與軸向垂直方向的徑向應變(有時也稱為橫向應變)εy,為等截面軸的特點是加工方便，加工精度高，但靈敏度小，適用于載荷較大的場合。空心軸如圖2-15(b)所示，它在同樣的截面積下，軸的直徑可加大，可提高軸的抗彎能力。當被測力較大時，一般多用鋼材料制作彈性敏感元件，鋼的彈性模量約為2x1011N/m2。當被測力較小時，可用鋁合金或銅合金。鋁的彈性模量約為0.7x1011N/m2。材料越軟，彈性模量也越小，其靈敏度也越高。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件

2.環(huán)狀彈性元件環(huán)狀彈性元件多做成等截面圓環(huán)，如圖2-15(c),(d)所示。圓環(huán)受力后較易變形，因而它多用于測量較小的力。當力F作用在圓環(huán)上時，環(huán)上的AB，點處可產(chǎn)生較大的應變。當環(huán)的半徑比環(huán)的厚度大得多時，A，點內外表面的應變大小相等、符號相反。圖2-15(e)是變形的圓環(huán)，與上述圓環(huán)不同之處是增加了中間過載保護縫隙。它的線性較好，加工方便，抗過載能力強。在該環(huán)的A1點至B1點(或A2點至B2點)可得到較大的應變，且內外表面的應力大小相等、符號相反。目前研制出許多變形的環(huán)狀彈性元件，如圖2-15(f),(g)所示。它們的特點是加工方便、過載能力強、線性好等。其厚度決定靈敏度的大小。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件3.懸臂梁懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點是靈敏度高。它的輸出可以是應變，也可以是撓度(位移)。由于它在相同力作用下的變形比等截面軸及圓環(huán)都大，所以多應用于較小力的測量。根據(jù)它的截面形狀，又可以分為等截面懸臂梁和等強度懸臂梁。(1)等截面懸臂梁圖2-15(h)為等截面懸臂梁的側視圖及俯視圖。當力F以如圖2-15(h)所示的方向作用于懸臂梁的末端時，梁的上表面產(chǎn)生應變，下表面也產(chǎn)生應變。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件對于任一指定點來說，上、下表面的應變大小相等、符號相反。設梁的截面厚度為δ，寬度為b，總長為l0,則在距離固定端L處沿長度方向的應變?yōu)閺纳鲜娇芍?，最大應變產(chǎn)生在梁的根部，該部位是結構最薄弱處。在實際應用中，還常把懸臂梁自由端的撓度作為輸出，在自由端裝上電感傳感器、電渦流或霍爾等傳感器，就可進一步將撓度變?yōu)殡娏俊Ｉ弦豁撓乱豁摲祷厝蝿?彈性敏感元件(2)等強度懸臂梁從上面分析可知，在等截面梁的不同部位產(chǎn)生的應變是不相等的，在傳感器設計時必須精確計算粘貼應變片的位置，如圖2-15(i)所示。設梁的長度為l0，根部寬度為δ，則梁上任一點沿長度方向的應變?yōu)橛煞治隹芍?，當梁的自由端有力F作用時，沿梁的整個長度上的應變處處相等，即它的靈敏度與梁長度方向坐標無關，因此稱其為等強度懸臂梁。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件必須說明的是，這種變截面梁的尖端部必須有一定的寬度才能承受作用力。圖2-15(j)是變形懸臂梁。它加工方便，剛度較好，實際應用時多采用類似結構。4.扭轉軸扭轉軸用于測量力矩和轉矩，如圖2-15(k)所示。力矩T由作用力F和力臂L(圖中力臂為r0)組成，T=FL，力矩的單位為牛頓·米(N·m)。使機械部件轉動的力矩叫做轉動力矩，簡稱轉矩。任何部件在轉矩的作用下，必須產(chǎn)生某種程度的扭轉變形。因此，習慣上又常把轉動力矩叫做扭轉力矩。在試驗和檢測各類回轉機械中，力矩通常是一個重要的必測參數(shù)。專門用于測量力矩的彈性敏感元件稱為扭轉軸。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件在扭矩T的作用下，扭轉軸的表面將產(chǎn)生拉伸或壓縮應變。在軸表面上與軸線成45°方向(如圖2-15(k)的A1、B1方向)的應變?yōu)槎鳤1、C1方向上的應變系數(shù)值與式(2-12)相等，但符號相反。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件2.2.4變換壓力的彈性敏感元件在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常需要測量氣體或液體的壓力。變換壓力的彈性敏感元件形式很多，如圖2-16所示。由于這些元件的變形計算復雜，故本節(jié)只對它們定性的分析。1.彈簧管彈簧管又稱波登管(法國人波登發(fā)明)，它是彎成各種形狀(大多數(shù)彎成C形)的空心管子，它一端固定、一端自由，見圖2-16(a)。彈簧管能將壓力轉換為位移，它的工作原理敘述如下:上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件彈簧管截面形狀多為橢圓形或更復雜的形狀，壓力尸通過彈簧管的固定端導入彈簧管的內腔，彈簧管的另一端(自由端)由蓋子與傳感器的傳感元件相連。在壓力作用下，彈簧管的截面力突變成圓形，截面的短軸力圖伸長，長軸縮短。截面形狀的改變導致彈簧管趨向伸直，一直到與壓力的作用相平衡為止(如圖2-16(a)中的虛線所示)。由此可見，利用彈簧管可以把壓力變換為位移。c形彈簧管的剛度較大，靈敏度較小，但過載能力較強，因此常作為測量較大壓力的彈性敏感元件。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件2.波紋管波紋管是一種表面上由許多同心環(huán)波紋構成的薄壁圓管。它的一端與被測壓力相通，另一端密封，如圖2-16(b)所示。波紋管在壓力作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，所以利用紋管可以把壓力變換成位移，它的靈敏度比彈簧管高得多。在非電量測量中，波紋管的直徑為12~160mm，被測壓力范圍約為102~106Pa。3.等截面薄板等截面薄板又稱平膜片，如圖2-16(c)所示。它是周邊固定的圓薄板。當它的上下兩面受到均勻分布的壓力時，薄板的位移或應變?yōu)榱恪兤迟N在薄板表面，可以組成電阻應變式壓力傳感器，利用薄板的位移(撓度)可以組成電容式、霍爾式壓力傳感器。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件平膜片沿直線方向上各點的應變是不同的·設膜片的半徑為r0，在R小于處的圓心附近的徑向應變心是正的(拉應變),在處，εR=0。在R大于邊緣區(qū)域的徑向應變εR是負的(壓應變)，如圖2-17所示。圓心附近以及膜片的邊緣區(qū)域的應變均較大，但符號相反，這一特性在壓阻傳感器中得到應用。平膜片中心的位移與壓力尸之間成非線性關系。只有當位移量比薄板的厚度小得多時才能獲得較小的非線性誤差。例如，當中心位移量等于薄板厚度1/3時，非線性誤差可達5%。