1、第第2 2章章 电阻式传感器及其应用电阻式传感器及其应用 本章学习本章学习电阻式传感器的原理及应用，电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、电位器、热电阻、包括：电阻应变片、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等气敏电阻及湿敏电阻等。2.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界：导体或半导体材料在外界力力的作用的作用下，会产生下，会产生机械变形机械变形，其，其电阻值电阻值也将随着发生也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。变化，这种现象称为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量转测量转换电路换电路等组成
2、。等组成。1.1.电阻应变片的结构电阻应变片的结构 电阻应变片由电阻应变片由敏感栅敏感栅、基片基片、覆盖层覆盖层和和引线引线等部等部分组成。分组成。一、应变片的结构与粘贴一、应变片的结构与粘贴（1 1）敏感栅）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏。敏感栅有丝式、感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。（2 2）基片）基片 绝缘及传递应变绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电栅。同时基片绝缘性能要
3、好，否则应变片微小电信号就要漏掉。信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。由纸薄、胶质膜等制成。（3 3）覆盖层）覆盖层 保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。防湿、蚀、尘。（4 4）引线）引线 连接电阻丝与测量电路连接电阻丝与测量电路，输出电参量。，输出电参量。应变片的内部结构应变片的内部结构分类分类金属电阻金属电阻应变片应变片半导体半导体应变片应变片丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式 2.2.应变片的种类应变片的种类金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐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
4、的趋势。但其被箔式所取代的趋势。但其价格便宜价格便宜，多用于应变、应力，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。的大批量、一次性试验。金属丝式金属丝式 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制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。成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与基片的接触面积大得多，箔式应变片与基片的接触面积大得多，散热条件较好散热条件较好，在，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。产。目前广泛用于各
5、种应变式传感器中。箔式应变片的外形箔式应变片的外形 半导体应变片的主要特点是：当受力时，其电阻率半导体应变片的主要特点是：当受力时，其电阻率随应力的变化而变化，故随应力的变化而变化，故灵敏度高灵敏度高，横向效应小横向效应小。实验发现，实际应变片的实验发现，实际应变片的K K值比单丝的值比单丝的K K值要小，造成此值要小，造成此现象原因是现象原因是横向效应横向效应，还有粘结层传递，还有粘结层传递变形失真变形失真。横向效应横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变虽然长度不变,应变状态相同应变状态相同,但圆弧段但圆弧段横向收缩横向收缩引起引起阻值减小量阻值减小量对对
6、轴向轴向伸长伸长引起引起阻值增加量阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，化减小，K K值减小，此现象为横向效应。值减小，此现象为横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔箔式应变片式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。小，因而电阻变化量也就小得多。.应变片的粘贴：应变片的粘贴：1)去污：采用手持砂去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉用细
7、纱布交叉打磨打磨出细出细纹以增加粘贴力纹以增加粘贴力，用，用浸有酒精或丙酮的纱布浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球片或脱脂棉球擦洗擦洗。2.2.贴片：在应变片的贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的面上，各涂一层均匀的粘贴胶粘贴胶 ，用镊子将应，用镊子将应变片放上去，并调好位变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出用手指揉和滚压，排出下面的气泡。下面的气泡。3.3.测量：从分开的测量：从分开的端子处，预先用万端子处，预先用万用表测量应变片的用表测量应变片的电阻，发现端子折电阻，发现端子折断和坏的应变片。断和坏的应变
