电阻传感器讲义

22
退出
（4）应变式荷重传感器
测力和荷重（称重）传感器很大一部分是采用应变式荷重传感器 荷重传感器的输出电压Uo的计算：生产厂家一般均给出荷重 传感器的灵敏度KF 。设荷重传感器的满量程为Fm，桥路电压为 Ui，满量程时的输出电压为Uom，则KF被定义为 U om KF Ui 由于Uo往往是mV数量级，而Ui往往是 V级（10V左右），所以荷重传感器的 灵敏度以mV/V为单位。 可得到在被测荷重为F时的输出电压Uo
退出
四、应变效应的应用
1、应变式传感器 （1）应变式力传感器 传感器的采样部分由弹性元件、应变片和外壳所组成。 弹性元件把被测量转换成应变量的变化；弹性元件上的应变片 把应变量变换成电阻量的变化。常见的应变式测力与荷重传感 器有柱式、悬臂梁式、环式等。
a）柱式 b）环式 c）悬臂梁式
2008-10-3
F
F
Uo F U om Fm K U F Uo U om F i F Fm Fm
荷重传感器原理演示
荷重传感器 上的应变片在 重力作用下产 生变形。轴向 变短，径向变 长。
远距离 显示
电子秤
电子天平
磅秤 汽车衡称重系统
超市打印秤
电子秤重装置
1 2 3 5MHZ(0°)
Uc
Φ1 Φ2
7 8 10
2008-10-3
41
退出
热敏电阻用于CPU的温度测量
热敏电阻用于电热水器的温度控制
2008-10-3
42
退出
2）热敏电阻用于的过热保护控制
•
2008-10-3
• 热敏电阻构成的电路图 a) 连接示意图 b) 电动机定子上热敏电阻连接方式
43
退出
3）热电阻式流量计
两个铂电阻探头Rt1、Rt2 ， Rt1放在管道中央，它的散热情 况受介质流速的影响。 Rt2放 在温度与流体相同，但不受介 质流速影响的小室中。当介质 处于静止状态时，电桥处于平 衡状态，流量计没有指示。当 介质流动时，由于介质流动带 走热量，温度的变化引起阻值 变化，电桥失去平衡而有输出， 电流计的指示直接反映了流量 的大小。
自动检测与转换技术
2008-10-3
1
退出
第二章
电阻传感器
1、电阻式传感器的原理及应用； 2、掌握测量电路电桥的应用； 3、掌握测温热电阻的原理及应用; 4、了解气敏电阻及湿敏电阻的工作原理及应用。
2008-10-3
2
第一节 电阻应变式传感器
导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形， 其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。
出液体的液位。
这种形式的液位计称为 投入式液位计。示意图如图所 示。安装高度h0处水的表压 p1=gh1
2008-10-3
h=h0+h1=h0+p1 /（g）
27
退出
2、电阻应变仪
材料应变的测量
2008-10-3
28
退出
第二节
测温热电阻传感器
热电阻传感器主要用于对温度或和温度有
关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量200℃～+500℃范围内的温度。按热电阻性质不 同可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。 前者通常称为热电阻，后者称为热敏电阻。
结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
2008-10-3 3
退出
一、应变片的工作原理
设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属 单丝，它的电阻值R可表示为
l l R 2 A r
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时， 上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与 材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即
2008-10-3 9
退出
应变片主要性能指标举例
上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是 什么？
2008-10-3 10
退出
2、应变片的粘贴
：
去污
贴片
测量
焊接
2008-10-3
固定
11
退出
三、测量转换电路
金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测
量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度
37
2008-10-3
退出
片式负温度系数 热敏电阻
GN系列玻壳型 NTC热敏电阻器
PN系列功率型 NTC热敏电阻器
2008-10-3
BN系列珠状 NTC热敏电阻器 SN系列温度传感器
38
退出
4 ）温度特性： NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降， 一般-50～3000C
PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高
1、单臂电桥
若传感器输出的电阻变 化量ΔR只接入电桥的一个桥 臂中，在工作时,其余三个电 阻的阻值没有变化，即R1为
应变片， R2 、 R3、R4为固
定电阻 。 这时
U i R1 U i Uo K 1 4 R1 4
2008-10-3
1 R1 K 4 R1
14
退出
2、双臂电桥
R1、 R2为应变片，
应变片用于测量力F的计算公式
由材料力学可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示为
R F K R AE
如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量
Ｅ均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受 力Ｆ的大小，例如可用于电子秤的称重。
2008-10-3
5
退出
二、应变片的种类与结构
4
5
6 P1 P2 U0 Vi U0
+ -
应变电桥
+ -
液晶电 压表
+ 11
-
图3.4
2008-10-3
称重原理图
26
退出
（5）压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一
致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。
压阻式压力传感器体积小、
结构简单、灵敏度高，将其倒 置于所测液体底部时，可以测
2008-10-3
全桥的温度补偿原理
Βιβλιοθήκη Baidu
17
退出
调零
电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节RP，最终可以使
R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、 R2并联RP后的等效电阻）， 电桥趋于平衡，Uo被预调到
零位，这一过程称为调零。 图中的R5是用于减小调节范 围的限流电阻。
2008-10-3 18
R3、R4为固定电阻 。应
变片R1
、R2 感受到的应变
1~2以及产生的电阻增量
正负号相间，可以使输出
电压Uo成倍地增大。这时
U i R1 R2 Uo ( ) 4 R1 R2 Ui Ui K (1 2 ) K 4 2
2008-10-3
1 R1 K 2 R1
15
退出
R1 R3 R2 R4 U ( R1 R2 )( R3 R4 )
当R1R3=R2R4时，电桥平衡。 取R1=R2=R3=R4设电桥四臂 增量分别为ΔR1、ΔR２、ΔR３、 ΔR４，则电桥的输出为
组桥时，应变片的灵敏系数K必 须一致，上式又可表示为： 2008-10-3