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件4.波紋膜片和膜盒波紋膜片是一種壓有同心波紋的圓形薄膜，如圖2-18所示。為了便于和傳感元件相連接，在膜片中央留有一個光滑的部分，有時還在中心上焊接一塊圓形金屬片，稱為膜片的硬心。當膜片彎向壓力低的一側時，能夠將壓力變換為位移。波紋膜片比平膜片柔軟得多，因此多用于測量較小壓力的彈性敏感元件。為了進一步提高靈敏度，常把兩個膜片焊接在一起，制成膜盒，如圖2-16(d)所示。它中心的位移量為單位膜片的兩倍。由于膜盒本身是一個封閉的整體，所以密封性好，周邊不需固定，給安裝帶來方便，它的應用比波紋膜片廣泛得多。上一頁下一頁返回任務2彈性敏感元件膜片的波紋形狀可以有很多形式，圖2-18所示出的是鋸齒波紋，有時也采用正弦波紋。波紋的形狀對膜片的輸出特性有影響。在一定的壓力作用下，正弦波紋膜片給出的位移最大，但線性較差;鋸齒波紋膜片給出的位移最小，但線性較好;梯形波紋膜片的特性介于上述兩者之間，膜片厚度通常為0.05~0.5mm。5.薄壁圓筒和薄壁半球它們的外形如圖2-16(e),(f)所示，厚度一般約為直徑的1/20左右，內腔與被測壓力相通，均勻地向外擴張，產(chǎn)生拉伸應力和應變。圓筒的應變在軸向和圓筒方向上是不相等的，而薄壁半球在軸向的應變是相同的。上一頁返回任務3電阻應變式傳感器2.3.1應變效應與應變片電阻應變片是能將被測試件的應變量轉換成電阻變化量的敏感元件。它是基于電阻應變效應而制成的。1.電阻應變效應導體、半導體材料在外力作用下發(fā)生機械形變，導致其電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應變效應。設一根長度為l，截面積為S，電阻率為P的金屬絲(如圖2-19所示)，其電阻R的阻值為下一頁返回任務3電阻應變式傳感器當金屬絲受拉時，其長度伸長dl，橫截面將相應減小dS，電阻率也將改變dP，這些的變化，必然引起金屬絲電阻改變dR,即令為金屬絲的軸向應變量;為金屬絲的徑向應變量。根據(jù)材料力學原理，金屬絲受拉時，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間應變的關系為上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器令式中，K為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時，電阻相對變化的大小。顯然，K值越大，單位變形引起的電阻相對變化越大，故靈敏度越高。金屬絲的靈敏系數(shù)K受以下兩個因素影響:第1項(1+2μ)，它是由于金屬絲受拉伸后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化而引起的。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器第2項，它是由材料電阻率變化所引起的。對于金屬材料該項要比(1+2μ)小得多，可以忽略，即金屬絲電阻的變化主要由材料的幾何形變引起。故K≈(1+2μ)。而半導體材料的

項的值比(1+2μ)大得多。實驗證明，在金屬絲變形的彈性范圍內，電阻的相對變化△R/R與應變εx成正比，即上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器2.電阻應變片的結構與類型(1)應變片基本結構電阻應變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成。其中，敏感柵是應變片的核心部分，它是用直徑約為0.025mm的具有高電阻率的電阻絲制成的，為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，故稱為敏感柵。將敏感柵粘貼在絕緣的基片上，兩端焊接引出導線，其上再粘貼上保護用的覆蓋層，即可構成電阻絲應變片，其基本結構如圖2-20所示。圖中L為敏感柵沿軸向測量變形的有效長度(即應變片的柵距)，b為敏感柵的寬度(即應變片的基寬)。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(2)應變片類型應變片主要有金屬應變片和半導體應變片兩類。金屬片有絲式、箔式、薄膜式三種，其結構如圖2-21所示。其中金屬絲式應變片使用最早，有紙基型、膠基型兩種。金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫落，但其價格便宜，廣泛用于應變、應力的大批量、一次性低精度的實驗。金屬箔式應變片是通過光刻、腐蝕等工藝，將電阻箔片在絕緣基片上制成各種圖案而形成的應變片，其厚度通常在0.001~0.01mm之間。因其面積比絲式大得多，所以散熱效果好，通過電流大，橫向效應小、柔性好、壽命長、工藝成熟且適于大批量生產(chǎn)而得到廣泛使用。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器金屬薄膜式應變片是薄膜技術發(fā)展的產(chǎn)物，它是采用真空蒸鍍的方法成形的，因其靈敏系數(shù)高，又易于批量生產(chǎn)而備受重視。半導體應變片是用半導體材料作為敏感柵而制成的，其靈敏度高(一般比金屬絲式、箔式高幾十倍)，橫向效應小，故它的應用日趨廣泛。

3.應變片參數(shù)應變片的參數(shù)主要有以下幾項。(1)標準電阻值(R0)。標準電阻值指的是在無應變(即無應力)的情況下的電阻值，單位為歐姆(Ω)，主要規(guī)格有60,90,120,150,350,600,1000等。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(2)絕緣電阻(RG)。應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測試件之間的電阻值，通常要求在50~100MΩ以上。RG的大小取決于豁合劑及基底材料的種類及固化工藝，在常溫條件下要采取必要的防潮措施，而在中溫或高溫條件下，要注意選取電絕緣性能良好的豁合劑和基底材料。