8、片。4.4.焊接：检查合格焊接：检查合格后用烙铁焊接引出后用烙铁焊接引出线，注意不要把端线，注意不要把端子扯断。子扯断。5.5.固定：焊接后固定：焊接后用胶布将引线和用胶布将引线和被测对象固定在被测对象固定在一起，防止损坏一起，防止损坏引线和应变片。引线和应变片。二、二、应变片的工作原理应变片的工作原理 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为:当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的
9、长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中、r r、l都将发生变化，从而导致电阻都将发生变化，从而导致电阻值值R发生变化。发生变化。例如例如金属丝金属丝受拉时，受拉时，l将变长、将变长、r r变小，均导致变小，均导致R变大；变大；又如，又如，某些半导体某些半导体受拉时，受拉时，将变大，导致将变大，导致R R变大。变大。2llRAr 以圆柱形导体为例：电阻以圆柱形导体为例：电阻R R（根据电阻的定义式）（根据电阻的定义式）电阻丝变形过程电阻丝变形过程图图2-3 金属电阻丝应变效应金属电阻丝应变效应2llRAr电阻丝电阻丝半径半径 电阻丝电阻丝长度长度电阻丝电阻丝截面积截面积电阻丝电阻丝电
10、阻率电阻率 当导体因某种原因产生应当导体因某种原因产生应变时，其长度变时，其长度L L、截面积、截面积A A和和电阻率电阻率的变化为的变化为dLdL、dAdA、dd相应的电阻变化为相应的电阻变化为dRdR。对。对电阻定律电阻定律全微分得电阻变化全微分得电阻变化率率 dR/RdR/R为：为：AEFldlx(2-2)由材料力学得由材料力学得 为电阻丝材料的泊松比为电阻丝材料的泊松比。（。（2-2）式经整理可得下式：）式经整理可得下式：2dRdldrdRlr径向应变 y轴向（纵向）应变 xy012ddRkR（单丝）金属材料（单丝）金属材料的灵敏度系数，表的灵敏度系数，表示单位应变所引起示单位应变所引
11、起的电阻相对变化，的电阻相对变化，主要取决于其几何主要取决于其几何效应，取效应，取1.71.7 3.63.6材料的电阻率材料的电阻率 随应变所引随应变所引起的变化起的变化“压阻效应压阻效应”。这是由于材料发生变化时，其这是由于材料发生变化时，其自由电子的活动能力和数量均自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故发生了变化的缘故 电阻丝几何尺寸电阻丝几何尺寸形变所引起的变形变所引起的变化化几何效应几何效应 材料的轴材料的轴向应变向应变 即横向收缩与纵即横向收缩与纵向伸长之比。即向伸长之比。即 x xx xx x 实验证明，电阻丝及应变片的实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量电阻相对变化量 R
12、 R/R R与材料力学中的与材料力学中的轴向应变轴向应变 x x（x x=l/l）的关的关系在很大范围内是系在很大范围内是线性线性的，即的，即 2-1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度对于不同的对于不同的金属材料金属材料，K略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。左右。而对而对半导体材料半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率而言，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。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，在材料力学中，x x=l/l称为电阻丝的称为电阻丝的轴向应变轴向应变，也称也称纵向应变纵向应变。x x通常很小
13、，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。表示之。例如，当例如，当 x x为为0.0000010.000001时，在工程中常表示为时，在工程中常表示为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为。在应变测量中，也常将之称为微应变微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超过，否则有可能超过材料的材料的极限强度极限强度而导致断裂。而导致断裂。应变片用于测量力应变片用于测量力F F的计算公式：的计算公式：由材料力学可
14、知：由材料力学可知：x xF/AEF/AE (E (E为弹性模量为弹性模量)而而 R R/R RK K x x 故：故：R R/R RK K（F F/AE/AE）如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K和和试件的横截面积试件的横截面积A A以及弹以及弹性模量性模量E E均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R/R R的数值，的数值，即可获知试件受力即可获知试件受力F F的大小。的大小。例如可用于例如可用于电子称的称重电子称的称重。分析与总结分析与总结影响电阻值变化的因素：影响电阻值变化的因素：1 1、电阻丝长度的变化；、电阻丝长度的变化；2 2、电阻丝面积的变化；、电阻丝面积
