《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件-項(xiàng)目二 電阻式傳感器及應(yīng)用

項(xiàng)目二電阻式傳感器及應(yīng)用知識(shí)目標(biāo)

了解應(yīng)變式力、壓力和加速度傳感器的組成與工作原理；掌握電阻應(yīng)變片的工作特性、參數(shù)及溫度誤差補(bǔ)償方法；了解普通工業(yè)用熱電阻式傳感器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)；掌握常用熱電阻的工作原理、種類、特點(diǎn)和測(cè)溫范圍；了解負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的主要參數(shù)；掌握熱敏電阻三種類型的特點(diǎn)及各自的適用范圍。技能目標(biāo)

根據(jù)不同待測(cè)信號(hào)的特性，靈活選擇測(cè)量方案；熟練掌握熱電阻式流量計(jì)的工作原理；電阻應(yīng)變儀的組成和使用方法；多功能氣體-濕度傳感器的應(yīng)用。任務(wù)一電阻應(yīng)變傳感器

電阻應(yīng)變傳感器是將被測(cè)量(如力、應(yīng)變、位移、溫度、濕度等)通過(guò)它所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件。它是由電阻應(yīng)變片和測(cè)量線路兩部分組成。目前應(yīng)用最廣的電阻應(yīng)變片有兩種：電阻絲應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。

知識(shí)準(zhǔn)備1．電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和材料1）電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖2-1電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-引出線2-覆蓋層3-基片4-電阻絲式敏感柵圖2-2電阻應(yīng)變片1-電阻絲2-金屬箔3-半導(dǎo)體4-基片常見(jiàn)的金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵：（1）絲式電阻應(yīng)變片

特點(diǎn)：價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性低精度試驗(yàn)。（2）箔式電阻應(yīng)變片

特點(diǎn)：敏感柵的表面積和應(yīng)變片的使用面積比值大、散熱好、允許通過(guò)的電流密度大、靈敏度高、工藝性好、可制成任意形狀、易加工、適合于成批生產(chǎn)和成本低待。

（3）半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：是靈敏度高（比絲式、箔式在幾十倍）、橫向效應(yīng)小；缺點(diǎn)：是靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間不成線性，在使用時(shí)，需采用非線性和溫度補(bǔ)償措施。

常用應(yīng)變片的形式2）電阻應(yīng)變片敏感柵的材料箔式應(yīng)變片常采用康銅、鎳鉻合金等，半導(dǎo)體應(yīng)變片常采用鍺和硅等半導(dǎo)體材料作為敏感柵。對(duì)電阻應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求：①靈敏系數(shù)K0值大，并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)α小；

③電阻率ρ大；④機(jī)械強(qiáng)度高，且易于拉絲或輾薄；⑤與銅線的焊接性好，與其他金屬的熱電動(dòng)勢(shì)小。3）電阻應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片是通過(guò)粘貼劑粘到試件上的。

（1）粘貼劑

（2）應(yīng)變片粘貼工藝

2．電阻應(yīng)變片的工作原理及主要參數(shù)1）電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變效應(yīng)

：

導(dǎo)體材料的電阻和它的電阻率、幾何尺寸（長(zhǎng)度與截面積）有關(guān)，在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形，引起該導(dǎo)電材料的電阻值發(fā)生變化。

電阻應(yīng)變片的工作原理，就是依據(jù)應(yīng)變效應(yīng)構(gòu)建出導(dǎo)體的電阻變化與變形之間的量值關(guān)系，即求取電阻應(yīng)變片的應(yīng)變靈敏度的數(shù)學(xué)表達(dá)式。設(shè)有一根電阻絲，如圖2-3所示。它在未受力時(shí)的原始阻值為R可用下式表示：圖2-3電阻絲拉伸前后的幾何尺寸a)長(zhǎng)度b)截面積

如果沿整條電阻絲長(zhǎng)度作用外力F，由于l,ρ,A變化引起電阻R的變化，對(duì)（2-1）式全微分可得用相對(duì)變化量表示，得：或?qū)τ谥睆綖閞的圓形截面的電阻絲，式中