(3)靈敏度系數(shù)(K)。靈敏度系數(shù)是指應變片安裝到被測物體表面后，在其軸線方向上的單位應力作用下，應變片阻值的相對變化與被測物表面上安裝應變片區(qū)域的軸向應變之比。(4)應變極限(εmax)。在恒溫條件下，使非線性達到10%時的真實應變值，稱為應變極限。應變極限是衡量應變片測量范圍和過載能力的指標。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(5)允許電流(Ie)。允許電流是指應變片允許通過的最大電流。(6)機械滯后、蠕變及零漂。機械滯后是指所粘貼的應變片在溫度一定時，在增加或減少機械應變過程中真實應變與約定應變(即同一機械應變量下所指示的應變)之間的最大差值。蠕變是指已粘貼好的應變片，在溫度一定并承受一定機械應變時，指示應變值隨時間變化而產(chǎn)生變化。零漂是指已粘貼好的應變片，在溫度一定且又無機械應變時，指示應變值發(fā)生變化。表2-1是幾種國產(chǎn)金屬電阻應變片技術數(shù)據(jù)。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器4.應變片的粘貼技術應變片在使用時通常是用豁合劑粘貼在彈性元件或試件上，正確地粘貼工藝對保證粘貼質量、提高測試精度起著重要的作用。因此應變片在粘貼時，應嚴格按粘貼工藝要求進行?；静襟E如下:(1)應變片的檢查。對所選用的應變片進行外觀和電阻的檢查。觀察線柵或箔柵的排列是否整齊、均勻，是否有銹蝕以及短路、斷路和折彎現(xiàn)象。測量應變片的電阻值，檢查阻值、精度是否符合要求，對橋臂配對用的應變片，電阻值要盡量一致。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(2)試件的表面處理。為了保證一定的豁合強度，必須將試件表面處理干凈，清除雜質、油污及表面氧化層等。粘貼表面應保持平整，表面光滑。最好在表面打光后，采用噴砂處理，面積為應變片的3~5倍。(3)確定貼片位置。在應變片上標出敏感柵的縱、橫向中心線，粘貼時應使應變片的中心線與試件的定位線對準。(4)粘貼應變片。用甲苯、四氯化碳等溶劑清洗試件表面和應變片表面，然后在試件表面和應變片表面上各涂一層薄而均勻的膠粘劑，將應變片粘貼到試件的表面上。同時在應變片上加一層玻璃紙或透明的塑料薄膜，并用手輕輕滾動壓擠，將多余的膠水和氣泡排出。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(5)固化處理。根據(jù)所使用的豁合劑的固化工藝要求進行固化處理和時效處理。(6)粘貼質量檢查。檢查粘貼位置是否正確，黍占合層是否有氣泡和漏貼，有無短路、斷路現(xiàn)象，應變片的電阻值有無較大的變化。應變片與被測物體之間的絕緣電阻應進行檢查，一般應大于200MΩ。(7)引出線的固定與保護。將粘貼好的應變片引出線用導線焊接好，為防止應變片電阻絲和引出線被拉斷，需用膠布將導線固定在被測物體表面，且要處理好導線與被測物體之間的絕緣問題。(8)防潮防蝕處理。為防止因潮濕引起絕緣電阻變小、黍占合強度下降，或因腐蝕而損壞應變片，應在應變片上涂一層凡士林、石蠟、蜂蠟、環(huán)氧樹脂、清漆等，厚度一般為1~2mm。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器2.3.2測量轉換電路1.應變片測量應變的基本原理用應變片測量應變或應力時，根據(jù)上述特點，在外力作用下，被測對象產(chǎn)生微小機械變形，應變片隨著發(fā)生相同的變化，同時應變片電阻值也發(fā)生相應變化。當測得應變片電阻值變化量△R時，便可得到被測對象的應變值。根據(jù)應力與應變的關系，得到應力值σ為式中，σ為試件的應力;ε為試件的應變;E為試件材料的彈性模量。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器由此可知，應力值σ正比于應變ε，而試件應變ε正比于電阻值的變化，所以應力σ正比于電阻值的變化，這就是利用應變片測量應變的基本原理。2.測量轉換電路由于機械應變一般在10~3000με之間，而應變靈敏度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很難直接測出來，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。下面以直流電橋電路為例，簡要介紹其工作原理及有關特性。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(1)直流電橋電路如圖2-22所示，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，其輸出電壓為隊U0。在測量前，取R1R3=R2R4，輸出電壓Uo=0。當橋臂電阻發(fā)生變化，且△Ri<<Ri，在電橋輸出端的負載電阻為無限大時，電橋輸出電壓可近似表示為上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，上式可變?yōu)?2)電橋工作方式根據(jù)可變電阻在電橋電路中的分布方式，電橋的工作方式有以下3種類型。①半橋單臂工作方式即只有一個應變片接入電橋，在工作時，其余3個橋臂電阻的阻值沒有變化(即△R2=△R3=△R4=0，如圖2-23(a)所示。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器設R1為接入的應變片，測量時的變化為△R1，電橋的輸出電壓為靈敏度為②半橋雙臂工作方式如圖2-23(b)所示，在試件上安裝兩個工作應變片，一個受拉應變，一個受壓應變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動電路，電橋的輸出電壓為上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器靈敏度為U0與(△R/R)呈線性關系，差動電橋無非線性誤差，而且電橋電壓靈敏度K=Ui/2,比單臂工作時提高一倍，同時還具有溫度補償作用。③全橋4臂工作方式若將電橋4臂接入4片應變片，如圖2-23(c)所示，即2個受拉應變，2個受壓應變，將2個應變符號相同的接入相對橋臂上，構成全橋差動電路。電橋的4個橋臂的電阻值都發(fā)生變化，電橋的輸出電壓為上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器靈敏度為此時全橋差動電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度是單片的4倍，同時仍具有溫度補償作用。(3)電橋的線路補償①零點補償在無應變的狀態(tài)下，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Uo≠0)。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)一個可調電阻進行調節(jié)補償。如圖2-24所示，當R1R3<R2R4時，可在R1或R3橋臂上接入RP，使電橋輸出達到平衡。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器②溫度補償環(huán)境溫度的變化也會引起電橋電阻的變化，導致電橋的零點漂移，這種因溫度變化產(chǎn)生的誤差稱為溫度誤差。產(chǎn)生的原因有:電阻應變片的電阻溫度系數(shù)不一致;應變片材料與被測試件材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變。因此有必要進行溫度補償，以減少或消除由此而產(chǎn)生的測量誤差。電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。在只有一個應變片工作的橋路中，可用補償片法。在另一塊和被測試件結構材料相同而不受應力的補償塊上貼上和工作片規(guī)格完全相同的補償片，使補償塊和被測試件處于相同的溫度環(huán)境，工作片和補償片分別接入電橋的相鄰兩臂，如圖2-25所示。