15、的变化；3 3、压阻效应的作用。、压阻效应的作用。电阻丝几电阻丝几何尺寸何尺寸金属导体金属导体电阻率电阻率半导体半导体压阻效应压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很大，故可测很大，故可测微小应变微小应变。三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 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
16、。通常采用电量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路实现桥电路实现微小电阻值微小电阻值变化的电压输出。变化的电压输出。例如，例如，有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值值R R 的变化量仅为的变化量仅为0.20.2，所以必须使用电桥来测量，所以必须使用电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将是如何将 R R/R R转换为输出电压转换为输出电压U Uo o的。的。根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。交流电桥。电桥按读数方法可分为电
17、桥按读数方法可分为平衡电桥平衡电桥（零读法）（零读法）和和不平衡电桥不平衡电桥（偏差法）两种。（偏差法）两种。平衡电桥仅适合与测量平衡电桥仅适合与测量静态参数静态参数，而不平衡，而不平衡电桥对电桥对静、动态参数静、动态参数都可测量。都可测量。我们只讨论我们只讨论直流不平衡电桥直流不平衡电桥。直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成。它们可以全部或部分是应变片。组成。它们可以全部或部分是应变片。34端接直流电压端接直流电压U12端输出电压端输出电压U01 1不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 u
18、初始状态下，电桥是平衡的，输出为初始状态下，电桥是平衡的，输出为零零。u 当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号衡，就会有信号U U0 0输出。输出。当电桥平衡时当电桥平衡时,有：有：R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 或或4321RRRR电桥平衡条件：电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等相邻两臂电阻的比值应相等,或相对或相对两臂电阻的乘积相等两臂电阻的乘积相等。当电桥不平衡时当电桥不平衡时：则：则：U Uo o=0=01 1）单臂电桥）
19、单臂电桥 R R1 1为工作应变片，为工作应变片，R R2 2、R R3 3、R R4 4为固定电阻为固定电阻。假设桥臂假设桥臂R R1 1的阻值变为的阻值变为R R1 1+R+R1 1。则输出电压：则输出电压：U UO O=U=U1414-U-U2424 =R=R2 2/(R/(R1 1+R+R1 1+R+R2 2)-R -R4 4/(R/(R3 3+R+R4 4）UU经运算：经运算：U U0 0=-R=-R1 1R R4 4/（R R1 1+R+R1 1+R+R2 2）（）（R R3 3+R+R4 4）UU 分子分母同除以分子分母同除以R R1 1R R3 3，设桥臂比设桥臂比n=Rn=R
20、2 2/R/R1 1R R3 3/R/R4 4，分母中分母中RR1 1/R/R1 1相对来说是微小项相对来说是微小项,故可略去。故可略去。略去后产生电桥非线性误差，讨论误差需要幂级数略去后产生电桥非线性误差，讨论误差需要幂级数展开数学知识。展开数学知识。U U0 0-n/(1+n)-n/(1+n)2 2（RR1 1/R/R1 1）U U 单臂电桥单臂电桥电压灵敏度为电压灵敏度为：K Ku u=n/(1+n)=n/(1+n)2 2UU 可知：可知：K Ku u与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。对于我们讨论的等臂电桥来说，对于我们讨论的等臂电桥来说，R R1
21、1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，即，即n=1n=1，则上式化则上式化为：为：U U0 0=-=-（RR1 1/4R/4R1 1）U U 此时此时,电桥电压灵敏度最高。电桥电压灵敏度最高。K Ku u=U/4=U/42 2）双臂电桥）双臂电桥 R R1 1、R R2 2为工作应变片，为工作应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻。为固定电阻。工作应变片工作应变片R R1 1、R R2 2接入接入电桥两相邻臂，跨在电电桥两相邻臂，跨在电源两端源两端。感受到的应变感受到的应变 1 1、2 2以及产生的电阻增量以及产生的电阻增量RR1 1、RR2 2大小相等，大小相等，方向相反。方向
22、相反。假设：假设：R R1 1阻值变为阻值变为R R1 1+R+R1 1；R R2 2阻值变为阻值变为R R2 2-R-R2 2。且：且：R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=R=R2 2=R=R，则由电桥输出电压：则由电桥输出电压：U U0 0=（R R2 2-R-R2 2）/（R R1 1+RR1 1+R R2 2-RR2 2）-R-R4 4/（R R3 3+R+R4 4）UU =-（R/2RR/2R）U U 严格的线性关系，没有线性误差严格的线性关系，没有线性误差。双臂电桥电压的灵敏度为：双臂电桥电压的灵敏度为：K Ku u=U/2=U/2 由上式可