—軸向（縱向）應(yīng)變，

—徑向應(yīng)變，

—電阻率相對(duì)變化量；—電阻相對(duì)變化量。

εy與εx關(guān)系可表示為εy=-μεx，μ電阻絲材料的泊松比，即橫向收縮和縱向伸長(zhǎng)之比，即

將εy、εx、μ代入式（2-2）中可得應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式K0為單絲應(yīng)變靈敏系數(shù)，即K0受兩個(gè)因素的影響：一、（1+2μ），它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)它是常數(shù)；二、它是由電阻絲的電阻率，ρ隨應(yīng)變的

改變所引起的，對(duì)于多數(shù)電阻絲來(lái)說(shuō)，其值也是常數(shù)，往往很小可以忽略。對(duì)于大多數(shù)金屬材料，泊松比μ=0.3—0.5，所以K0值在1.6—2之間。金屬單絲的靈敏度K0與相同材料制成的應(yīng)變片的靈敏度K稍有不同。K由實(shí)驗(yàn)求得，實(shí)驗(yàn)表明K＜K0。

同樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，電阻應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化ΔR/R與εx的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是呈線性關(guān)系，

2）電阻應(yīng)變片的主要參數(shù)應(yīng)變片的主要參數(shù)包括幾何尺寸、電阻值和允許電流等。（1）幾何尺寸應(yīng)變片的幾何尺寸有敏感柵的基長(zhǎng)和基寬及應(yīng)變片的基底長(zhǎng)和基底寬。

（2）初始電阻R0

應(yīng)變片初始電阻R0，指應(yīng)變片未粘貼時(shí)在室溫下測(cè)得的靜態(tài)電阻值，常見(jiàn)的有60、120、350、600、1000Ω等類型，其中最常用的是R0=120Ω的應(yīng)變片。（3）允許工作電流應(yīng)變片的允許工作電流又稱為最大工作電流，是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值。

其選擇原則為：靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取出25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可高一些，箔式應(yīng)變片更大些；對(duì)于易導(dǎo)熱的被測(cè)構(gòu)件，也可選得大一些；對(duì)于不易導(dǎo)熱的被測(cè)構(gòu)件，如塑料、玻璃、陶瓷等要取得小些。3．電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路常采用各種電橋電路

常規(guī)的電阻應(yīng)變片K值很?。↘≈2）。機(jī)械應(yīng)變一般在范圍內(nèi)，故電阻應(yīng)變片的電阻變化（）范圍為，為了能用電測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量，還須將進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。這種轉(zhuǎn)換常采用各種電橋電路。根據(jù)電源的不同，可將電橋分為直流電橋和交流電橋。

四個(gè)橋臂均為純電阻時(shí)，用直流電橋測(cè)量精確度高；若有的橋臂為阻抗，必須用交流電橋。電橋按讀數(shù)方法可分為平衡電橋（零讀法）與不平衡電橋（偏差法）兩種。平衡電橋僅適合于測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而不平衡電橋?qū)o、動(dòng)態(tài)參數(shù)都可測(cè)量。

電阻應(yīng)變式電橋大都采用交流電橋，理由有二：①應(yīng)變電橋輸出極弱，需要加放大器，而直流放大器易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，故多采用交流放大器；②由于應(yīng)變片與橋路采用電纜連接，當(dāng)引線分布電容的影響不能忽略時(shí)，也需采用交流電橋。

直流電橋：直流電橋平衡條件當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為：

直流電橋電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0，則有：

R1R4=R2R3或

電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。交流電橋：引入原因：由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。由于供橋電源為交流電源，引線分布電容使得二橋臂應(yīng)變片呈現(xiàn)復(fù)阻抗特性，即相當(dāng)于兩只應(yīng)變片各并聯(lián)了一個(gè)電容。交流電橋每一橋臂上復(fù)阻抗分別為交流電橋輸出：電橋平衡條件：Uo=0，即Z1Z4=Z2Z3

