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1、第二章 電阻傳感器,本章學習電阻式傳感器的原理及應用，包括：電阻應變片、測溫熱電阻、氣敏電阻、濕敏電阻及磁敏電阻、電位器等。,第一節(jié) 電阻應變傳感器,導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現象稱為應變效應。 電阻應變傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成。,2020/9/25,3,一、應變原理演示,,金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。,,二、應變片的工作原理,設有一長度為、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電阻應變片的靈敏度,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

2、致電阻值R發(fā)生變化。 當金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大； 某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。 電阻絲及應變片的電阻相對變化量R R與材料力學中的軸向應變x的關系在很大范圍內是線性的，即,微應變(),對于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率 會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。,在材料力學中，x =l/l稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變。 x通常很小。例如，當 x為0.000001（ 10-6 ）時，在工程中常表示為1m/m或1微應變(1)。 對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于110

3、-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致非線性或斷裂。,應變片用于測量力F的計算公式,由材料力學可知，x=F /(AE)，所以R /R又可表示為,如果應變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設法測出R /R的數值，即可獲知試件受力的大小，可用于電子秤的稱重等。,,二、應變片的種類與結構,應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。 金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間

4、測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。,2020/9/25,8,金屬絲式應變片的結構,半導體應變片,半導體應變片的主要優(yōu)點是靈敏度高；缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。 在使用時，需采用溫度補償及非線性補償措施。,2020/9/25,10,箔式應變片的外形,應變片主要性能指標舉例,上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？,,,應變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、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。,,,,,2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，

5、各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,3.測量 ：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現端子折斷和壞的應變片。,,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。,,,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。,,,三、測量轉換電路不平衡電橋,金屬應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：金屬箔式應變片的標稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/

6、m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值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轉換為輸出電壓Uo。,2020/9/25,18,三、測量轉換電路不平衡電橋,,,,,,,由電工學 知識可知： 若橋路4個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。,電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3,調節(jié)RP ，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5是用于減小調節(jié)范圍的限流電阻。,單臂電橋,單臂半橋的 靈敏度最低。,計算公式,雙臂電橋,

7、R1、 R2為應變片， R3、R4為固定電阻 。應變片R1 、R2 感受到的應變1、2以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,計算公式,四臂全橋,,全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1 R4產生的電阻增量（或感受到的應變14）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，哪一種靈敏度最高? 哪一種靈敏度最低?,計算公式,全橋的溫度補償原理,,當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最?。徽堈f出半橋克服溫漂的原理！,采用全橋（或雙臂半橋）能實現溫度自補償。,四、應變效應

8、的應用,電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路； 第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。,2020/9/25,25,應變式力傳感器,S型力傳感器,F,F,F,F,2020/9/25,26,各種懸臂梁,,2020/9/25,27,各種懸臂梁,,F,,F,,固定點,,固定點,,電纜,,,2020/9/25,28,應變片在懸臂梁上的粘貼及變形,,應變式荷重傳感器的外形

9、及應變片的粘貼位置,F,,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,,F,,F,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,F,F,,,荷重傳感器原理演示,貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。,,2020/9/25,33,汽車衡,測量裝貨量或 判斷超載,汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠亞興業(yè)商貿有限公司資料 ）,荷重傳感器計算公式,當KF 為常數時，橋路所加的激勵源電壓Ui 越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。,思考：綜合考慮靈敏度與功耗、發(fā)熱等因數， Ui 的取值范圍多少為好？,,,,,荷重傳感器應用估算,例 現用某荷重傳感器稱重。當橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸出電壓

10、Uo為8mV，求被測荷重為多少噸。 解 從該荷重傳感器銘牌上得到F m=100103N，KF= 2mV/V， 可計算得到Uom=12mV。根據上述公式計算得被測荷重：,,荷重傳感器用于構件的稱重,荷重傳感器 （共 3個，120度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）,,,底座,墊塊,,,電纜,,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,,電子天平,電子天平的精度可達十萬分之一,應變式數顯扭矩扳手,數顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程2500Nm，耗電量10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,2020/9/25,41