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器由于工作片和補償片所受溫度相同，則兩者產(chǎn)生的熱應變相等。因為是處于電橋的兩臂，所以不影響電橋的輸出。補償片法的優(yōu)點是簡單、方便，在常溫下補償效果比較好;缺點是溫度變化梯度較大時，比較難以掌握。當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、符號相反的電阻增量而互相抵消，從而達到橋路溫度自補償?shù)哪康?。上一頁下一頁返回任?電阻應變式傳感器2.3.3應變式傳感器應用實例電阻應變片除直接用于測量機械、儀器及工程結構等的應力、應變外，還常與某種形式的彈性敏感元件相配合專門制成各種應變式傳感器，用來測量壓力、扭矩、位移和加速度等物理量。1.應變式測力與荷重傳感器電阻應變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領域。這種測力傳感器由應變計、彈性元件、測量電路等組成。根據(jù)彈性元件結構形式(柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等)和受載性質(拉、壓、彎曲、剪切等)的不同，它們可分為許多種類。常見的應變式測力與荷重傳感器有柱式、懸臂梁式、環(huán)式等，如圖2-26所示。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器(1)柱式力傳感器柱式力傳感器，應變片粘貼在彈性體外壁應力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，電橋連接時考慮減小載荷偏心和彎矩影響。橫向貼片作溫度補償用，貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖2-27所示。柱式力傳感器結構簡單、緊湊，可承受很大載荷。用柱式力傳感器可制成稱重式料位計，如圖2-28所示。(2)梁式力傳感器常用的梁式力傳感器有等截面梁應變式力傳感器、等強度梁應變式力傳感器以及一些特殊梁式力傳感器(如雙端固定梁、雙孔梁、單孔梁應變式力傳感器等)。梁式力傳感器結構較簡單，一般用于測量500kg以下的載荷。與柱式相比，應力分布變化大，有正有負。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器梁式力傳感器可制成稱重電子秤如圖2-29(a)所示，原理圖如圖2-29(b)所示。當力F(如蘋果的重力)以如圖2-29(b)所示的垂直方向作用于電子秤中的鋁質懸臂梁的末端時，梁的上表面產(chǎn)生拉應變，下表面產(chǎn)生壓應變，上下表面的應變大小相等符號相反。粘貼在上下表面的應變片也隨之拉伸和縮短，得到正負相間的電阻值的變化，接入橋路后，就能產(chǎn)生輸出電壓。2.壓力傳感器壓力傳感器主要用于測量流體的壓力。根據(jù)其彈性體的結構形式可分為單一式和組合式2種。如圖2-30所示為筒式應變壓力傳感器。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器其工作原理如圖2-31(b)所示。從圖中可以看出，4片應變片分別貼在距懸臂梁根部的正、反兩面;當拉伸彈簧的一端與測量桿相連，另一端與懸臂梁上端相連。測量時，當測量桿隨被測件產(chǎn)生位移d時，就要帶動彈簧，使懸臂梁彎曲變形產(chǎn)生應變;其彎曲應變量與位移量呈線性關系。4.加速度傳感器圖2-32為應變式加速度傳感器的結構圖。在應變梁2的一端固定慣性質量塊1，梁的上下粘貼應變片4，傳感器內腔充滿硅油，以產(chǎn)生必要的阻尼。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器在流體壓力P作用于筒體內壁時，筒體空心部分發(fā)生變形，產(chǎn)生周向應變εi

，測出εi即可算出壓力P，這種壓力傳感器結構簡單，制造方便，常用于較大壓力的測量。3.位移傳感器應變式位移傳感器是把被測位移量轉變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用于近測或遠測靜態(tài)或動態(tài)的位移量。如圖2-31(a)所示為國產(chǎn)YW系列應變式位移傳感器結構。這種傳感器由于采用了懸臂梁一螺旋彈簧串聯(lián)的組合結構，因此它適用于10~100mm位移的測量。上一頁下一頁返回任務3電阻應變式傳感器測量時，將傳感器殼體與被測對象剛性連接，當被測物體以加速度a運動時，質量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應變片感受到并隨之產(chǎn)生應變，從而使應變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。上一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器2.4.1半導體壓阻效應固體材料受到壓力后，它的電阻率將發(fā)生一定的變化，所有的固體材料都有這個特點，其中以半導體最為顯著。當半導體材料在某一方向上承受應力時，它的電阻率將發(fā)生顯著的變化，這種現(xiàn)象稱為半導體壓阻效應。半導體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，機械變形引起的電阻變化可以忽略。而電阻率ρ的變化是由應變引起的，即下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器式中，二為壓阻系數(shù)。用這種效應制成的電阻稱為固態(tài)壓敏電阻，也叫力敏電阻。用壓敏電阻制成的器件有兩種類型:一種是利用半導體材料制成粘貼式的應變片，它已在上一任務中介紹過;另一種是在半導體的基片上用集成電路的工藝制成擴散型壓敏電阻，用它作傳感元件制成的傳感器，稱為固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴散型壓阻式傳感器。在彈性變形限度內，硅的壓阻效應是可逆的，即在應力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當應力除去時，硅的電阻又恢復到原來的數(shù)值。硅的壓阻效應因晶體的取向不同而不同，即對不同的晶軸方向其壓阻系數(shù)不同。上一頁下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器雖然半導體壓敏電阻的靈敏系數(shù)比金屬高很多，但有時還是不夠高，因此，為了進一步增大靈敏度，壓敏電阻常常擴散(安裝)在薄的硅膜上，壓力的作用先引起硅膜的形變，形變使壓敏電阻承受應力，該應力比壓力直接作用在壓敏電阻上產(chǎn)生的應力要大得多，好像硅膜起了放大作用。上一頁下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器2.4.2擴散型壓阻式傳感器1.擴散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器主要由外殼、硅杯膜片和引線組成，其結構如圖2-33所示。