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1、第二章 電阻傳感器,本章學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，包括：電阻應(yīng)變片、測溫?zé)犭娮?、氣敏電阻、濕敏電阻及磁敏電阻、電位器等?第一節(jié) 電阻應(yīng)變傳感器,導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。,2020/9/25,3,一、應(yīng)變原理演示,,金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大 。,,二、應(yīng)變片的工作原理,設(shè)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(yīng)變片的靈敏度,當(dāng)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(dǎo)
2、致電阻值R發(fā)生變化。 當(dāng)金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大； 某些半導(dǎo)體受拉時，將變大，導(dǎo)致R變大。 電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量R R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,微應(yīng)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(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率 會產(chǎn)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(xué)中，x =l/l稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。 x通常很小。例如，當(dāng) x為0.000001（ 10-6 ）時，在工程中常表示為1m/m或1微應(yīng)變(1)。 對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)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(dǎo)致非線性或斷裂。,應(yīng)變片用于測量力F的計算公式,由材料力學(xué)可知，x=F /(AE)，所以R /R又可表示為,如果應(yīng)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(shè)法測出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，可用于電子秤的稱重等。,,二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu),應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。 金屬絲式應(yīng)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(yīng)變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。 箔式應(yīng)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(yīng)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(yīng)變式傳感器中。,2020/9/25,8,金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)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(yīng)變片的外形,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,,,應(yīng)變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)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(yīng)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(yīng)變片放上去，并調(diào)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(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)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(yīng)變片。,,,三、測量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,金屬應(yīng)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(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)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(yīng)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(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。,2020/9/25,18,三、測量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,,,,,,,由電工學(xué) 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(diào)節(jié)RP ，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)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(yīng)變片， R3、R4為固定電阻 。應(yīng)變片R1 、R2 感受到的應(yīng)變1、2以及產(chǎn)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(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)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(dāng)環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂最??；請說出半橋克服溫漂的原理！,采用全橋（或雙臂半橋）能實現(xiàn)溫度自補償。,四、應(yīng)變效應(yīng)
8、的應(yīng)用,電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)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(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路； 第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。,2020/9/25,25,應(yīng)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(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形,,應(yīng)變式荷重傳感器的外形
9、及應(yīng)變片的粘貼位置,F,,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,,F,,F,應(yīng)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(yīng)變片在向下力的作用下產(chǎn)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(mào)有限公司資料 ）,荷重傳感器計算公式,當(dāng)KF 為常數(shù)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(shù)， Ui 的取值范圍多少為好？,,,,,荷重傳感器應(yīng)用估算,例 現(xiàn)用某荷重傳感器稱重。當(dāng)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(jù)上述公式計算得被測荷重：,,荷重傳感器用于構(gòu)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(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手,數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領(lǐng)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(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。,2020/9/25,41
11、,應(yīng)變式數(shù)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(dǎo)體應(yīng)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(yīng)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(shè)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(dǎo)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(yīng)于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質(zhì)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(yīng)變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試,材料應(yīng)變的測量（續(xù)）,預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗： 工作人員正在貼應(yīng)變片,應(yīng)變片粘貼在管樁上，引出線應(yīng)良好固定,第二節(jié) 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?一、金屬熱電阻,溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。,測溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)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(xiàn)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(yīng)為484 。 請說明鎢絲的溫
14、度系數(shù)的正負。,,易提純、復(fù)現(xiàn)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(shù)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(xué)習(xí)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(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（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(shù)關(guān)系，因此可用于
15、測量溫度：,第二類為突變型（CTR）。當(dāng)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(jié)構(gòu)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(dāng)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(fēng)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(fēng)機的“風(fēng)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(diào)試、標(biāo)定方法,調(diào)試時，應(yīng)該
17、先調(diào)哪一只電位器，再調(diào)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(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。,一、還原性氣體傳感器,在化學(xué)反應(yīng)中，還原性氣體是給出電子還是得到電子？ 還原性氣體多數(shù)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(jié)而成的半導(dǎo)體器件。,MQN型氣敏電阻結(jié)構(gòu)及測量電路,a）氣敏燒結(jié)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(jié)體 4不銹鋼網(wǎng)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(dǎo)體器件的燒結(jié)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)體材料二氧化鈦（TiO2）屬于N型半導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(jié)構(gòu)圖及測量轉(zhuǎn)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(dāng)氧氣含量減小時，RTiO2的阻值減小，Uo增大。 與TiO2氣敏電阻串聯(lián)的熱敏電阻Rt 起溫度補償作用。當(dāng)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(jù)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(jié)構(gòu)及測量轉(zhuǎn)換電路,a）結(jié)構(gòu) b）測量轉(zhuǎn)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(zhì)量(克數(shù))。 相對濕度（RH）：是大氣中實有水汽壓與當(dāng)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(dāng)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(nèi)部，引起半導(dǎo)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(dāng)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(nèi)部。這不僅降低了絕緣強度，還會造成漏電、擊穿和短路現(xiàn)象；潮濕還會加速金屬材料的腐蝕并引起有機材料的霉?fàn)€。,露點,降低溫度會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。露點與農(nóng)作物的生長有很大關(guān)系，結(jié)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(shù)坐標(biāo)有何意義？其電阻率變化約有多少個數(shù)量級？,溫度升高，靈敏度如何變化？,第五節(jié) 磁敏電阻,半導(dǎo)體材料的電阻率隨磁場強度的增強而變大，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)，利用磁阻效應(yīng)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(shù)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(yīng)用,1數(shù)字高斯計,2020/9/25,107,2磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量,n60(f/z),2020/9/25,108,磁阻IC用于轉(zhuǎn)速測量,磁力線集中,磁力線分散,2020/9/25,109,磁敏電阻的應(yīng)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(yīng)用,,線性磁阻位置傳感器,磁敏電阻的應(yīng)用,,,根據(jù)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,,,
傳感器課件-2電阻傳感器