11、,應變式數顯扭矩扳手（續(xù)）,壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應快。,,2020/9/25,43,壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片,隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器,高壓進氣口,低壓進氣口,,,2020/9/25,45,小型壓阻式固態(tài)差壓傳感器（續(xù)）,可用于呼吸、透析和注射泵等設備,,p1進氣管,p2進氣管,,電纜引出,,2020/9/25,46,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）,表壓壓力傳感器,p1進氣管,,汽車子午線輪胎胎壓的測量,子

12、午線輪胎,汽車胎壓傳感器 的安裝,,2020/9/25,48,投入式液位計,,壓阻式固態(tài)壓力傳感器的p1進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力。硅杯不與液體相通，耐腐蝕。,,投入式液位計外形（續(xù)）,壓阻式固態(tài)壓力傳感器,與水位成正比的光柱,,橡膠 背壓管,,,,進水孔,投入式液位傳感器,投入式液位傳感器必須使用安裝支架，適應于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質的水或其他液體的液位測量。,投入式液位計液位的計算： 安裝高度h0處水的表壓 p1=gh1,所以： h=h0+h1=h0+p1 /（g）,例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，求水的深度h。,20

13、20/9/25,52,材料應變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應變測試,材料應變的測量（續(xù)）,預應力管樁的質量檢驗： 工作人員正在貼應變片,應變片粘貼在管樁上，引出線應良好固定,第二節(jié) 測溫熱電阻傳感器,一、金屬熱電阻,溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。,測溫熱電阻可分為金屬和半導體兩大類。,2020/9/25,55,取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484 。 請說明鎢絲的溫

14、度系數的正負。,,易提純、復現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,2020/9/25,57,金屬熱電阻材料的主要技術性能,,薄膜式及裝配式鉑熱電阻,,2020/9/25,59,小型鉑熱電阻,,防爆型鉑熱電阻,,堅實的外殼起“隔爆”作用,,,,汽車用水溫傳感器及水溫表,,銅熱電阻,,,2020/9/25,62,學習查“鉑熱電阻分度表”,1. Pt100在 40時為多少歐？2.鉑熱電阻是否線性？,,,,,,二、熱敏電阻,熱敏電阻有負溫度系數（NTC）和正溫度系數（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格的負指數關系，因此可用于

15、測量溫度：,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 ，可用于控制溫度 。,,熱敏電阻的外形、結構及符號,,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,2020/9/25,65,PTC熱敏電阻,PTC熱敏電阻屬于臨界溫度型（CTR）。當溫度上升到某臨界點時，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還可用作暖風機中的加熱元件。,,恒溫加熱PTC熱敏電阻,2020/9/25,66,下圖所示的恒溫加熱PTC熱敏電阻的溫度將恒定在多少度范圍

16、？為什么？,加熱電流約為多少A？,將暖風機的“風量”加大后，PTC的溫度為什么不會下降？加熱功率如何變化？,2020/9/25,67,下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？,熱敏電阻外形,MF12型 NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,其他形式的熱敏電阻,玻璃封裝 NTC熱敏電阻,MF58 型熱敏電阻,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,2020/9/25,71,其他形式的熱敏電阻（續(xù)）,貼片式NTC熱敏電阻,2020/9/25,72,熱敏電阻溫度面板表,熱敏電阻,,LCD,,2020/9/25,73,熱敏電阻體溫表,熱敏電阻體溫表的調試、標定方法,調試時，應該

17、先調哪一只電位器，再調哪一只電位器？ 如何檢驗表面刻度中其他各點是否準確？具體步驟如何進行？,2020/9/25,75,熱敏電阻用于CPU的溫度測量,（參考小熊在線公司資料）,2020/9/25,76,熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制,2020/9/25,77,第三節(jié) 氣敏電阻,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。,氣敏電阻可以把某種氣體的成分、濃度等參數轉換成電阻變化量，再轉換為電流、電壓信號。,一、還原性氣體傳感器,在化學反應中，還原性氣體是給出電子還是得到電子？ 還原性氣體多數屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。

18、 測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料燒結而成的半導體器件。,MQN型氣敏電阻結構及測量電路,a）氣敏燒結體 b）氣敏電阻外形 c）基本測量電路 1引腳 2塑料底座 3燒結體 4不銹鋼網罩 5加熱電極 6工作電極 7加熱電源 8測量電源,MQN型氣敏半導體器件的燒結體中，有兩組鉑絲。一組鉑絲為測量電極，另一組（上圖中的左邊鉑絲）為加熱電極兼測量電極。 氣敏電阻工作時必須加熱到200300，其目的是加速被測氣體的化學吸附和電離的過程并燒去氣敏電阻表面的污物（起清潔作用）。,氣敏電阻外形,酒精傳感器,其他可燃性氣體傳感器,2020/9/25,82,酒精測