壓阻式壓力傳感器的核心部分是一塊圓形或方形的硅膜片，通常叫硅杯。在硅膜片上，利用集成電路工藝制作了四個阻值相等的電阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保護，并用鋁質導線做全橋的引線，硅杯膜片底部被加工成中間薄(用于產(chǎn)生應變)、周邊厚(起支撐作用)的形狀，如圖2-33(b)、圖2-33(c)所示。四個壓敏電阻在膜片上的位置應滿足兩個條件:一是四個壓敏電阻組成橋路的靈敏度最高，二是四個壓敏電阻的靈敏系數(shù)相同。上一頁下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器硅杯在高溫下用玻璃粘接劑粘貼在熱脹冷縮系數(shù)相近的玻璃基板上。將硅杯和玻璃基板緊密地安裝到殼體中，就制成了壓阻式壓力傳感器，如圖2-33(a)所示。測量原理:在一塊圓形的單晶硅膜片上，布置四個擴散電阻，組成一個全橋測量電路，如圖2-33(d),(e)所示。膜片用一個圓形硅杯固定，將兩個氣腔隔開。一端接被測壓力，為高壓腔，另一端接參考壓力，如圖2-33(c)所示。當存在壓差時，膜片產(chǎn)生變形，使兩對電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出電壓反映膜片承受壓差的大小。上一頁下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器壓阻式壓力傳感器的主要優(yōu)點有體積小、結構簡單、動態(tài)響應好、靈敏度高、固有頻率高、工作可靠、測量范圍寬、重復性好等，能測出十幾帕斯卡的微壓。它是一種比較理想、目前發(fā)展和應用較為迅速的壓力傳感器，特別適合在中、低溫度條件下的中、低壓測量。2.壓阻式加速度傳感器壓阻式加速度傳感器采用硅懸臂梁結構，在硅懸臂梁的自由端裝有敏感質量塊，在梁的根部擴散四個性能一致的壓敏電阻，四個壓敏電阻連接成電橋，構成擴散硅壓阻器件，見圖2-34。當懸臂梁自由端的質量塊受到加速度作用時，懸臂梁受到彎矩的作用產(chǎn)生應力，該應力使擴散電阻阻值發(fā)生變化，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。上一頁下一頁返回任務4固態(tài)壓阻式傳感器在制作壓阻式加速度傳感器時，若恰當?shù)剡x擇尺寸和阻尼系數(shù)，可以用于測量低頻加速度和直線加速度，這是它的一個優(yōu)點。由于固態(tài)壓阻式傳感器具有頻率響應高、體積小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點，在航空、航海、石油、化工、動力機械、兵器工業(yè)以及醫(yī)學等方面得到了廣泛的應用。上一頁返回任務5熱電阻傳感器2.5.1金屬熱電阻傳感器1.金屬熱電阻工作原理金屬熱電阻是利用電阻與溫度呈一定函數(shù)關系的特性，由金屬材料制成的感溫元件。當被測溫度變化時，導體的電阻隨溫度變化而變化，通過測量電阻值變化的大小而得出溫度變化的情況及數(shù)值大小，這就是熱電阻測溫的基本工作原理。作為測溫的熱電阻應具有下列基本要求:電阻溫度系數(shù)(即溫度每升高一度時電阻增大的百分數(shù)，常用a表示)要大，以獲得較高的靈感度;電阻率p要高，以便使元件尺寸小;電阻值隨溫度變化盡量呈線性關系，以減小非線性誤差;在測量范圍內，物理、化學性能穩(wěn)定;材料工藝性好、價格便宜等。下一頁返回任務5熱電阻傳感器2.常用熱電阻及特性常用熱電阻材料有鉑、銅、鐵和鎳等，它們的電阻溫度系數(shù)在(3~6)x10-3/℃范圍內，下面分別介紹它們的使用特性。(1)鉑電阻鉑，銀白色貴金屬，珊族，原子序數(shù)78，熔點1772℃，沸點3827℃，又稱白金，是目前公認的制造熱電阻的最好材料，它性能穩(wěn)定，重復性好，測量精度高，其電阻值與溫度之間有很近似的線性關系。缺點是電阻溫度系數(shù)小，價格較高。鉑電阻主要用于制成標準電阻溫度計，其測量范圍一般為一200℃~+850℃。鉑熱電阻結構如圖2-35所示。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器當溫度t在-200℃~0℃范圍內時，鉑的電阻值與溫度的關系可表示為當溫度t在0℃~850℃范圍內時，鉑的電阻值與溫度的關系為式中，R0為溫度為0℃時的電阻值;Rt為溫度為t℃時的電阻值;A為常數(shù)(A=3.96847x10-3);B為常數(shù)(B=-5.847x10-7);C為常數(shù)(C=-4.22x10-12).由式(2-25)和式(2-26)可知，熱電阻Rt不僅與t有關，還與其在0℃時的電阻值R0有關，即在同樣溫度下，R0取值不同，Rt的值也不同。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器目前國內統(tǒng)一設計的工業(yè)用鉑電阻的R。值有46Ω和100Ω等幾種，并將R0與t相應關系列成表格形式，稱為分度表，如表2-2所示。上述兩種鉑電阻的分度號分別用BA1和BA2表示，使用分度表時，只要知道熱電阻Rt值，便可查得對應溫度值。目前工業(yè)用鉑電阻分度號為Pt10和Pt100，后者更常用。(2)銅電阻銅電阻的特點是價格便宜(而鉑是貴重金屬)、純度高、重復性好、電阻溫度系數(shù)大，a=(4.25~4.28)x10-3/℃(鉑的電阻溫度系數(shù)在。℃~100℃之間的平均值為3.9x10-3/℃)，其測溫范圍為-50℃~+150℃，當溫度再高時，裸銅就發(fā)生氧化。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器在上述測溫范圍內，銅的電阻值與溫度呈線性關系，可表示為銅熱電阻的主要缺點是電阻率小(僅為鉑的一半左右)，所以制成一定電阻時與鉑材料相比，銅電阻要細，造成機械強度不高，或銅電阻要長則體積較大，而且銅電阻容易氧化，測溫范圍小。因此，銅電阻常用于介質溫度不高、腐蝕性不強、測溫元件體積不受限制的場合。銅電阻的R0值有50Ω和100Ω兩種，分度號分別為Cu50,Cul00。