23、知：双臂电桥由上式可知：双臂电桥灵敏度灵敏度比单臂电桥提高一倍，而且还比单臂电桥提高一倍，而且还具有具有温度误差补偿温度误差补偿作用。作用。3 3）四臂全桥）四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应全桥的四个桥臂都为应变片，变片，两个受拉，两个受压。两个受拉，两个受压。将两个变形符号相同的应将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂，变片接在电桥的相对臂，符号不同的接在相邻臂。符号不同的接在相邻臂。假设假设4 4个桥臂的阻值分别变为：个桥臂的阻值分别变为：R R1 1+R+R1 1、R R2 2-R-R2 2、R R3 3+R+R3 3、R R4 4+R+R4 4；且：且：R R1 1=R=R2 2=R
24、=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，则电桥输出电压：则电桥输出电压：U U0 0=（R R2 2+R+R2 2）/（R R1 1+R+R1 1+R R2 2-R-R2 2 ）-（R R4 4+R+R4 4）/（R R3 3+R+R3 3+R R4 4-R-R4 4 ）UU =-=-（R/RR/R）U U 四臂全桥电压的灵敏度为四臂全桥电压的灵敏度为：K Ku u=U=U 由上式可知：四臂全桥由上式可知：四臂全桥灵敏度灵敏度是单臂电桥的是单臂电桥的4 4倍，其灵敏度倍，其灵敏度最高，能实现最高，能实现温度自补偿温度自补偿。对于四臂全桥：
25、对于四臂全桥：接法如前面方式，若接法如前面方式，若R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=RR2 2=R=R3 3=RR4 4忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：U UO O=U(R=U(R1 1RR2 2+R+R3 3RR4 4)/4R)/4R 结论：结论：U UO O=(U/4)(R=(U/4)(R1 1/R/R1 1RR2 2/R/R2 2+R+R3 3/R/R3 3RR4 4/R/R4 4)全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 利用电桥相邻相等两臂同利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等，符号相同时产生大
26、小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平的电阻增量不会破坏电桥平衡（无输出）的特性来达到衡（无输出）的特性来达到补偿。补偿。当环境温度升高时，桥臂当环境温度升高时，桥臂上的上的应变片温度同时升高应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消一致，可以相互抵消，所以，所以全桥的温漂较小；半桥也同全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。样能克服温漂。例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。由上图：由上图：R R1 1、R R3 3与与R R2 2、R R4 4感受到的应变绝对值相等、感受到的应变绝对值相等、符号相反。符号
27、相反。当试件受力且同时有温度变化时，当试件受力且同时有温度变化时，3142RRRRR1t=R2t=R3t=R4t 温度变化引起的电阻变化温度变化引起的电阻变化因而应变片因而应变片R R1 1R R4 4产生的电阻增量合并为产生的电阻增量合并为4 4倍的倍的R R，R Rt t则则相互抵消相互抵消。)()(4114443332221110RRURRRRRRRRRRRRUUtttt计算结果与温度引起的电阻变化量无关。计算结果与温度引起的电阻变化量无关。四、应变式传感器的应用四、应变式传感器的应用 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上
28、将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量，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。感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元应变式传感器中，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；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第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪，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。上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。电阻应变式传感器 应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之
