41電阻式傳感器課件

電子信息與自動(dòng)化學(xué)院賀曉蓉電氣測(cè)試技術(shù)電氣測(cè)試技術(shù)7/22/202314.1電阻式傳感器

被測(cè)量?→電阻?

輸出

電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，主要應(yīng)用于測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等檢測(cè)系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、氣敏式。測(cè)量電路電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,傳感器7/22/20232

是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件。4.1.1變阻器式傳感器（電位器式傳感器）傳感器7/22/202331.工作原理當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，通過電刷觸點(diǎn)在電阻元件上產(chǎn)生移動(dòng)，該觸點(diǎn)與電阻元件間的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，即可實(shí)現(xiàn)位移(被測(cè)量)與電阻之間的線性轉(zhuǎn)換。1)線性電位器

傳感器7/22/202342)非線性電位器輸入量位移和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線性變化，可以實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)，常用的非線性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式等四種。變骨架式非線性電位器

傳感器7/22/202352.變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)形式傳感器電位器式傳感器分類滑線式半導(dǎo)體式骨架式分段電阻式液體觸點(diǎn)式7/22/202363.變阻器式傳感器產(chǎn)品傳感器7/22/20237傳感器7/22/20238案例1：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備

比較重量設(shè)定原材料原理：彈簧->力->位移

->電位器->電阻4.變阻器式傳感器應(yīng)用傳感器7/22/20239案例2：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)煤氣包鋼絲原理：鋼絲->收線圈數(shù)

->電位器

->電阻傳感器7/22/202310案例3：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）傳感器7/22/202311傳感器7/22/202312原理：電機(jī)->轉(zhuǎn)角

->電位器

->電阻傳感器7/22/202313案例4：數(shù)字位移測(cè)量?jī)x7/22/2023144.1.2電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化。傳感器7/22/202315絲式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片

金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式和箔式兩種。絲式金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵由直徑為0.01mm～0.05mm的電阻絲平行排列而成。箔式金屬電阻應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般為0.003mm~0.01mm，可制成各種形狀的敏感柵(如應(yīng)變花)，其優(yōu)點(diǎn)是表面積和截面積之比大，散熱性能好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產(chǎn)。傳感器7/22/2023161.應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

傳感器7/22/2023172.工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線和半導(dǎo)體的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長(zhǎng)度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。傳感器對(duì)半導(dǎo)體的某一軸向施加一定的載荷產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化。7/22/2023187/22/202319S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何變形引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)

傳感器相對(duì)變化率7/22/202320<1>金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計(jì)<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)傳感器7/22/2023213.金屬應(yīng)變片金屬應(yīng)變片有:

1）絲式

2）箔式

3）薄膜式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.傳感器7/22/2023221）絲式應(yīng)變片它是將金屬絲按圖示形狀彎曲后用粘合劑貼在襯底上而成，基底可分為紙基，膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只要將應(yīng)變片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低，強(qiáng)度高，但允許通過的電流較小，測(cè)量精度較低，適用于測(cè)量要求不很高的場(chǎng)合使用。2）箔式應(yīng)變片該類應(yīng)變片的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.003-0.01mm之間，箔式應(yīng)變片與絲式應(yīng)變片比較其面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可繞性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。3）金屬薄膜應(yīng)變片它是采用真空蒸鍍或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法，在薄的基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成應(yīng)變片。這種應(yīng)變片有較高的靈敏度系數(shù)，允許電流密度大，工作溫度范圍較廣。傳感器7/22/2023234.半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)體型半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。對(duì)一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件，可測(cè)微小應(yīng)變。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。傳感器7/22/2023241）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片

這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片。2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片

利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成。3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片

將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。薄膜型擴(kuò)散型傳感器7/22/2023255.電阻應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路由于電阻應(yīng)變片工作時(shí)其電阻變化很微小，例如，一片、初始電阻120Ω的應(yīng)變片，受1333微應(yīng)變（約2噸重的力）時(shí)，其電阻變化僅0.36Ω。測(cè)量電路的任務(wù)是把微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，因此常用直流電橋和交流電橋作為測(cè)量電路。目前應(yīng)變片電橋大都采用交流電橋，但由于直流電橋比較簡(jiǎn)單，交流電橋原理與它相似，所以以直流電橋作分析,如圖所示。