整理可得變形為：

交流電橋的平衡條件（實(shí)部、虛部分別相等）：交流電橋平衡調(diào)節(jié)1）直流不平衡電橋的工作原理

不平衡電橋

一般電橋：輸出電壓U0可用U14和U24之差表示：為了使測(cè)量前的輸出為零，即所謂“電橋平衡”，應(yīng)使：R1R4=R2R3

。在滿足該條件時(shí)，當(dāng)每橋臂電阻變化遠(yuǎn)小于本身值，即

橋負(fù)載電阻無(wú)限大時(shí)，輸出電壓可近似用下式表示：

實(shí)際上，分以下三種情況：（1）對(duì)稱情況（對(duì)于電源U，左右對(duì)稱），R1=R2，R3=R4。

（2）非對(duì)稱情況，R1=R4，R2=R3。如令R2/R1=R3/R4=α，

則：如R1、R4為應(yīng)變片，則。（3）全等情況，

R1=R2=R3=R4。如四臂都是應(yīng)變片（一般稱為“全橋”），則將，代入式（2-10），得：

傳感器電路多用全橋式以增加靈敏度。在使用上面公式時(shí)，應(yīng)注意電阻變化和應(yīng)變值的符號(hào)。如果是壓應(yīng)變用負(fù)的應(yīng)變值代入；拉應(yīng)變則用正的應(yīng)變值代入。2）電橋的非線性誤差及排除方法非線性誤差

電橋的非線性是指電橋的輸出電壓不與應(yīng)變片的應(yīng)變成正比。精確的公式為：

當(dāng)電阻應(yīng)變較小時(shí)，η值接近于零，可以忽略不計(jì)。對(duì)于常規(guī)應(yīng)片，因靈敏系數(shù)K較小，故即使應(yīng)變相當(dāng)大時(shí)，非線性也是很小的，通?？梢院雎圆挥?jì)。在使用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)量較大的應(yīng)變時(shí)，非線性往往大到不能忽略的程度，需要對(duì)測(cè)量值進(jìn)行

（2）消除非線性誤差的方法

常用的方法是采用差動(dòng)電橋修正，或在電路上采取線性補(bǔ)償措施。

差動(dòng)電橋

設(shè)初始時(shí)R1

=R2

=R3

=R4，，，則為了能提高電橋靈敏度或能進(jìn)行溫度補(bǔ)償，通常可在橋臂中安置多個(gè)應(yīng)變片。電橋也可采用四等臂電橋，如圖（2-4c）所示的全差動(dòng)電橋。

全差動(dòng)電橋

設(shè)初始時(shí)R1=R2

=R3

=R4，若忽略高階微小量，可得

在實(shí)際應(yīng)用中，除了應(yīng)變?chǔ)拍軐?dǎo)致應(yīng)變片電阻變化外，溫度變化也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化，將給測(cè)量帶來(lái)誤差，因此有必要對(duì)橋路進(jìn)入補(bǔ)償。補(bǔ)償措施有多種，而通常的溫度補(bǔ)償方法是電橋電路補(bǔ)償法。

圖2-5電橋補(bǔ)償a)電路原理圖b)安裝示意圖2.應(yīng)變片接法1)單臂接法2)半橋接法3)全橋接法任務(wù)實(shí)施1．應(yīng)變式力傳感器

被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器，又稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子秤與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件，也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試或水壩壩體承載狀況的監(jiān)視。力傳感器的彈性元件：柱式、筒式、環(huán)式、懸臂式等。

（a）柱式；（b）筒式；（c）圓柱面展開(kāi)圖；（d）橋路連線圖

應(yīng)用方法方法一：將電阻應(yīng)變片直接貼在被測(cè)點(diǎn)上，用專門的電阻應(yīng)變儀測(cè)出該點(diǎn)的應(yīng)變。方法二：將其貼在彈性元件上，彈性元件在被測(cè)物理量作用下變形應(yīng)變片作為傳感元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化。2．應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器主要用于液體、氣體動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力的測(cè)量，如內(nèi)燃機(jī)管道和動(dòng)力設(shè)備管道的進(jìn)氣口、出氣口氣體壓力或液體壓力的測(cè)量，以及噴口的壓力、槍管和炮管內(nèi)部壓力的測(cè)量。這類傳感器主要采用平膜式、筒式或組合式彈性元件。

圖2-7平膜式彈性元件a)應(yīng)力變化b)應(yīng)變片粘貼由圖可知，平膜式彈性元件承受壓力P時(shí)，其應(yīng)變變化曲線的特點(diǎn)為：當(dāng)x=0時(shí)，εrmax=εtmax；當(dāng)x=R時(shí)，εt=0，εr=-2εrmax。

