檢測(cè)技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)第三專題

檢測(cè)技術(shù)與智能儀表設(shè)計(jì)第三專題2023/8/211第1頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(huì)產(chǎn)生機(jī)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路等組成。第2頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω。第3頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、應(yīng)變?cè)硌菔?/p>

金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。第4頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長(zhǎng)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(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。當(dāng)金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，

將變大，導(dǎo)致R變大。電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)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

第5頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微應(yīng)變(με)

對(duì)于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對(duì)半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率

會(huì)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(shí)，在工程中常表示為1

m/m或1微應(yīng)變(1με)。對(duì)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1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過(guò)材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致非線性或斷裂。

第6頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)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Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出

R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，可用于電子秤的稱重和測(cè)量拉力等。第7頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、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(jià)格便宜，多用于大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過(guò)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(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)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。第8頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)第9頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高；缺點(diǎn)是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時(shí)，需采用半橋、全橋溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。

第10頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月箔式應(yīng)變片的外形第11頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

第12頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)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(cè)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=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2

。

所以必須使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量，將

R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

第13頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么要使用不平衡電橋

把對(duì)某物理量的電阻敏感材料加工成傳感器，作為電橋中的某一臂電阻，或某幾個(gè)臂電阻，通過(guò)電橋的失衡程度（橋路電流或電壓）來(lái)判斷該物理量的大小。如果直接測(cè)應(yīng)變片電阻的改變，可能很困難。因?yàn)闇y(cè)量一個(gè)在很大的基值上附加的一個(gè)很小的信號(hào)是很困難的。利用電橋可以把這個(gè)信號(hào)的基值去掉，變成了一個(gè)在零值附近的信號(hào)，并且可以通放大電路來(lái)增大靈敏度。第14頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月什么是電橋

不平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)(b、d)之間的電壓差作為輸出電壓端Uo

。b、d的對(duì)地電壓相等時(shí)稱作“電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。

電橋平衡的條件是：上下橋臂的左右位置電阻比例相等。第15頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

由電工學(xué)可知：若橋路4個(gè)橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相反，橋路的輸出電壓反而相互疊加。第16頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電橋平衡的條件：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(guò)程稱為調(diào)零。圖中的R5的作用是什么？又稱為

電阻？

第17頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單臂電橋單臂半橋的靈敏度最低。計(jì)算公式第18頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙臂電橋

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(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。第19頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四臂全橋

全橋的四個(gè)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

1~

4）正負(fù)號(hào)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?

第20頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)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?。徽?qǐng)說(shuō)出半橋克服溫漂的原理！采用全橋（或雙臂半橋）能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。第21頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、應(yīng)變效應(yīng)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；

第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)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(cè)試件的應(yīng)變量。

第22頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF第23頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種懸臂梁

第24頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜第25頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形第26頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)。第27頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡測(cè)量裝貨量或判斷超載第28頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）第29頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示第30頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一第31頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月人體秤

怎樣改造，才能適合盲人使用？第32頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月吊鉤秤

便攜式如何將信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)中？第33頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電子秤中的各類彈性元件

第34頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試

第35頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月材料應(yīng)變的測(cè)量（續(xù)）預(yù)應(yīng)力管樁的質(zhì)量檢驗(yàn)：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36頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅?/p>

一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)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(shì)相同。測(cè)溫?zé)犭娮杩煞譃榻饘俸桶雽?dǎo)體兩大類。第37頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲電阻隨溫度增高而變大的演示

我們先來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)我們用力拉電阻絲時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度略有增加，直徑略有減小，從而導(dǎo)致電阻值R變大。在我們這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00Ω增大到10.05Ω，如圖2-4所示。第38頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

請(qǐng)?zhí)暨x適合于制作熱電阻的金屬材料第39頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月金屬熱電阻材料的主要技術(shù)性能

第40頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月薄膜式及裝配式鉑熱電阻

第41頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小型鉑熱電阻

第42頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻第43頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”請(qǐng)判斷鉑熱電阻是否線性第44頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鉑電阻溫度顯示、變送器上下限設(shè)定鍵上限下限上上限下下限測(cè)量值第45頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月可設(shè)定溫度的溫度控制箱

旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開(kāi)關(guān)撥碼式設(shè)定開(kāi)關(guān)第46頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1－連接電纜二線制單臂電橋測(cè)量電路2023/8/2147第47頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路二線制電橋測(cè)量電路的缺點(diǎn)：（1）引線的電阻將使原來(lái)已調(diào)好平衡的電橋失去了平衡，需重新調(diào)零。（2）在測(cè)量過(guò)程中，氣溫升高時(shí)，引線電纜受環(huán)境溫度影響，銅質(zhì)電纜線的電阻與熱電阻一樣，阻值也會(huì)升高，疊加在Rt的變化上，引起測(cè)量誤差，且無(wú)法糾正。2023/8/2148第48頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四線制電橋測(cè)量電路的缺點(diǎn)：由于輸出電壓是直接從Rt兩端引出的，所以激勵(lì)電流Ii在r1a、r1b上的壓降就不被包括到Uo中，因此可以克服引線電阻的影響。四線制測(cè)量電路的缺點(diǎn)是：A/D轉(zhuǎn)換器得到的電壓中，本底電壓Uo0所占比例較大，而反映溫度變化的ΔUo相對(duì)較小，降低了系統(tǒng)的分辨力。3－恒流源2023/8/2149第49頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路三線制單臂電橋測(cè)量電路2－屏蔽層RP1－調(diào)零電位器RP2－調(diào)滿度電位器2023/8/2150第50頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、熱敏電阻

熱敏電阻有負(fù)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(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此可用于測(cè)量溫度：第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降，可用于控制溫度。第51頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)

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(hào)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

第52頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(diǎn)時(shí)，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(jī)中的加熱元件。恒溫加熱PTC熱敏電阻第53頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月下圖所示的四根曲線分別為哪一種熱敏電阻？第54頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第55頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻第56頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第57頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻第58頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

MF58型（珠形）高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻MF5A-3型熱敏電阻（參考深圳科蓬達(dá)電子有限公司資料）第59頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非標(biāo)熱敏電阻第60頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）

第61頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月非標(biāo)熱敏電阻（續(xù)）

第62頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻溫度面板表

熱敏電阻

LCD第63頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻體溫表

第64頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻用于CPU的溫度測(cè)量

（參考小熊在線公司資料）第65頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

第66頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)濕敏電阻傳感器

許多儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)在濕度超過(guò)某一程度時(shí)，物品易發(fā)生變質(zhì)或霉變現(xiàn)象；居室的濕度希望適中；而紡織廠要求車間的相對(duì)濕度保持在60%～70%；在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)和控制。濕度有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度之分。在這一節(jié)里，卡卡給大家介紹測(cè)量相對(duì)濕度的濕敏電阻傳感器特性及其應(yīng)用。2023/8/2167第67頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕對(duì)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(duì)濕度（RH％）：是大氣中實(shí)有水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水汽壓的百分比，是日常生活中常用來(lái)表示濕度大小的方法。當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)，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。

2023/8/2168第68頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濕度傳感器的分類

2023/8/2169第69頁(yè)，課件