19、試儀,呼氣管,,2020/9/25,83,氣敏電阻的選擇性,氣敏半導體的靈敏度特性曲線,觀察右圖這些曲線，有何特點？可以得出哪些啟示？ 請說明非線性特性對濃度超限報警是否有利，為什么？,2020/9/25,85,家庭用煤氣報警器,2020/9/25,86,家庭用液化氣報警器,2020/9/25,87,一氧化碳傳感器,其他氣體傳感器,NH3傳感器,煤礦瓦斯報警器,二、二氧化鈦氧濃度傳感器,半導體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導體，對氧氣十分敏感。其電阻值的大小取決于周圍環(huán)境的氧氣濃度。當周圍氧氣濃度較大時，氧原子進入二氧化鈦晶格，改變了半導體的電阻率，使其電阻值增大。,用于汽車或燃燒爐排放

20、氣體中的氧濃度傳感器結構圖及測量轉換電路。二氧化鈦氣敏電阻與補償熱敏電阻同處于陶瓷絕緣體的末端。當氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 與TiO2氣敏電阻串聯的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。當環(huán)境溫度升高時，TiO2氣敏電阻的阻值會逐漸減小，只要Rt也以同樣的比例減小，根據分壓比定律，Uo不受溫度影響，減小了測量誤差。,TiO2氧濃度傳感器結構及測量轉換電路,a）結構 b）測量轉換電路,1外殼（接地）2安裝螺栓 3搭鐵線4保護管 5補償電阻 6陶瓷片 7TiO2氧敏電阻 8進氣口 9引腳,2020/9/25,91,氧濃度傳感器外形,可用于汽車尾氣測量,2020/9/25,92

21、,汽車尾氣分析,,2020/9/25,93,有毒氣體傳感器的使用,,第四節(jié) 濕敏電阻,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量(克數)。 相對濕度（RH）：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。,2020/9/25,95,濕度傳感器的分類,2020/9/25,96,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

22、內部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉爛。,露點,降低溫度會產生結露現象。露點與農作物的生長有很大關系，結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,2020/9/25,98,露點傳感器外形,2020/9/25,99,電子式溫濕度計,2020/9/25,100,機械式、電子式溫濕度計對比,陶瓷濕度傳感器特性曲線,陶瓷濕度傳感器特性曲線采用對數坐標有何意義？其電阻率變化約有多少個數量級？,溫度升高，靈敏度如何變化？,第五節(jié) 磁敏電阻,半導體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現象稱為磁阻效應，利用磁阻效應制成

23、的元件稱為磁敏電阻。,,a）未受磁場影響時的電流分布 b）受洛化茲力時的電流分布 c）圖形符號,2020/9/25,103,磁敏傳感器外形,,,2020/9/25,104,二、磁敏電阻的參數和特性,1磁阻特性,,2020/9/25,105,第五節(jié) 磁敏電阻,2溫度補償,,2020/9/25,106,三、磁敏電阻的應用,1數字高斯計,2020/9/25,107,2磁阻IC用于轉速測量,n60(f/z),2020/9/25,108,磁阻IC用于轉速測量,磁力線集中,磁力線分散,2020/9/25,109,磁敏電阻的應用,磁敏電阻可用于測量地球磁場的方向及強度的變化。,指南針只能指示地球磁場的方向。,2020/9/25,110,磁阻式電子羅盤,2020/9/25,111,磁敏電阻IC及其應用,,線性磁阻位置傳感器,磁敏電阻的應用,,,根據鐵磁物體對地磁的擾動，可檢測車輛的存在，可用于包括自動開門，路況監(jiān)測，停車場檢測，車輛位置監(jiān)測，紅綠燈控制等。,2020/9/25,113,利用磁敏電阻制作小型探礦儀（磁力儀）,磁敏電阻 （聚四氟乙烯封裝）,磁力 探礦儀的使用,,2020/9/25,114,磁阻IC用于筆式驗鈔器,驗鈔筆順著紙幣上的磁性防偽線掃描,,,