根據(jù)以上特點(diǎn)，一般在平膜片的圓心處沿切向貼R1、R4兩個(gè)應(yīng)變片，在邊緣處沿徑向貼R2、R3兩個(gè)應(yīng)變，且要求R2、R3和R1、R4產(chǎn)生的應(yīng)變大小相等，極性相反，以便接成差動(dòng)全橋測(cè)量電路。3．應(yīng)變式加速度傳感器圖2-8所示為應(yīng)變式加速度傳感器原理。傳感器由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。

圖2-8應(yīng)變式加速度傳感器

1-應(yīng)變片2-懸壁梁3-質(zhì)量塊4-基座5-外殼

應(yīng)變式加速度傳感器測(cè)量原理：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。應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器感壓膜感受上面液體的壓力。當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。將其上兩個(gè)傳感器Rt的電橋接成正向串接的雙電橋電路，此時(shí)輸出電壓為：Uo=U1＋U2=(K1＋K2)hρg

結(jié)論：電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測(cè)量容器內(nèi)儲(chǔ)存的溶液重量。指套式電子血壓計(jì)

指套式電子血壓計(jì)是利用放在指套上的壓力傳感器，把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?hào)，由電子檢測(cè)電路處理后直接顯示出血壓值的一種微型測(cè)量血壓裝置。電子皮帶稱

皮帶稱使用兩個(gè)傳感器，一個(gè)測(cè)力傳感器，通過(guò)皮帶下方的稱架感受測(cè)量區(qū)間L的物料重量；另一個(gè)為測(cè)速傳感器，它和皮帶導(dǎo)輪同軸，當(dāng)皮帶傳動(dòng)時(shí)，通過(guò)導(dǎo)輪隨動(dòng)檢測(cè)皮帶的運(yùn)行速度。

電子皮帶稱在煤礦、水泥廠、礦山和糧倉(cāng)碼頭得到了普遍應(yīng)用。千斤頂荷重測(cè)試

裝置采用應(yīng)變式測(cè)力傳感器，傳感器被固定在四個(gè)支柱支撐的頂板上，千斤頂荷重輸出端和它相接觸，當(dāng)上下扳動(dòng)加壓杠桿時(shí)，在壓力的作用下，千斤頂活塞通過(guò)千斤頂輸出端不斷上升而舉起重物，此時(shí)傳感器將千斤頂?shù)暮芍亓D(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，由荷重測(cè)試儀直接顯示出荷重力。續(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力及推力測(cè)試?yán)m(xù)航發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭式導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置，其燃燒室產(chǎn)生的壓力通過(guò)噴管噴出，賦以導(dǎo)彈在控制飛行中以推力，以維持導(dǎo)彈以一定的飛行速度向攻擊目標(biāo)飛去。當(dāng)引爆裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)上的點(diǎn)火具點(diǎn)燃后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的火藥開(kāi)始燃燒，并產(chǎn)生燃?xì)鈮毫Γ搲毫τ蓢姽車姵?，其反作用力形成推力。此時(shí)壓力傳感器和推力傳感器將燃燒室內(nèi)的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。該信號(hào)經(jīng)測(cè)試儀器及記錄裝置打印出測(cè)試曲線。半導(dǎo)體應(yīng)變片工作原理:壓阻效應(yīng)固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。半導(dǎo)體壓阻式傳感器的分類：1）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)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(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(guò)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。

特點(diǎn)：靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率影響高，體積小。主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等。體型半導(dǎo)體應(yīng)變片壓阻式傳感器舉例1、壓阻式壓力傳感器

在一塊圓形的單晶硅膜片上,布置四個(gè)擴(kuò)散電阻,組成一個(gè)全橋測(cè)量電路。膜片用一個(gè)圓形硅杯固定,將兩個(gè)氣腔隔開(kāi)。一端接被測(cè)壓力,另一端接參考?jí)毫?。?dāng)存在壓差時(shí),膜片產(chǎn)生變形,使兩對(duì)電阻的阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,其輸出電壓反映膜片承受的壓差的大小。2、壓阻式加速度傳感器

