第二章 第一节电阻式传感器资料

南昌大学机电工程学院第二章、力敏传感器南昌大学机电工程学院力敏传感器：将各种力（气体、液体、固体等物质间的相互作用力）转变为电参数的装置或原件。第一节、电阻式传感器第二节、电感式传感器第三节、电容式传感器南昌大学机电工程学院本节学习要求：1.了解电阻式传感器的作用2.掌握电阻式传感器的原理、类型和结构3.掌握电阻式传感器的应用4.了解传感器的结构、类型、参数第1节电阻式传感器南昌大学机电工程学院•电阻式传感器是把被测量(位移、力、压力、加速度、扭矩)转换为电阻变化的一种传感器。•按工作的原理可分为:电位计式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、•湿（气、光）敏电阻式。优点：结构简单、使用方便、性能稳定、可靠、灵敏度高和测量速度快等•应用范围：广泛航空、机械、电力、化工、建筑、医学等许多领域，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等一、电阻式传感器的作用电量力物理量南昌大学机电工程学院应变计金属应变片南昌大学机电工程学院南昌大学机电工程学院电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。二、应变式传感器的原理一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：当电阻丝受到拉力F作用时，引起电阻值变化量为SlR南昌大学机电工程学院1．丝式应变片：结构如下图所示。2、箔式应变片：如左图所示，箔材厚度多为0.001-0.01mm。3.薄膜应变片3、薄膜应变片：采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形状的敏感栅。应变式传感器的类型和结构南昌大学机电工程学院三、应变效应的应用应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。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，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；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。南昌大学机电工程学院1、电子秤的工作原理南昌大学机电工程学院案例1：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。南昌大学机电工程学院人体秤南昌大学机电工程学院地泵南昌大学机电工程学院原理分析：力———电阻变化———电压南昌大学机电工程学院应变片测量电路VER1R4R2R313243412()()RRRRVERRRR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，一般用电桥。单臂电桥南昌大学机电工程学院令：4RR3RRdR12RRRERRdRRRRRdRRRV))(()(RdRE4)21(RdR金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变13243412()()RRRRVERRRR南昌大学机电工程学院双臂电桥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。南昌大学机电工程学院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，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。南昌大学机电工程学院全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，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。南昌大学机电工程学院案例2：桥梁固有频率测量南昌大学机电工程学院案例3：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。南昌大学机电工程学院应变片的粘贴：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。南昌大学机电工程学院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。南昌大学机电工程学院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。南昌大学机电工程学院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。南昌大学机电工程学院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。南昌大学机电工程学院案例4：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻南昌大学机电工程学院案例5：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻南昌大学机电工程学院案例6：机器人握力测量南昌大学机电工程学院四、应变片的主要参数及应变片分类4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。参数名称电阻值/灵敏度电阻温度系数/（1/C）极限工作温度/C最大工作电流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-6———0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170606020202525251525南昌大学机电工程学院压阻式压力传感器的隔离、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。五、其他电阻式传感器南昌大学机电工程学院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。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院压阻式压力传感器内部结构信号处理电路南昌大学机电工程学院高压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感器南昌大学机电工程学院投入式液位计外形压阻式压力传感器光柱显示器橡胶背压管h=h0+h1=h0+p1/（g）南昌大学机电工程学院•4气敏电阻传感器使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。南昌大学机电工程学院a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。南昌大学机电工程学院气敏电阻外形酒精传感器其他可燃性气体传感器南昌大学机电工程学院酒精测试仪呼气管南昌大学机电工程学院家庭用液化气报警器烟雾报警器一氧化碳传感器家庭用煤气报警器南昌大学机电工程学院•5湿敏电阻传感器绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。南昌大学机电工程学院湿度传感器的分类南昌大学机电工程学院电子湿度计模块封装后的外形南昌大学机电工程学院电子相对湿度仪表的标定仪器干湿球湿度计外形及原理干球湿球4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院用干湿球湿度计测量相对湿度的原理上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计南昌大学机电工程学院•6热电阻传感器导体和半导体材料的电阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而变大，而半导体的电阻具有负的温度系数。导体的电阻在一定温度范围内与温度具有线性关系半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。)11(00TTeRRRT负温度系数（NTC）南昌大学机电工程学院热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻南昌大学机电工程学院温控器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等