上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器(3)其他熱電阻除了鉑和銅熱電阻外，還有鎳和鐵材料的熱電阻。鎳和鐵的電阻溫度系數(shù)大，電阻率高，可用于制成體積大、靈敏度高的熱電阻。但由于容易氧化，化學穩(wěn)定性差，不易提純，重復性和線性度差，目前應用還不多。3.熱電阻的測量電路最常用的熱電阻測溫電路是電橋電路，如圖2-36所示。圖中R1、R2、R3和R4(或Rt、Ra、RM)組成電橋的四個橋臂，其中Rt是熱電阻，Ra和RM分別是調零和調滿刻度的調整電阻(電位器)。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器測量時先將切換S扳到“1”位置，調節(jié)Ra使儀表指示為零，然后將S扳到“3”位置，調節(jié)R、使儀表指示到滿刻度，做這種調整后再將S扳到“2”位置，則可進行正常測量。由于熱電阻本身電阻值較小(通常約為100Ω以內)，而熱電阻安裝處(測溫點)距儀表之間總有一定距離，則其連接導線的電阻也會因環(huán)境溫度的變化而變化，從而造成測量誤差。為了消除導線電阻的影響，一般采用三線制連接法，如圖2-37所示。圖2-37(a)的熱電阻有三根引出線，而圖2-37(b)的熱電阻只有兩根引出線，但都采用了三線制連接法。采用三線制接法，引線的電阻分別接到相鄰橋臂上且電阻溫度系數(shù)相同，因而溫度變化時引起的電阻變化亦相同，使引線電阻變化產(chǎn)生的附加誤差減小。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器在進行精密測量時，常采用四線制連接法，如圖2-38所示。由圖可知，調零電阻Ra分為兩部分，分別接在兩個橋臂上，其接觸電阻與檢流計G串聯(lián)，接觸電阻的不穩(wěn)定不會影響電橋的平衡和正常工作狀態(tài)，其測量電路常配用雙電橋或電位差計。4.金屬熱電阻的應用在工業(yè)上廣泛應用金屬熱電阻傳感器做-200℃~+500℃范圍內的溫度測量，在特殊情況下，測量的低溫端可達3.4K，甚至更低(1K左右)，高溫端可達1000℃，甚至更高，并且測量電路也較為簡單。金屬熱電阻傳感器做溫度測量的主要特點是精度高，適用于測低溫(測高溫時常用熱電偶傳感器)，便于遠距離、多點、集中測量和自動控制。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器(1)溫度測量利用熱電阻的高靈敏度進行液體、氣體、固體、固熔體等方面的溫度測量，是熱電阻的主要應用。工業(yè)測量中常用三線制接法，標準或實驗室精密測量中常用四線制。這樣不僅可以消除連接導線電阻的影響，而且還可以消除測量電路中寄生電勢引起的誤差。在測量過程中需要注意的是，要使流過熱電阻絲的電流不要過大，否則會產(chǎn)生過大的熱量，影響測量精度。圖2-39為熱電阻的測量電路圖。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器(2)流量測量利用熱電阻上的熱量消耗和介質流速的關系還可以測量流量、流速、風速等。圖2-40就是利用鉑熱電阻測量氣體流量的一個例子。圖中熱電阻探頭Rt1放置在氣體流路中央位置，它所耗散的熱量與被測介質的平均流速成正比;另一熱電阻Rt2放置在不受流動氣體干擾的平靜小室中，它們分別接在電橋的兩個相鄰橋臂上。測量電路在流體靜止時處于平衡狀態(tài)，橋路輸出為零。當氣體流動時，介質會將熱量帶走，從而使Rt1和Rt2的散熱情況不一樣，致使Rt1的阻值發(fā)生相應的變化，使電橋失去平衡，產(chǎn)生一個與流量變化相對應的不平衡信號，并由檢流計P顯示出來，檢流計的刻度值可以做成氣體流量的相應數(shù)值。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器2.5.2半導體熱敏電阻和集成溫度傳感器1.熱敏電阻傳感器熱敏電阻是用半導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:電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高，比一般金屬電阻大10~100倍;結構簡單，體積小，可以測量點溫度;電阻率高，熱慣性小，適宜動態(tài)測量;阻值與溫度變化呈非線性關系;穩(wěn)定性和互換性較差。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器(1)熱敏電阻結構大部分半導體熱敏電阻是由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫燒結而成。如圖2-41所示。多數(shù)熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，即當溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。這個原因限制了它在高溫下的使用。(2)熱敏電阻的熱電特性熱敏電阻是一種新型的半導體測溫元件，它是利用半導體的電阻隨溫度變化的特性而制成的測溫元件。按溫度系數(shù)不同可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)兩種。NTC又可分為兩大類:第一類電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數(shù)關系;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。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器熱敏電阻的熱電特性曲線如圖2-42所示。(3)熱敏電阻應用實例熱敏電阻用途廣泛，可以用做溫度測量元件，還可以做溫度控制、溫度補償、過載保護等。一般正溫度系數(shù)的熱敏電阻主要用作溫度測量，負溫度系數(shù)的熱敏電阻常用作溫度控制與補償，突變型(CTR)主要用作開關元件，組成溫控開關電路。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器①溫度控制利用熱敏電阻作為測量元件可組成溫度自動控制系統(tǒng)。圖2-43是溫度自動控制電加熱器電路原理圖。圖中接在測溫點附近(電加熱器R)的熱敏電阻Rt作為差動放大器(VT1、VT2組成)的偏置電阻。當溫度變化時，Rt的值亦變化，引起VT1集電極電流的變化，經(jīng)二極管VD2引起電容C充電速度的變化，從而使單結晶體管VJT的輸出脈沖移相，改變了晶閘管V的導通角，調整了加熱電阻絲R的電源電壓，達到了溫度自動控制的目的。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器②晶體管的溫度補償如圖2-44所示，根據(jù)晶體三極管特性，當環(huán)境溫度升高時，其集電極電流IC上升，這等效于三極管等效電阻下降，USC會增大。若要使USC維持不變，則需提高基極b點電位，減少三極管基流。為此選擇負溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt，從而使基極電位提高，達到補償目的。③電動機的過載保護控制如圖2-45所示，Rt1、Rt2、Rt3是特性相同的PRC6型熱敏電阻，放在電動機繞組中，用萬能膠固定。阻值20℃時為10kΩ,100℃時為1kΩ,110℃時為0.6kΩ。正常運行時，三極管VT截止，KA不動作。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器當電動機過載、斷相或一相接地時，電動機溫度急劇升高，使Rt阻值急劇減小，到一定值時，VT導通，KA得電吸合，從而實現(xiàn)保護作用。根據(jù)電動機各種絕緣等級的允許溫升來調節(jié)偏流電阻R2值，從而確定VT的動作點，其效果好于熔絲及雙金屬片熱繼電器。2.集成溫度傳感器集成溫度傳感器就是在一塊極小的半導體芯片上集成了包括敏感器件、信號放大電路、溫度補償電路、基準電源電路等在內的各個單元，它使傳感器與集成電路融為一體。