2 电阻传感器（1）（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（机工版）

2.1 电阻应变传感器 2.2 测温热电阻传感器 2.3 气敏电阻传感器 2.4 湿敏电阻传感器 2.5 工程项目设计实例 第二章 电阻传感器 提纲 内容 1 >把位移、力、压力、加速度、扭矩、温度、湿度、 气体成分等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。 >主要包括主要有电阻应变传感器、测温热电阻传感 器、气敏电阻传感器、湿敏电阻传感器等等。 >电阻传感器与测量电路组成的测力、测压、称重、 测位移、加速度、扭矩等测量仪表，是冶金、电力、 交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自 动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少 的工具之一。 图4 图3 图1 图2 电阻传感器 什么是电阻传感器？ 测温热电阻传感器 气敏电阻传感器 湿敏电阻传感器 电阻应变传感器 2 应变效应 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。 。 电阻传感器 金属丝受拉时， l 变长、 r 变小，导致R变大 。 2.1 电阻应变传感器 1－引出线 2－覆盖层 3－基底 4－电阻丝 应变片具有体积小、价格便宜、准确度高、频率响应好等优点， 电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元件及测量转换电桥 电路等组成。 4 广泛应用于应变、应力、力、重量、扭矩等非电量测量中。 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 当沿金属丝的长度方向受到均匀拉力（或压力）时 ，上式中p、r、l都将发生变化 ， 改变量分别为∆p、 ∆ r、 ∆ l ，从而导致电阻值R发生变化。则电阻相对变化量为 金属丝受拉后的电阻变化 设有一长度为l、截面积为A、半径为r、 电阻率为p 的金属单丝 ，其电 = (1+ 2μ+ )εx = K0εx ΔR = Δl - 2 Δr + Δp R l r p 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 Δl l = εx Δr r = εy 阻值R可表示为 ΔR R 。 εy = -μεx 半导体受拉后的电阻变化 某些片状半导体受拉或受压时 ，压阻系数(Δp/p)/εx有较大的变化, 导致半 导体的电阻R变大或变小,称为压阻效应。其电阻相对变化量为： 由材料力学可知 ，电阻相对变化量也可表示为： 如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A及弹性模量E已知 ，则只要设法 ~ πσ = πEεx = Ksεx ΔR R 测出电阻相对变化量ΔR/R的数值 ，我们就可以得到试件受力F的大小。 电阻传感器 ΔR K F R = AE ΔR R = Kεx Ks = πE = 50 100 , σ为应力 ，E为弹性模量。 2.1 电阻应变传感器 。 式中 ， 应变片的分类 应变片可分为金属应变片和半导体应变片两大类。前者可分成金属丝 式、金属箔式、金属薄膜式等。 a）金属丝式 b）金属箔式 c）金属箔式外形 d）半导体应变片 1－电阻丝 2－金属箔 3－半导体 4－基片 5－引脚 6－定位标记 7－金丝 7 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 类型 材料 工艺 特点 用途 金属丝式 锰白铜丝 /镍铬丝 夹在基底中间 价格便宜， 但是蠕变大、 易脱落 要求不高的 应变、 一次 性实验 金属箔式 铜镍合金 /锰白铜 光刻、 腐蚀 蠕变小、散热 条件好、 一致 性好，但是灵 敏系数低且滞 后 大批量生产、 用途广泛 金属薄膜式 金属/合金 蒸镀、溅射 电阻值较高、 结构散热条 件好 适合工业批 量生产 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 金属应变片类型及对比 。 半导体应变片 以N型和P型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工 艺制成的。 优点：灵敏度比金属应变片高很多。 缺点：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。 9 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 测量转换电路——非平衡电桥 微差法测量 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。 所以必须使用非平衡电桥来测量这一微小的变化量， 将ΔR/R转换为输出电压Uo。 用电桥可以把被测量的本底去掉，转换成一个在零值 附近变化的毫伏级的输出电压，这样就可以通过“电桥放 大电路”来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏数量 级的有效输出信号,然后接到A/D转换器。 电阻传感器 2.1 电阻应变传感器 10 差作为输出电压Uo端。 b、d点对负