29、一。由电阻应变片和测量电路两部分组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片。电阻应变片弹性元件信号调节电路电阻应变片的测量电路FF-+.应变式力传感器应变式力传感器被测物理量为被测物理量为荷重荷重或或力力的应变式传感器。的应变式传感器。作用：作为作用：作为各种电子秤各种电子秤与与材料试验机材料试验机的的测力测力元件，元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。况的监视。a a）圆柱面展开图）圆柱面展开图 b b）桥路连接图）桥路连接图1）圆柱式力传感器）圆柱式力传感器 纵向和横向各贴四片应变片，纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的纵向对称的
30、R1和和R3串接串接,R2和和R4串接串接,并置于相对桥臂并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响。以减小偏心载荷及弯矩的影响。2 2）应变片用在悬臂梁上）应变片用在悬臂梁上 各种悬臂梁各种悬臂梁各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 3 3）应变式荷重传感器）应变式荷重传感器FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上荷重传感器上的应变片在重的应变片在重力作用下产生力作用下产生变形。轴向变变形。轴向变短，径向变长。短，径向变长。4 4）
31、汽车衡）汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡称重系统称重系统 结构组成结构组成 电子汽车衡主要由电子汽车衡主要由承载器承载器、称重显示仪表称重显示仪表、称重传感器称重传感器、连接件连接件、限位装置及、限位装置及接线盒接线盒等零部件组成，还可以选配打等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示器、计算机等外部设备。印机、大屏幕显示器、计算机等外部设备。工作原理工作原理被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失
32、去平衡，输体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号。出与重量数值成正比例的电信号。经线性放大器将信号放大，再经经线性放大器将信号放大，再经A/DA/D转换为数字信号，由转换为数字信号，由仪表的微处理机（仪表的微处理机（CPUCPU）对重量信号进行处理后直接显示）对重量信号进行处理后直接显示重量数据。重量数据。电子天平电子天平电子天平的精度可电子天平的精度可达十万分之一达十万分之一人体秤人体秤 2.2.应变式压力传感器应变式压力传感器作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测 量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、量，
33、如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气体和液体压力的测量。出气口气体和液体压力的测量。平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器：应变片贴在膜片内壁应变片贴在膜片内壁,在压力在压力p作用作用下下,距离圆心距离圆心x处膜片产生处膜片产生径向应变径向应变 r r和和切向应变切向应变 t t：maxmaxmax20,0rrttrRxx时，当时当 在平膜片在平膜片圆心处圆心处切向粘贴切向粘贴R R1 1、R R4 4两两个应变片个应变片,在在边边缘处缘处沿径向粘贴沿径向粘贴R R2 2、R R3 3两个应变片两个应变片,然然后接成全桥测量后接成全桥测量电路。电路。径向应变径向应变 r r与与位置位置关
34、系图关系图3.3.应变式加速度传感器应变式加速度传感器 传感器由质量块（传感器由质量块（4 4）、）、应变片（应变片（1 1）、）、弹性悬臂梁（弹性悬臂梁（3 3）基座（基座（2 2）组成。）组成。当被测物做水平加速度运动时当被测物做水平加速度运动时,由于质量块的惯性由于质量块的惯性:F=maF=ma，悬臂梁，悬臂梁弯曲变形，通过应变片测出悬臂梁弯曲变形，通过应变片测出悬臂梁的的应变量应变量。当振动频率小于传感器的固有振当振动频率小于传感器的固有振动频率时，悬臂梁的动频率时，悬臂梁的应变量应变量与与加速加速度度成正比。成正比。休休 息息 一一 下下2.2 2.2 电位器式传感器电位器式传感器
35、电位器是一种将电位器是一种将机械位移机械位移（线位移或角位（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的移）转换为与其成一定函数关系的电阻或电电阻或电压压的机电传感元件。的机电传感元件。一、组成与特点一、组成与特点1 1、组成：常用电位器传感器由、组成：常用电位器传感器由电位器电位器（骨架、电（骨架、电 阻丝阻丝 ）和）和触点机构触点机构（电刷等）等组成。（电刷等）等组成。2 2、特点：输出信号大，测量线路简单，成本低，、特点：输出信号大，测量线路简单，成本低，性能稳定并容易实现任意函数。性能稳定并容易实现任意函数。但要求输入能量大，电刷与电阻元件之但要求输入能量大，电刷与电阻元件之 间容易磨损
36、。间容易磨损。二、工作原理二、工作原理 通过改变电位器的滑动触头（电刷）的通过改变电位器的滑动触头（电刷）的位置位置，将将线位移或角位移线位移或角位移等位移量转换为电阻或电压等位移量转换为电阻或电压的变化。的变化。1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型U UO O=U(X/L)=U(X/L)U UO O=U(/2)=U(/2)电位器的类型电位器式传感器电位器式传感器按结构形式按结构形式图图 电位器结构形式电位器结构形式直线位移型直线位移型角位移型角位移型按工艺特点按工艺特点线绕式线绕式非线绕式非线绕式按制作材料按制作材料绕线式电位器绕线式电位器合成膜电位器合成膜电位器金属膜电位器金属膜电位