集成溫度傳感器的輸出形式有電壓型和電流型兩種。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器(1)AD590系列集成溫度傳感器AD590美國AD公司生產(chǎn))是電流輸出型集成溫度傳感器，結構外形如圖2-46所示。器件電源電壓4~30V,測溫范圍一55℃~+150℃。國內同類產(chǎn)品有SG590。AD590伏安特性和溫度特性如圖2-47所示。由AD590做成的可變溫度控制電路如圖2-48所示。此工作過程比較簡單，讀者可自行分析。(2)AD22100集成溫度傳感器AD22100是美國AD公司生產(chǎn)的一種電壓型單片式溫度傳感器，如圖2-49所示。U+為電源輸入端，一般為+5V;CND為接地端;NC管腳在使用時連接在一起，并懸空;U0為電壓輸出端。上一頁下一頁返回任務5熱電阻傳感器圖2-50為AD22100的應用電路。這種溫度傳感器的特點是靈敏度高、響應快、線性度好，工作溫度范圍為-50℃~+150℃。此外還一些其他類型的國產(chǎn)集成溫度傳感器，如SL134M集成溫度傳感器，是一種電流型三端器件，它是利用晶體管的電流密度差來工作的;SL616ET集成溫度傳感器，是一種電壓輸出型四端器件，由基準電壓、溫度傳感器、運算放大器三部分電路組成，整個電路可在7V以上的電源電壓范圍內工作。上一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器2.6.1氣敏電阻傳感器1.氣敏傳感器的材料及工作原理所謂氣敏傳感器，是利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，借此來檢測待定氣體的成分或者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、預報和自動控制。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，在合成材料時，通過化學計量比的偏離和雜質缺陷制成，金屬氧化物半導體分N型半導體，如氧化錫、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎢等;P型半導體，如氧化鉆、氧化鉛、氧化銅、氧化鎳等。為了提高某種氣敏元件對某些氣體成分的選擇性和靈敏度，合成材料有時還摻入了催化劑，如把(Pd)、鉑(Pt)、銀(Ag)等。下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器金屬氧化物在常溫下是絕緣的，制成半導體后卻顯示氣敏特性。通常器件工作在空氣中，當N型半導體材料遇到離解能較小易于失去電子的還原性氣體(即可燃性氣體，如一氧化碳、氫、甲烷、有機溶劑等)后，發(fā)生還原反應，電子從氣體分子向半導體移動，半導體中的載流子濃度增加，導電性能增強，電阻減小。當P型半導體材料遇到氧化性氣體(如氧、三氧化硫等)后就會發(fā)生氧化反應，半導體中的載流子濃度減少，導電性能減弱，因而電阻增大?；旌闲筒牧蠠o論吸附氧化性氣體還是還原性氣體時，都將使載流子濃度減少，電阻增大。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器按構成材料可將氣敏傳感器分為半導體和非半導體兩大類，目前使用最多的是半導體氣敏傳感器。半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。常用種類如表2-3所示。2.氣敏元件的基本測量電路氣敏元件的基本測量電路如圖2-51所示，圖中EC為加熱電源，瓦:為測量電源，電路中氣敏電阻值的變化引起電路中電流的變化，輸出信號電壓由電阻R0上取出。氣敏元件在低濃度下靈敏度高，在高濃度下趨于穩(wěn)定值。因此，常用來檢查可燃性氣體泄漏并報警等。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器氣敏元件一般由敏感元件、外殼、加熱器三部分組成。常用電阻絲加熱器，1和2是加熱電極，3和4是氣敏電阻的一對測量電極。加熱器的作用是將附著在敏感元件表面上的塵埃、油霧等燒掉，加速氣體的吸附，提高其靈敏度和響應速度。加熱器的溫度一般控制在200℃~400℃左右，加熱方式一般有直熱式和旁熱式兩種。氧化錫、氧化鋅材料氣敏元件輸出電壓與溫度的關系如圖2-52所示。

3.氣敏電阻元件的種類氣敏電阻元件種類很多，按制造工藝上分燒結型、薄膜型、厚膜型。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(1)燒結型氣敏元件將元件的電極和加熱器均埋在金屬氧化物氣敏材料中，經(jīng)加熱成型后低溫燒結而成。目前最常用的是氧化錫(SnO2)燒結型氣敏元件，用來測量還原性氣體。它的加熱溫度較低，一般在200℃~300℃,SnO2氣敏半導體對許多可燃性氣體如氫、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有較高的靈敏度。圖2-53是MQN型氣敏電阻的結構及測量轉換電路簡圖。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(2)薄膜型氣敏元件采用真空鍍膜或濺射方法，在石英或陶瓷基片上制成金屬氧化物薄膜(厚度0.1μm以下)，構成薄膜型氣敏元件，如圖2-54(a)所示。氧化鋅(ZnO)薄膜型氣敏元件以石英玻璃或陶瓷作為絕緣基片，通過真空鍍膜在基片上蒸鍍鋅金屬，用鉑或把膜作引出電極，最后將基片上的鋅氧化。氧化鋅敏感材料是N型半導體，當添加鉑作催化劑時，對丁烷、丙烷、乙烷等烷烴氣體有較高的靈敏度，而對H2、CO等氣體靈敏度很低。若用把作催化劑時，對H2、CO有較高的靈敏度，而對烷烴類氣體靈敏度低。因此，這種元件有良好的選擇性，工作溫度在400℃~500℃的較高溫度。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(3)厚膜型氣敏元件將氣敏材料(如SnO2、ZnO)與一定比例的硅凝膠混制成能印刷的厚膜膠，把厚膜膠用絲網(wǎng)印刷到事先安裝有鉑電極的氧化鋁(A12O3)基片上，在400℃~800℃的溫度下燒結1~2小時便制成厚膜型氣敏元件，如圖2-54(b)所示。用厚膜工藝制成的器件一致性較好，機械強度高，適于批量生產(chǎn)。4.氣敏傳感器的應用氣敏電阻傳感器主要用于制作報警器及控制器。作為報警器，超過報警濃度時，發(fā)出聲光報警;作為控制器，超過設定濃度時，輸出控制信號，由驅動電路帶動繼電器或其他元件完成控制動作。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(1)礦燈瓦斯報警器礦燈瓦斯報警器如圖2-55(a)所示。圖2-55(b)為礦燈瓦斯報警器電原理圖，瓦斯探頭由QM一NS型氣敏元件，R1及4V礦燈蓄電池等組成。RP為瓦斯報警設定電位器。當瓦斯?jié)舛瘸^某一設定值時，RP輸出信號通過二極管VD1加到三極管VT1基極上，VT1導通，VT2、VT3便開始工作。VT2、VT3為互補式自激多諧振蕩器，它們的工作是使繼電器吸合與釋放，信號燈閃光報警。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器