壓阻式加速度傳感器用單晶硅作懸臂梁，在根部擴(kuò)散四個(gè)電阻，當(dāng)受加速度a時(shí)，質(zhì)量塊m的慣性力作用在梁上，產(chǎn)生彎矩和應(yīng)力，四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。應(yīng)力與加速度值成正比，所以電阻相對(duì)變化與加速度成正比。將這四只電阻接成差動(dòng)電橋，即可測(cè)出加速度值a。任務(wù)二電位器式傳感器

電位器是一種將機(jī)械位移（線位移和角位移）轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓的機(jī)電傳感元器件。知識(shí)準(zhǔn)備一、電位器式傳感器的工作原理及特點(diǎn)

圖2-9電位器結(jié)構(gòu)原理圖

1-電阻元件2-電刷

特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境條件要求不高，輸出信號(hào)大，易于轉(zhuǎn)換，便于維修。缺點(diǎn)：是存在摩擦，分辨力有限，精度不夠高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，僅適于測(cè)量變化較緩慢的量，常用作位置信號(hào)發(fā)生器。電位器電阻元件分類：1、線繞電位器

線繞電位器電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制，因而能承受較高的溫度，常被制成功率型電位器，其額定功率范圍一般為0.25～50W，阻值范圍為100Ω～100kΩ。線繞電位器的突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；缺點(diǎn)是分辨率低，這是由于電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的，

當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另一匝時(shí)，阻值的變化呈階梯式。2、薄膜電阻薄膜電阻是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而制成的。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，阻值范圍很寬（100Ω～4.7MΩ），耐磨性較好，工藝簡(jiǎn)單，成本低，線性度好等；

主要點(diǎn)是接觸電阻大，功率不夠大，容易吸潮，噪聲大等。3、導(dǎo)電塑料

導(dǎo)電塑料的電阻是由塑料粉及導(dǎo)電材料的粉料經(jīng)塑壓而成的。導(dǎo)電塑料電位器的耐磨性很好，使用壽命較長(zhǎng)，允許電刷的接觸壓力很大，在振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠工作。此外，它的分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受濕度影響，故精度不易做得很高。導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1kΩ、2kΩ、5kΩ和10kΩ，線性度為0.1%和0.2%。

二、電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路a)圓盤(pán)式電位器外形b)圓盤(pán)式電位器內(nèi)部結(jié)構(gòu)c)直線式電位器結(jié)構(gòu)1-接線端子2-轉(zhuǎn)軸3-微型軸承4-外殼5-導(dǎo)電塑料6-滑動(dòng)觸頭7-滑動(dòng)觸頭電壓引出軌道（銅質(zhì)）圖2-11電位器使用時(shí)的電路圖a)變阻器b)分壓器

設(shè)電阻體的長(zhǎng)度為l，電阻值為R，兩端所加（輸入）電壓為Ui，則滑動(dòng)端輸出電壓為對(duì)圓盤(pán)式電位器來(lái)說(shuō)，U0與滑動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比任務(wù)實(shí)施

電位器的移動(dòng)或電刷的轉(zhuǎn)動(dòng)可直接或通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置間接和被測(cè)對(duì)象相連，以測(cè)量機(jī)械位移或轉(zhuǎn)角。電位器還可以和彈性敏感元件如膜片、膜盒、波紋管等相聯(lián)結(jié)，彈性元件位移通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)電刷，而輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，可以組成壓力、液位、高度等各種傳感器。圖2-12YHD型電位器式位移傳感器

2．電位器式壓力傳感器

圖2-13電位器式壓力傳感器a)YCD-150型壓力傳感器b)電位器式壓力傳感器1-電位器2-電刷3-接線端子1-膜盒2-連桿3-曲柄4-電刷5-電阻元件圖2-14電位器式加速度傳感器1-慣性敏感質(zhì)量2-片彈簧3-電阻元4-電刷5-活塞尼器6-殼體任務(wù)三熱電阻式傳感器熱電阻傳感器主要用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)。在工業(yè)上，它被廣泛用來(lái)測(cè)量-200~+960℃范圍內(nèi)的溫度。按熱電阻的性質(zhì)分，可分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類，前者通常稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。它的靈敏度比前者高十倍以上。知識(shí)準(zhǔn)備1．熱電阻材料及其結(jié)構(gòu)1）熱電阻材料