7/22/202326為了使測(cè)量前的輸出為零，應(yīng)使：此時(shí)，當(dāng)每橋臂電阻的變化遠(yuǎn)小于本身值，即，且負(fù)載電阻為無窮大時(shí)，輸出電壓可近似為：產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)變片不能接在相鄰的橋臂，否則橋路輸出電壓恒等于零。1）電橋測(cè)量電路的分析7/22/2023272）電橋的零位調(diào)整由于制造工藝的原因應(yīng)變傳感器在不受載荷時(shí)，其輸出電壓不為零，因此使用前必須調(diào)零。圖4-16直流電橋調(diào)零電路a）串聯(lián)調(diào)零

b）并聯(lián)調(diào)零

直流電橋調(diào)零7/22/202328

圖4-11的橋式測(cè)量電路用交流供橋電壓，以復(fù)阻抗分別代替圖中的，即成為交流電橋。交流電橋的分析與直流電橋相似。直流電橋僅需電阻平衡，而交流電橋除了電阻平衡外，還必須滿足相位平衡，即必須滿足阻抗平衡：由此可見，交流電橋欲達(dá)到零點(diǎn)平衡，必須有電阻和電容調(diào)零裝置，見圖4-17。

圖4-17交流電橋調(diào)零交流電橋調(diào)零7/22/2023296.應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用傳感器案例1：電阻應(yīng)變片測(cè)量橋梁固有頻率橋梁固有頻率測(cè)量可用來判斷橋梁結(jié)構(gòu)安全狀況，對(duì)重要橋梁通常每年進(jìn)行一次測(cè)量。當(dāng)橋梁固有頻率發(fā)生變化時(shí)，說明橋梁結(jié)構(gòu)有變化，應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)的結(jié)構(gòu)安全檢查。7/22/202330橋梁固有頻率測(cè)量可采用在橋梁中部的橋身上粘貼應(yīng)變片，形成半橋或全橋的測(cè)量電路，如下圖所示。然后用載重20噸、30噸、....的卡車以每小時(shí)40公里、80公里的速度通過大橋。在橋梁中部的橋面上設(shè)置一個(gè)三角枕木障礙，當(dāng)前進(jìn)中的汽車遇到障礙時(shí)對(duì)橋梁形成一個(gè)沖擊力，激起橋梁的脈沖響應(yīng)振動(dòng)。用應(yīng)變片測(cè)量振動(dòng)引起的橋身應(yīng)變，從應(yīng)變信號(hào)中就可以分析出橋梁的固有頻率。7/22/2023317/22/202332案例2：稱重原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。傳感器磅秤超市打印秤7/22/2023337/22/202334GX-1型懸臂梁稱重傳感器

GX-1型懸臂梁稱重傳感器結(jié)構(gòu)尺寸

懸臂梁式傳感器是一種高精度、抗偏、抗側(cè)性能優(yōu)越的稱重測(cè)力傳感器。采用彈性梁及電阻應(yīng)變片作敏感轉(zhuǎn)換元件，組成全橋電路。當(dāng)垂直正壓力或拉力作用在彈性梁上時(shí)，電阻應(yīng)變片隨金屬彈性梁一起變形，其應(yīng)變使電阻應(yīng)變片的阻值變化，因而應(yīng)變電橋輸出與拉力(或壓力)成正比的電壓信號(hào)。配以相應(yīng)的應(yīng)變儀，數(shù)字電壓表或其他二次儀表，即可顯示或記錄重量(或力)。傳感器7/22/202335各種懸臂梁

7/22/202336各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜7/22/202337電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一7/22/202338人體秤

7/22/202339吊鉤秤

便攜式7/22/202340汽車衡稱重系統(tǒng)7/22/202341汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）7/22/202342液罐稱7/22/202343案例3：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)傳感器7/22/202344案例4：振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器

適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。傳感器7/22/202345加速度計(jì)

應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。其基本工作原理是基于牛頓定律，即物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，即a=F/m。測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上。振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)中的彈簧，在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。

案例5：應(yīng)變式加速度傳感器傳感器7/22/202346圖：電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖中1是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊2，另一端固定在殼體3上。等強(qiáng)度梁上粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件4。為了調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內(nèi)充滿硅油。測(cè)量時(shí)，將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。傳感器7/22/202347加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用加速度傳感器安裝在轎車上，可以作為碰撞傳感器。當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，微處理器據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，于是就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。

