电阻传感器(应变片修改)

金属丝式应变片，金属丝易脱胶，逐渐 被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜， 多用于大批量、一次性试验。
箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻 、腐蚀等工艺制成的。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，目前广泛用于各 种应变式传感器中。
金属丝式应变片的 结构
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。
在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量 εx＝Δl/l，称为纵向应变。
（一）、应变原理演示
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
（二）、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
例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100， 灵敏度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，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅
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，将R
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/R转换为输出电压Uo。
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（ 10-6 ）时，在工程中常表示为1m/m或1微应变 (1με)。
对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向 应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可 能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。
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 K F
发现汞的电阻降 为零。昂内斯将这 种现象称为物质的 超导性。后来昂内 斯和其他科学家陆 续发现了其他一些 金属也是超导体。 昂内斯因为这项重 大发现而获得1913 年的诺贝尔物理学 奖。
易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
请挑选适合于制作热电阻的金属材料
金属热电阻材料的主要技术性能
薄膜式及装配式铂热电阻
的金属单丝，它的电阻值R可表示为
R
l A
l
r2
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。
当金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；
某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。
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
R R
Kx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
微应变(με)
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。
在材料力学中，x =l/l称为电阻丝的轴向应变， 也称纵向应变。 x通常很小。例如，当 x为0.000001
2.贴片：在应变 片的表面和处理过的 粘贴表面上，各涂一 层均匀的粘贴胶 ， 用镊子将应变片放上 去，并调好位置，然 后盖上塑料薄膜，用 手指揉和滚压，排出 下面的气泡 。
3.测量 ：从 分开的端子处， 预先用万用表测 量应变片的电阻， 发现端子折断和 坏的应变片。
4.焊接： 将引线和端 子用烙铁焊接起 来，注意不要把 端子扯断。
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应变式数显扭 矩扳手（续）
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。
压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片
隔离、承压 膜片可以将腐蚀 性的气体、液体 与硅膜片 隔离开 来。
第二类：是将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试 件的应变量。
应变式力传感器
F
F
F
F
S型力传感器
各种悬臂梁
各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形
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应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
FF
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
投入式液位计
压阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性 不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅 杯不与液体相通，耐腐蚀。
投入式液位计外形（续）
橡胶 背压管
压阻式 固态压力
传感器
进水孔
与水位 成正比 的光柱
投入式液位传感器
投入式液位 传感器必须使用 安装支架，适应 于深度为 几米 至 几十米，且混 有 大 量 污物、 杂质的水或其他 液体的液位测量。
金属丝电阻随温度增高而变大的演示
我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度 略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这 个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00Ω增大到10.05Ω， 如图2-4所示。
超导现象
1911年，荷兰物理学家昂内斯（Kamerlingh Onnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时，
小型铂热电阻
防爆型铂热电阻
坚实的外壳起“隔爆”作 用
汽车用水温传感器及水温表
铜热电阻
学习查“铂热电阻分度表”
请判断铂热电阻是否线性
铂电阻温度显示、变送器
上下限设定键
上上限
上限 下限 下下限
测量值
可设定温度的温度控制箱
旋转式机械 设定开关
拨码式 设定开关
哪一种更适合车间使用？
二、热敏电阻
什么是电桥
不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成 一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。 有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一 对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo 。 b、d的对地电压相等时称作 “电桥平衡”；反之， 称作“电桥不平衡”。 电桥平衡的条件是： 上下桥臂的左右位置 电阻比例相等。
到零位，这一过程称为
调零。
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单臂电桥
单臂半桥的 灵敏度最低。
计算公式
Uo
Ui 4
R1 R1
Ui 4
K1