37、器导电塑料电位器导电塑料电位器导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器光电式电位器光电式电位器 惯性敏感元件在被测加惯性敏感元件在被测加速度的作用下，使片状弹簧速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷在电阻体移，从而引起电刷在电阻体上下滑动，输出与加速度成上下滑动，输出与加速度成比例的电压信号。比例的电压信号。当被测流体通入弹性敏感当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，在流体压元件膜盒的内腔时，在流体压力作用下，膜盒硬中心产生弹力作用下，膜盒硬中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器的电刷在电阻柄轴带动电位器的电刷在
38、电阻体上滑动，输出与被测压力成体上滑动，输出与被测压力成正比的电压信号。正比的电压信号。返回本章目录返回本章目录应用举例应用举例 原理：原理：热电阻效应热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。的物理现象称为热电阻效应。定义：定义：热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。的传感器。2.3 2.3 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 作用：作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。（-200-200+960+960）分类：分类：按热电阻的性质分
39、按热电阻的性质分 金属热电阻金属热电阻热电阻热电阻 半导体热电阻半导体热电阻热敏电阻热敏电阻一、热电阻一、热电阻1 1热电阻的工作原理热电阻的工作原理 金属的电阻值随温度的升高而增加，即电阻温度金属的电阻值随温度的升高而增加，即电阻温度系数为系数为正正。右图为金属的热电右图为金属的热电阻阻温度特性曲线温度特性曲线实验证明：大多数金属在温度每升高实验证明：大多数金属在温度每升高11时其电阻值要增时其电阻值要增 0.40.40.6%0.6%。在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金属导电是由于金属中的属导电是由于金属中的自由电子定向运动自由电子定向运动导
40、致的。导致的。对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电子子数目基本不变数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），（当温度变化范围不是很大时），但但每个自由电子的每个自由电子的动能动能将增加将增加，因而在一定的电场，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，遇到更大的阻力，宏观上表现出宏观上表现出电阻率变大电阻率变大，电阻，电阻值增加，值增加，因而金属电阻值随温度的升高而增加。因而金属电阻值随温度的升高而增加。取一只取一只 100W/220V 100W/220V 灯泡，用万用
41、表测量其电阻值，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，而计算得到的可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额额定热态电阻值应为定热态电阻值应为484484 。2 2测量电路测量电路 热电阻的测量电路通常采用热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥不平衡电桥来来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种。用两线制和三线制两种。1 1）热电阻）热电阻两线两线测量桥路测量桥路 11电阻体电阻体 22引出线引出线 33显示表显示表当导线温度变化时，将当导线温度变化时，将产生附加电阻，引起测产生附加电阻，引起测量误差。量误差。2
42、2）热电阻）热电阻三线三线测量桥路测量桥路11电阻体电阻体 22引出线引出线 33显示表显示表 当热电阻阻值当热电阻阻值较小时，常采用三较小时，常采用三线制接法，可以消线制接法，可以消除和减少除和减少引线电阻引线电阻的影响。的影响。两条引线接于两条引线接于相邻相邻的两臂上，由的两臂上，由于附加电阻引起的于附加电阻引起的电阻变化是相同的，电阻变化是相同的，根据电桥的特性，根据电桥的特性，电桥的输出将互相电桥的输出将互相抵消。抵消。3 3热电阻材料及其结构热电阻材料及其结构1 1）热电阻材料）热电阻材料易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。制作
43、热电阻的电阻体材料应具有的特点：制作热电阻的电阻体材料应具有的特点：电阻温度系数大电阻温度系数大，以便提高热电阻的灵敏度以便提高热电阻的灵敏度。电阻率电阻率尽可能大尽可能大，以便在相同灵敏度下，以便在相同灵敏度下减小电阻减小电阻体尺寸。体尺寸。其其化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定。材料的提纯、可延、自制等材料的提纯、可延、自制等工艺性好工艺性好。根据上述特点，较为广泛应用的热电阻材料有：铂、铜、根据上述特点，较为广泛应用的热电阻材料有：铂、铜、镍、铁、和铑铁合金等，而常用的是镍、铁、和铑铁合金等，而常用的是铂铂、铜铜。2 2）热电阻的结构）热电阻的结构组成：组成：热电阻由热电阻由电阻体电阻