裝有傳感器的假人氣囊7/22/202348汽車氣囊的保護(hù)作用使用加速度傳感器可以在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，經(jīng)控制系統(tǒng)使氣囊迅速充氣。7/22/202349汽車氣囊對(duì)駕駛員的保護(hù)作用7/22/202350利用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)延時(shí)起爆的鉆地炸彈傳感器安裝位置7/22/202351案例6：位移傳感器（動(dòng)畫）當(dāng)被測(cè)物體產(chǎn)生位移時(shí)，懸臂梁隨之產(chǎn)生于位移相等的撓度，因而應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。在小撓度情況下，撓度與應(yīng)變情況成正比。將應(yīng)變片接入橋路，輸出與位移成正比的電壓信號(hào)。7/22/202352壓力傳感器

案例7：測(cè)構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)力或應(yīng)變。例如，為了研究或驗(yàn)證機(jī)械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用形狀不同的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的預(yù)測(cè)部位，可測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力、扭矩或彎矩等。7/22/202353質(zhì)量傳感器

舉例：全自動(dòng)洗衣機(jī)傳感器7/22/202354傳感器案例8：測(cè)扭矩7/22/202355應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。7/22/2023567/22/202357補(bǔ)充：其他電阻傳感器

1.熱電阻傳感器

利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。（后面章節(jié)介紹）

溫度(熱量)的變化電阻的變化溫度檢測(cè)

:-200℃～+500℃7/22/2023582.熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號(hào)熱敏電阻是一種利用半導(dǎo)體制成的敏感元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。（后面章節(jié)介紹）7/22/2023593.壓敏電阻固態(tài)壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的新型傳感器。它具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好、工作溫度范圍寬、體積小和便于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。由于它克服了半導(dǎo)體應(yīng)變片存在的問題并能將電阻條、補(bǔ)償線路、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路集成在一塊硅片上，甚至將計(jì)算處理電路與傳感器集成在一起，制成了智能型傳感器，這是一種具有發(fā)展前途的傳感器。1）

壓敏電阻的工作原理

單晶硅材料在受到力的作用后，其電阻率將隨作用力而變化，這種物理現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。實(shí)際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)是可逆的，即在應(yīng)力作用下硅的電阻發(fā)生變化，而當(dāng)應(yīng)力除去時(shí)，硅的電阻又恢復(fù)到原來的數(shù)值。7/22/2023602）壓敏電阻的應(yīng)用由于壓敏電阻具有頻率響應(yīng)高、體積小、精度高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，所以它在航空、航海、石油、化工、動(dòng)力機(jī)械、兵器工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，可用于測(cè)量冷凍機(jī)、空調(diào)機(jī)、空氣壓縮機(jī)的壓力和氣流流速，以監(jiān)測(cè)機(jī)器的工作狀態(tài)。在航空工業(yè)上，用來測(cè)量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的中心壓力。在進(jìn)行飛機(jī)風(fēng)洞模型溯中，可以采用微型壓阻式傳感器安裝在模型上，以取得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在兵器工業(yè)上，測(cè)量槍炮膛內(nèi)的壓力，也可對(duì)爆炸壓力及沖擊波進(jìn)行測(cè)量。還廣泛用于醫(yī)療事業(yè)中，目前已有各種微型傳感器用來測(cè)量心血管、顱內(nèi)、尿道、眼球內(nèi)的壓力。隨著微電子技術(shù)以及電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，固態(tài)壓阻式傳感器的應(yīng)用將會(huì)越采越廣泛。7/22/202361固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔。一個(gè)是和被測(cè)壓力相連接的高壓腔，另一個(gè)是低壓腔，通常和大氣相通。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片上各點(diǎn)存在應(yīng)力。膜片上的四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。案例1用于壓力測(cè)量7/22/202362壓阻式加速度傳感器，它采用硅懸臂梁結(jié)構(gòu)。在硅懸臂梁的自由端裝有敏感質(zhì)量塊，在梁的根部，擴(kuò)散四個(gè)性能一致的電阻。當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時(shí)，將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，使懸臂梁受到彎矩作用，產(chǎn)生應(yīng)力。這時(shí)硅梁上四個(gè)電阻條的阻值發(fā)生變化，使電橋產(chǎn)生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。案例2用于加速度檢測(cè)7/22/202363煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器4.氣敏電阻在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。（后面章節(jié)介紹）7/22/20