熱電阻是由電阻體（感溫元件）、引出線、絕緣套管和接線盒等部件組成的。其中，電阻體是熱電阻的主要部分。根據(jù)對(duì)檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性、靈敏度、線性度、單值性等性能要求，制作熱電阻的電阻體材料應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

①電阻溫度系數(shù)大，以便提高熱電阻的靈敏度；保持測(cè)試系數(shù)單值性，且最好為定值，以便得到電阻—溫度線性特性；②電阻率ρ盡可能大，以便在相同靈敏度下減小電阻體尺寸；③在熱電阻的使用范圍內(nèi)，材料的化學(xué)、物理性能保持穩(wěn)定；

④材料的提純、可延、自制等工藝性好。根據(jù)上述要求，較為廣泛應(yīng)用的熱電阻材料有：鉑、銅、鎳、鐵和銠鐵合金等，而常用的是鉑、銅

。如表2-12）熱電阻的結(jié)構(gòu)

金屬熱電阻按其何結(jié)構(gòu)類型來(lái)分有：普通型．鎧裝型．薄膜型等。

圖2-15熱電阻結(jié)構(gòu)圖薄膜型鎧裝型2．熱電阻的工作原理熱電阻效應(yīng)：物質(zhì)的電阻率隨溫度變化而變化的物理現(xiàn)象。根據(jù)熱電阻效應(yīng)原理制成的傳感器叫熱電阻傳感器。熱電阻傳感器是把由溫度變化所引起導(dǎo)體電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓毫伏信號(hào)，然后送至顯示儀表以顯示或記錄被測(cè)的溫度。

熱電阻的測(cè)量電路

這種引線方式簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，但是引線電阻以及引線電阻的變化會(huì)帶來(lái)附加誤差。兩線制適于引線不長(zhǎng)、測(cè)溫精度要求較低的場(chǎng)合。與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，用于工業(yè)測(cè)量，一般精度圖2-18熱電阻四線測(cè)量橋路

其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表?？梢?jiàn)這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，實(shí)驗(yàn)室用，高精度測(cè)量。

3．常用的熱電阻

1）鉑熱電阻優(yōu)點(diǎn)：精度高、穩(wěn)定性好、性能可靠；尤其是鉑材料在氧化性介質(zhì)中，甚至在高溫下其物理、化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定；易于提純，復(fù)制性好，有良好的工藝性，可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔；電阻率較高。

缺點(diǎn)：在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下很容易被從氧化中還原出來(lái)的蒸汽所沾污，容易使鉑絲變脆；電阻溫度系數(shù)??；價(jià)格較高。

在0~850℃范圍內(nèi)，鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系可用下式表示：

在-200~0℃的范圍內(nèi)，鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系可用下式表示：

目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。

鉑電阻還常用微型鉑熱電阻，其主要特點(diǎn)是體積小、熱慣性小、氣密性好。它可分為兩種：一種測(cè)量范圍為–200~+500℃，它的支架和保護(hù)管均由特殊玻璃制成；另一種測(cè)量范圍為500~1000℃，其支架和保護(hù)套管系由石英材料制成。

2）銅熱電阻適用場(chǎng)合：在一些測(cè)量精度不高且溫度較低的地方一般采用銅熱電阻，可用它來(lái)測(cè)量-50–+150℃的溫度。特點(diǎn)：（1）上述溫度范圍內(nèi)，銅的電阻與溫度幾乎呈線性關(guān)系（2）電阻溫度系數(shù)比鉑高，而電阻率則比鉑低。（3）容易提純，加工性能好，可拉成細(xì)絲，價(jià)格便宜。（4）易氧化，不易在腐蝕性介質(zhì)或高溫下工作。銅熱電阻的分度表

分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.134．熱敏電阻的工作原理及形狀結(jié)構(gòu)

熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻值隨溫度顯著變化這一特性制成的一種熱敏元件，其特點(diǎn)是電阻率隨溫度而顯著變化。分類：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），電阻的變化趨勢(shì)與溫度的變化趨勢(shì)相反；

正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC），電阻的變化趨勢(shì)與溫度的變化趨勢(shì)相同。各種熱敏電阻的電阻率隨溫度變化的特性曲線