44、体1212、引出线引出线1111、绝缘套管绝缘套管1010和和接线盒接线盒7 7等部件组成，等部件组成，其中，其中，电阻体电阻体是热电阻的最主要是热电阻的最主要部件。部件。分类：分类：金属热电阻按照结构类型分：金属热电阻按照结构类型分：普通型普通型 铠装型铠装型 薄模型薄模型普通工业普通工业用热电阻用热电阻薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 小型铂热电阻小型铂热电阻 防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 4 4常用的热电阻常用的热电阻1 1）铂热电阻）铂热电阻铂：铂：p pt t，通称白金。，通称白金。优点优点：物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强；：物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强；易
45、于提纯，复制性好，电阻率较高。易于提纯，复制性好，电阻率较高。缺点缺点：电阻温度系数小；在还原介质中（特别是高：电阻温度系数小；在还原介质中（特别是高温下）工作时易被沾污变脆；价格较高。温下）工作时易被沾污变脆；价格较高。铂热电阻的阻值与温度间的关系铂热电阻的阻值与温度间的关系近似线性近似线性：-200-20000时时:R Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2 2+C(t-100)t+C(t-100)t3 3 0 0850850时时:R Rt t=R=R0 0(1+At+Bt(1+At+Bt2 2)A A、B B、C C温度系数温度系数 R Rt t温度为温度为tt时铂热电阻得
46、阻值；时铂热电阻得阻值；R R0 0温度为温度为00时铂热电阻得阻值。时铂热电阻得阻值。我国铂热电阻使用范围我国铂热电阻使用范围有：有：-200-200650650 测温误差：测温误差：t=t=(0.15+0.002(0.15+0.002t t)；-200-200850850 测温误差：测温误差：t=t=(0.3+0.005(0.3+0.005t t)。2 2）铜热电阻）铜热电阻 在一些测量精度不高且温度较低的场合一般采用在一些测量精度不高且温度较低的场合一般采用铜热电阻，可用它测量铜热电阻，可用它测量-50-50150150的温度，测温误的温度，测温误差为：差为：t=t=(0.3+0.006
47、(0.3+0.006t t)。在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系在上述使用温度范围内，阻值与温度的关系几乎几乎成线性关系成线性关系，即可近似表示为，即可近似表示为 R Rt t=R=R0 0(1+t)(1+t)式中式中电阻温度系数电阻温度系数,=(4.25 =(4.254.28)4.28)10103 3/优点优点：电阻温度系数比铂高；容易提纯，：电阻温度系数比铂高；容易提纯，加工性能好，价格便宜。加工性能好，价格便宜。缺点缺点：电阻率比铂低；易氧化，不宜在腐：电阻率比铂低；易氧化，不宜在腐蚀性介质或高温下工作。蚀性介质或高温下工作。学习查学习查“铂热电阻分度表铂热电阻分度表”附录附录 铂热
48、电阻分度表铂热电阻分度表 热电阻应用热电阻应用热电阻式流量计热电阻式流量计是根据物理学中关于介质内部是根据物理学中关于介质内部热传导热传导现象制成的。现象制成的。如果将温度为如果将温度为t tn n的热电阻放在温度为的热电阻放在温度为t tc c介质内，介质内，设热电阻与介质相接触的表面面积为设热电阻与介质相接触的表面面积为A A，则热电阻耗散的热量则热电阻耗散的热量Q Q可表示为：可表示为：Q=KA(tQ=KA(tn n-t-tc c)K K热传导系数热传导系数或称传热系数。或称传热系数。K K与介质的密度、粘度、平均流速等参数有关。与介质的密度、粘度、平均流速等参数有关。当其它参数为定值时
49、，当其它参数为定值时，K K仅与介质的仅与介质的平均流速平均流速成正比。即：成正比。即：VQ 上式说明：通过测量热电阻耗散的热量上式说明：通过测量热电阻耗散的热量Q Q即即可测量介质的平均流速。可测量介质的平均流速。R Rt1t1放在被测介质的放在被测介质的流通管道的中心，流通管道的中心，它所耗散的热量与它所耗散的热量与被测介质的平均流被测介质的平均流速成正比。速成正比。R Rt2t2放在放在温度与被测介质相温度与被测介质相同、但不受介质流同、但不受介质流速影响的连通室中速影响的连通室中,一旦电桥中一旦电桥中R Rt1t1阻值阻值变化电桥失去平衡变化电桥失去平衡检流计检流计P P有指示。有指示
50、。下图所示为热电阻流量计的电路原理图：下图所示为热电阻流量计的电路原理图：热敏电阻也是利用电阻值随温度变化而热敏电阻也是利用电阻值随温度变化而变化的特性制成的一种敏感元件。变化的特性制成的一种敏感元件。二、热敏电阻二、热敏电阻1 1热敏电阻的工作原理热敏电阻的工作原理 半导体中参加导电的是半导体中参加导电的是载流子载流子，所以，所以半导体半导体本身的电阻率比金属大得多。本身的电阻率比金属大得多。随温度的升高，参加导电的随温度的升高，参加导电的载流子数目增加载流子数目增加，半导体的电阻率降低，电阻值减小。半导体的电阻率降低，电阻值减小。即即半导体的电阻率随温度上升按指数规律下半导体的电阻率随温度