Ui U 0 K (1 2 3 4 ) 4 13 退出
K—电阻应变片的灵敏度。对于不同的金属材料，K 略微不同，一 般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会 产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。 金属的应变电阻 主要以结构尺寸变化为主，半导体的电阻主要基于压阻效应（电阻率 4 2008-10-3 的变化）。 退出
R K x R
2008-10-3
35
退出
二、热敏电阻
1）分类： 直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一 定比例挤压成型。 旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热器。 2）特点： 非线性：R与T呈指数关系 U与I的变化不服从欧姆定律
Rt Rt0 e ( 1 (T 273) 1 298) t0 25C 0
NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型 多， PTC以突变型多。 电阻温度系数大： NTC -2~-6%/0C PTC 1~-10%/0C
2008-10-3
39
退出
下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？
1 2 3 4 5
2008-10-3
40
退出
2、热敏电阻的应用
1）热敏电阻测温 调试时，应该先 调哪一只电位器，再 调哪一只电位器？ 如何检验表面刻 度中其他各点是否准 确？具体步骤如何进 行？
K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模 量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，求受拉后应变片的阻值R
的变化量？
解得仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这 一微小的变化量。
2008-10-3
12
退出
不平衡电桥
电桥如图，求得输出为：
U 0 U BC U DC
3、四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片，
如果设法使试件受力后，应变
片R1 ~ R4产生的电阻增量（或 感受到的应变1~4）正负号相 间，就可以使输出电压Uo成倍 地增大。
Ui U0 K (1 2 3 4 ) 4 Ui K
R1 K R1
16
2008-10-3
（3）薄膜式
采用真空蒸镀技术制成，是近年来薄膜 技术的产物。
2008-10-3 8
退出
（4）半导体应变片
半导体应变片外形
半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它
受力时，电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏 度高（灵敏度比丝式、箔式大几十倍）,主要缺点是灵敏度的 一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。在使用时， 需采用温度补偿及非线性补偿措施。
2008-10-3 30
退出
易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热 电阻，目前广泛采用的是铂和铜
2008-10-3
31
退出
学习查“铂热电阻分度表”
铂热电阻分度表
2008-10-3
32
退出
测温电路
用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特 点是精度高，适于测低温。
热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目
1、应变片的类型和结构 金属丝式
金属应变片
箔式 薄膜式
半导体应变片
2008-10-3 6
退出
（1）金属丝式
由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐 渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、 应力的大批量、一次性试验。
2008-10-3
7
退出
（2） 箔式
通过光刻、腐蚀而成， 箔式应变片与片基的接 触面积大得多，散热条 件较好，在长时间测量 时的蠕变较小，一致性 较好，适合于大批量生 产。
退出
分析上述三种工作方式中，灵敏度最高的和最低的 是哪种？ 上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最 高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或 双臂半桥）还能实现温度自补偿。

当环境温度升高时，桥臂
上的应变片温度同时升高，温 度引起的电阻值漂移数值一致， 可以相互抵消，所以全桥的温 漂较小；半桥也同样能克服温 漂。（尽可能在同一温度场）
稳定性差，一致性差（同一型号差3~5%） 灵敏度高（可测量0.001 ～ 0.005度的微小变化） 热惯性小，结构简单，使用广泛。 本身电阻在3～700ＫΩ, 可用于远距离测量
在-50～350度范围内, 线性度好
2008-10-3 36
退出
3）
热敏电阻的外形、结构及符号
a）圆片型热敏电阻
b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装 型 e）厚膜型 f）图形符号 1—热敏电阻 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔
2008-10-3
29
退出
一、金属热电阻
取一只 100W/220V 灯
泡，用万用表测量其电阻 值，可以发现其冷态阻值
只有几十欧姆，而计算得
到的额定热态电阻值应为 484 。
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而
使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏 观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温 度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。
的是消除连接线电阻的影响。
2008-10-3
33
退出
r为引线电阻，Rt为铂电阻
二、热敏电阻
热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数 （PTC）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严 格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点 时，其电阻值突然下降 。
19
退出
应变式力传感器
2008-10-3
20
退出
（2）应变式数显扭矩传感器
可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械 制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的 装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA， 有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等 功能。
（3）应变式加速度传感器
2008-10-3