1-突變型NTC2-負(fù)指數(shù)型NTC3-線性型PTC4-突變型NTC5-鉑熱電阻常用的熱敏電阻外形圖及符號(hào)

片式負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻PN系列功率型NTC熱敏電阻器BN系列珠狀NTC熱敏電阻器GN系列玻殼型NTC熱敏電阻器SN系列溫度傳感器任務(wù)實(shí)施

在工業(yè)上金屬熱電阻傳感器常應(yīng)用于-200~+500℃范圍的溫度測(cè)量。特殊情況下，測(cè)量的低溫端可達(dá)3.4K，甚至更低，1K左右。高溫度端可測(cè)到1000℃。而熱敏電阻具有尺寸小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于溫度測(cè)量、溫度控制、溫度補(bǔ)償、氣體和液體分析、火災(zāi)報(bào)警、過(guò)負(fù)荷保護(hù)和紅外探測(cè)等方面。因此它在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1.熱電阻式傳感器的應(yīng)用

1）熱電阻式氣體傳感器

2）熱電阻式流量計(jì)2.熱敏電阻式傳感器的應(yīng)用1）熱敏電阻測(cè)溫

圖2-23熱敏電阻體溫表原理圖a)橋式電路b)調(diào)頻式電路1—熱敏電阻2—指針式顯示器3—調(diào)零電位器4—調(diào)滿度電位器2）熱敏電阻用于溫度補(bǔ)償3）熱敏電阻用于過(guò)熱保護(hù)圖2-25熱敏電阻與繼電器組成的熱繼電器

項(xiàng)目小結(jié)

應(yīng)變、位移、壓力、溫度是生產(chǎn)，生活中經(jīng)常測(cè)量的變量。本項(xiàng)目重點(diǎn)介紹了電阻應(yīng)變式、電位器式、熱電阻式傳感器。應(yīng)變式電阻傳感器是目前用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)最廣泛的傳感器之一。它是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的一種測(cè)量微小機(jī)械變量的傳感囂。電阻應(yīng)變片由敏感柵、基片、覆蓋層和引線等部分組成，敏感柵是應(yīng)變片的核心部分。

金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式和薄膜式三種類型。電阻應(yīng)變片的工作原理基于應(yīng)變效應(yīng)。金屬材料受力后的電阻變化主要由尺寸變化決定，而半導(dǎo)體材料受力后的電阻變化主要由電阻率變化決定。電阻應(yīng)變片常用的測(cè)量電路有單臂電橋，半橋和差分全橋三種。由于環(huán)境溫度帶來(lái)的誤差稱為應(yīng)變片的溫度誤差，又稱熱輸出。溫度誤差主要是由于電阻材料阻值隨著溫度變化而引起。

另外，應(yīng)變片與試件不能隨溫度變化同步變形也會(huì)產(chǎn)生附加形變?？刹捎米匝a(bǔ)償法或橋路補(bǔ)償法來(lái)補(bǔ)償溫度誤差。應(yīng)變式電阻傳感器采用測(cè)量電橋，把應(yīng)變電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化。應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償不可忽略。電位器式傳感器是一種將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，既可做變阻器用，又可做分壓器用。

熱電阻式傳感器常用于對(duì)溫度和與溫度有關(guān)的參量進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，電阻式傳感器廣泛用于測(cè)量-200℃—+960℃范圍內(nèi)的溫度，是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)工作的。電阻式傳感器分為金屬熱電阻傳感器和半導(dǎo)體熱電阻傳感器兩類，前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。熱敏電阻是半導(dǎo)體測(cè)溫元件，按溫度系數(shù)可分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)和正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)兩大類。

廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、電路的溫度補(bǔ)償以及溫度控制。熱電阻變化一般要經(jīng)過(guò)不平衡電橋轉(zhuǎn)換為不平衡電壓輸出，提供后續(xù)電路處理。本項(xiàng)目通過(guò)四個(gè)典型的任務(wù)，重點(diǎn)介紹了應(yīng)變式加速度傳感器原理、電位器式壓力傳感器、熱電阻式流量計(jì)的工作原理、熱敏電阻體溫表的電路及工作原理。知識(shí)拓展1．濕敏電阻傳感器1）、幾個(gè)概念：濕度：指空氣中所含有的水蒸汽量。理想空氣：氮78%，氧21%，其它成分1%（無(wú)水）潮濕空氣：理想空氣與水蒸汽的混合體。2）濕度的表示方法和單位（1）水蒸氣分壓：根據(jù)多爾頓定律，只要測(cè)出潮濕空氣中水蒸氣的分壓即可知道濕度。（2）絕對(duì)濕度（AH）：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所含水蒸汽的質(zhì)量（g/m3）。（3）相對(duì)濕度（RH）：氣體的水蒸氣分壓與同溫度下的飽和水蒸氣壓的比值；4）露點(diǎn)：保持壓力一定而降低待測(cè)氣體溫度至某一數(shù)值時(shí)，待測(cè)氣體中的水蒸汽達(dá)到飽和狀態(tài)開(kāi)始或結(jié)霜，此時(shí)的溫度稱為這種氣體的露點(diǎn)或霜點(diǎn)。濕敏元件分類：

1、水分子親和力型(利用水分子有較大的偶極矩，易于附著并滲透入固體表面的特性制成的濕敏元件)：電解質(zhì)式（潮解性鹽類受潮后電阻發(fā)生變化

）高分子材料式（有機(jī)高分子材料的吸濕性能與膨潤(rùn)性能

）金屬氧化物膜式（吸脫水性能

）金屬氧化物陶瓷式2、非水分子親和力型（利用其與水分子接觸產(chǎn)生的物理效應(yīng)來(lái)測(cè)量濕度

）：熱敏電阻式（含濕空氣與干燥空氣產(chǎn)生熱傳導(dǎo)差

）

紅外吸收式（利用水蒸氣能吸收某波段的紅外線制成

）

微波式（利用微波電介質(zhì)共振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)隨濕度變化的機(jī)理制成

）超聲波式（超聲波在空氣中的傳播速度與溫度、濕度有關(guān)

）1）濕敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理

濕敏電阻是一種阻值隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化的敏感元件。

圖2-26濕敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖1—引線2—基片3—感濕層4—電極圖2-27陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)和特性a)吸濕單元b)卸去外殼后的結(jié)構(gòu)c)外形圖1—引線2—多孔性電極3—多孔陶瓷4—底座5—鎳鉻加熱絲6—外殼7—引腳8—?dú)饪讏D2-28濕敏電阻傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路框圖

2）濕敏電阻式傳感器的應(yīng)用圖2-29汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕裝置a)汽車后窗玻璃示意圖b)汽車后窗玻璃自動(dòng)去濕電路圖2．氣敏電阻傳感器

用氣敏元件組成的氣敏電阻傳感器(下簡(jiǎn)稱氣敏電阻)主要用于工業(yè)上天熱氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)，預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制；在防治公害方面用于監(jiān)測(cè)污染氣體；在家用方面用于煤氣、火災(zāi)的報(bào)警等。1）氣敏電阻的工作原理與特性

使用氣敏電阻傳感器可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓的信號(hào)。氣敏電阻的材料是金屬氧化物，制作上是通過(guò)化學(xué)計(jì)量比的偏離和雜質(zhì)缺陷制成的。氣敏元件接觸氣體時(shí)，由于表面吸附氣體，致使它的電阻率發(fā)生明顯的變化.氣敏元件工作時(shí)需要本身的溫度比環(huán)境溫度高很多。為此，氣敏元件在結(jié)構(gòu)上要有加熱器，通常用電阻絲加熱，如圖2-30所示。半導(dǎo)體式氣敏傳感器的分類

電阻式氣敏傳感器主要類型：燒結(jié)型氣敏器件

薄膜型氣敏器件

厚膜型氣敏器件燒結(jié)型氣敏器件：燒結(jié)型氣敏器件的制作是將一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些摻雜劑（Pt、Pb等）用水或粘合劑調(diào)合，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將混合好的膏狀物倒入模具，埋入加熱絲和測(cè)量電極，經(jīng)傳統(tǒng)的制陶方法燒結(jié)。最后將加熱絲和電極焊在管座上，加上特制外殼就構(gòu)成器件。該類器件分為兩種結(jié)構(gòu)：直熱式和旁熱式。