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双臂电桥
R1、 R2为应变 片， 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。
Байду номын сангаас
半导体应变片
半导体应变片的主要优点是灵敏度高； 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，需采用半桥、全桥温度补偿 及非线性补偿措施。
箔式应变片的外形
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？
应变片的粘贴：
1. 去污：采用 手持砂轮工具除去 构件表面的油污、 漆、锈斑等，并用 细纱布交叉打磨出 细纹以增加粘贴 力 ，用浸有酒精 或丙酮的纱布片或 脱脂棉球擦洗。
2-2
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，可用于电子秤的称重和测量拉力等。
应变片的应用
将应变片粘贴在斜拉绳表面 ，可测量斜拉绳所受的拉力
应变片可用于 电子秤
（三）、应变片的种类与结构
应变片可分为金属应变片及半导体应变 片两大类。
投入式液位计液位的计算：
安装高度h0处水的表压 p1=gh1
所以： h=h0+h1=h0+p1 /（g）
例：液位计安装高度为1m，测得压力为 98kPa，求水的深度h。
与计算机接口的多路电阻应变测量模块
第三节 测温热电阻传感器
测温热电阻可分为金属和半导体两大类。
一、金属热电阻
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。
p
压阻式固态 压力传感器 内部结构
信号处理 电路
小型压阻式固态压力传感器
低压进气口
高压进气口
小型压阻式固态差压传感器（续）
可用于呼吸、透析和注射泵等设备
电缆引出
p1进气管 p2进气管
小型压阻式固态压力传感器（续）
p1进气管
表压压力传感器
汽车子午线轮胎胎压的测量
汽车胎压传感器 的安装
子午线轮胎
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测量转换电路——不平衡电桥
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) R4
2-3
由电工学可知：
若桥路4个桥臂 相邻电阻的电阻 值变化趋势相反， 桥路的输出电压 反而相互叠加。
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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
力、转矩和压力传感器
一、电阻应变式测力传感器
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。
电阻应变传感器主要由电阻应变片及 测量转换电路等组成。
我们先来做一个实验。当我们用力 拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加， 直径略有减小，从而导致电阻值R变大。 在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初 始状态的10.00Ω增大到10.05Ω，如图24所示。
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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。
上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高? 哪一种灵敏度最低?
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采用全桥（或 全桥的温度补偿原理
双臂半桥）能实现 温度自补偿。
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：
第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指 数关系，因此可用于测量温度：
B( 1 1 )
RT R0e T0 T
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 ，可用于 控制温度 。
热敏电阻的外形、结构及符号
NTC热敏电阻
MF58 型热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻 大功率PTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻（续）
贴片式NTC 热敏电阻
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
PTC热敏电阻
PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。 当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降， 可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率 PTC还可用作暖风机中的加热元件。
5.固定： 焊接后用胶 布将引线和 被测对象固 定在一起， 防止损坏引 线和应变片。
（四）、应变效应的应用
电阻应变片的应用可分为两大类：
第一类：是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将 其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物 理量的专用应变式传感器。应变式传感器中， 敏感元件一般为各种弹性体。转换元件就是应 变片，测量转换电路一般为桥路；
解：T=273+100=373K（开氏）
B( 1 1 )
4000( 1 1 )
RT R0e T0 T 1 e
298 373
0.067 M 67 k
结论：100 ℃时的阻值只 有25 ℃时的1/15 。
热敏电阻外形
MF12型 NTC热敏电
阻
聚脂塑料封装 热敏电阻
其他形式的热敏电阻 玻璃封装
恒温加热PTC 热敏电阻
下图所示的恒温加热PTC热敏电阻的温度将 恒定在多少度范围？为什么？
加热电流约为多 少A？
将暖风机的“风 量”加大后， PTC的温度为什 么不会下降？加 热功率如何变化？
下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？
热敏电阻的特性曲线如下图2，计算公式如下， R0＝1MΩ， T0＝25℃，B=4000,求100 ℃时的电 阻值
F
F
荷重传感器原理演示
贴在荷 重传感器表 面的应变片 在向下力的 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
汽车衡
测量装货量或 判断超载
电子秤
远距离 显示
磅秤
超市打印秤
人体秤
吊钩秤
便携式
电子秤中的各类弹性元件
材料应变的测量
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
五、测量转换电路——不平衡电桥
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。
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 最小。
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应变式数显扭矩扳手
数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内 燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制 紧固螺栓的装配扭矩。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。