(2)簡易酒精測試器如圖2-56所示為簡易酒精測試器。此電路中采用TGS812型酒精傳感器，對酒精有較高的靈敏度(對一氧化碳也敏感)。其加熱及工作電壓都是SV，加熱電流約為125mA。傳感器的負載電阻為R1及R2，其輸出直接接LED顯示驅動器LM3914。當無酒精蒸氣時，其上的輸出電壓很低;隨著酒精蒸氣的濃度增加，輸出電壓也上升，則LM3914的LED(共10個)亮的數(shù)目也增加。此測試器工作時，人只要向傳感器呼一口氣，根據(jù)LED亮的數(shù)目可知是否喝酒，并可大致了解飲酒多少。調試方法是讓在24小時內不飲酒的人呼氣，調節(jié)R2使LED中僅1個發(fā)光即可。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(3)自動空氣凈化換氣扇利用SnO2氣敏器件，可以設計用于空氣凈化的自動換氣扇。圖2-57是自動換氣扇的電路原理圖。當室內空氣污濁時，煙霧或其他污染氣體使氣敏器件阻值下降，晶體管VT導通，繼電器動作，接通風扇電源，可實現(xiàn)電扇自動啟動，排放污濁氣體，換進新鮮空氣的功能;當室內污濁氣體濃度下降到希望的數(shù)值時，氣敏器件阻值上升，VT截止，繼電器斷開，風扇電源切斷，風扇停止工作。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器

2.6.2濕敏電阻傳感器1.濕度的概念和表示方法濕度是指大氣中的水蒸氣含量，通常采用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。絕對濕度是指單位空間中所含水蒸氣的絕對含量或者濃度或者密度，一般用符號AH表示，單位g/m3。相對濕度是指被測氣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，一般用符號RH表示。相對濕度給出大氣的潮濕程度，它是一個量綱為1的量，在實際使用中多使用相對濕度這一概念。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器溫度越高的氣體，含水蒸氣越多。若將其氣體冷卻，即使其中所含水蒸氣量不變，相對濕度將逐漸增加，降低到某一溫度時，相對濕度達到100%，呈飽和狀態(tài)，再冷卻時，蒸汽的一部分凝集生成露，把這個溫度稱為露點溫度，即空氣在氣壓不變的情況下為了使其所含水蒸氣達到飽和狀態(tài)時所必須冷卻到的溫度。氣溫和露點的差越小，表示空氣越接近飽和。水是一種強極性的電解質。水分子極易吸附于固體表面并滲透到固體內部，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。下面介紹一些至今發(fā)展比較成熟的幾類濕敏電阻傳感器。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器2.比較成熟的幾類濕敏傳感器(1)氯化銼濕敏電阻氯化銼濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件，該元件的結構如圖2-58所示，由引線、基片、感濕層與電極組成。氯化銼通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化銼(LiCI)溶液中，Li和Cl分別以正、負離子的形式存在，而Li+對水分子的吸引力強，離子水合程度高，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中，若環(huán)境相對濕度高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档停虼?，其溶液電阻率增高。反之，環(huán)境相對濕度變低時，則溶液濃度升高，其電阻率下降，從而實現(xiàn)對濕度的測量。氯化銼濕敏元件的濕度一電阻特性曲線如圖2-59所示。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器由圖2-59可知，在50%~80%相對濕度范圍內，電阻與濕度的變化呈線性關系。為了擴大濕度測量的線性范圍，可以將多個氯化銼含量不同的器件組合使用，如將測量范圍分別為(10%~20%)RH,(20%~40%)RH,(40%~70%)RH,(70%~90%)RH和(80%~99%)RH五種元件配合使用，就可自動地轉換完成整個濕度范圍的濕度測量。氯化銼濕敏元件的優(yōu)點是滯后小，不受測試環(huán)境風速影響，檢測精度高達±5%，但其耐熱性差，不能用于露點以下測量，器件性能的重復性不理想，使用壽命短。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器(2)半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。這些材料有Zn0-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、FE2O3等，前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降，故稱為負特性濕敏半導體陶瓷，最后一種的電阻率隨濕度增大而增大，故稱為正特性濕敏半導體陶瓷。①ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件。ZnO-Cr2O3濕敏元件是將多孔材料的電極燒結在多孔陶瓷圓片的兩表面上，并焊上鉑引線，然后將敏感元件裝入有網(wǎng)眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定而做成，其結構如圖2-60所示。ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度，而無需加熱除污裝置，因此功耗低于0.5W，體積小，成本低，是一種常用測濕傳感器。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器②MgCr2O4一TiO2濕敏元件。氧化鎂復合氧化物一二氧化欽濕敏材料通常制成多孔陶瓷型“濕一電”轉換器件，它是負特性半導瓷。MgCr2O4為P型半導體，它的電阻率低，阻值溫度特性好，結構如圖2-61所示。在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的兩面涂覆有多孔金電極。金電極與引出線燒結在一起，為了減少測量誤差，在陶瓷片外設置由鎳鉻絲制成的加熱線圈，以便對器件加熱清洗，排除惡劣氣體對器件的污染。整個器件安裝在陶瓷基片上，電極引線一般采用鉑一銥合金。傳感器的電阻值既隨所處環(huán)境的相對濕度的增加而減少，又隨周圍環(huán)境溫度的變化而有所變化。上一頁下一頁返回任務6氣敏和濕敏電阻傳感器3.濕敏傳感器的應用實例—ZHG型濕敏電阻及其應用ZHG型濕敏電阻為陶瓷濕敏傳感器，其阻值隨被測環(huán)境濕度的升高而降低。ZHG濕敏電阻有兩種型號:ZHG-1型和Z