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1、第2章 电阻式传感器,2.1 电阻应变式传感器 2.2 压阻式传感器 2.3 热电阻传感器 2.4 电位器式传感器 2.5 电阻式传感器的应用实例,2.1 电阻应变式传感器,2.1.1 电阻应变片的结构和材料电阻应变片由基底、敏感栅、覆盖层、引出线等组成。它的基本结构如图2-1所示。基底保持电阻丝固定的形状、尺寸和位置。一般为纸或胶片物质，厚度为0.020.04mm。敏感栅实现应变(长度的相对变化)电阻转换的敏感元件。其电阻值一般在100以上。覆盖层用纸、胶做成覆盖在电阻丝上的保护层，起防潮、防蚀、防损等作用。引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。根据敏感栅材料的不同，应变片主要
2、分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。1.金属电阻应变片,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式3种，结构如图2-2所示。(1)丝式应变片如图2-2(a)所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用黏合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过的电流较小，测量精度较低，适用于对测量要求不很高的场合。(2)箔式应变片此类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.0010.005mm之间，它的结构如图2-2(b)所示。箔式应
3、变片相对于丝式应变片其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,(3)金属薄膜应变片它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。它是近年来薄膜技术发展的产物。2.半导体应变片对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种
4、纯电阻性元件，如图2-3所示。半导体应变片有以下几种类型：(1)体型半导体应变片这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,(2)薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。(3)扩散型半导体应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线，就形成了扩散型半导体应变片。2.1.2 电阻应变片的工作原理1.电阻应变效应导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称
5、为电阻应变效应。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,2.电阻应变片的工作原理这里以金属丝为分析对象，设有一根长度为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，从物理学的知识，我们知道其电阻值R为 当沿金属丝的长度方向均匀受力时，上式的L、A、都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。利用材料力学的知识，通过理论上的公式推导，并经过大量的实验证明，可以得到：电阻丝电阻的相对变化R/R与L/L的关系在很大范围内是线性的，即 上式中的L/L通常简写为，称为电阻丝的轴向应变，所以上式也常写成,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,式中Ks是一个与材料固有特性有关的一个常数，称为电阻单丝的
6、灵敏度。从上式可以看出，应变与电阻变化率呈线性关系。使用应变片测量时，通常将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这样就能直接测量被测对象的应变。通过弹性敏感元件，可以将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，从而可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。2.1.3 电阻应变片的工作特性及参数电阻应变片的工作特性和主要参数有以下几个方面。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,1.灵敏系数K 式中K 为金属应变片的灵敏系数，与金属单丝的灵敏系数Ks有一定差别，主要由实验测得。大量
7、实验结果表明，应变片的灵敏系数K 恒小于金属丝线材的灵敏系数Ks。究其原因主要是胶体的传递变形失真及横向效应两个方面。2.电阻值 应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受力时，在室温下测定的电阻值。目前应变片的电阻值(标称值)也有一个系列，如60、120、350、600、1000等，其中以120最为常用。实际使用的应变片的阻值相对于标称值可能存在一些偏差，因此使用前要进行测量分选。3.最大工作电流,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。当应变片接入测量电路后，在敏感栅中要流过一定的电流，此电流使得应变片温度上升，从而影响测量
8、精度，甚至烧毁应变片。通常在静态测量时，允许电流一般规定为25mA，动态测量时可达75100mA；箔式应变片可更大些。4.横向效应应变片受力时，不仅构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变化，而且其垂直于应变片轴向的横向应变r 也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应，如图2-4所示。通过公式推导以及大量的实验数据证明：敏感栅越窄(r 愈小)、基长越长(L愈大)的应变片其横向效应引起的误差越小。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,5.迟滞应变片粘贴在被测试件上以后，在一定温度下，应变片电阻相对变化i(R/R)(相
9、当于应变传感器的输出，称做指示应变)与试件机械应变m(L/L，实际应变)之间加载和卸载的特性曲线并不重合，这种现象称为应变片的迟滞。加载和卸载特性曲线之间的最大差值 称为最大迟滞误差。如图2-5所示。该值越小，传感器的性能越好。6.零漂与蠕变对于粘贴好的应变片，当温度恒定、不承受应变时，其电阻值随时间的变化而变化的特性，称为应变片的零点漂移，简称零漂。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间的变化而变化的特性称为蠕变。实验证明，选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减小胶层和基底的厚度，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器
10、,7.应变极限应变片电阻的相对变化与所承受的轴向应变成正比这一关系只在一定的范围内成立，当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限，如图2-6所示。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。8.温度误差在采用应变片进行应变测量时，希望它的阻值变化只与应变有关，而不受其他因素的影响。但是在应变片的实际应用中，温度变化会导致应变片电阻变化，将会给测量带来误差。温度变化导致电阻变化的主要原因有两个，一是在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化；另一个是试件材料和敏感栅材料线膨胀系数不一致时，环境温度变
11、化会使敏感栅产生附加变形，其电阻值也会改变。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,事实上，在常温下测量环境温度也很难保持恒定，所以必须采取一定的措施减小或消除温度变化的影响，这将在后续的内容中详细介绍。2.1.4 电阻应变片的测量转换电路电阻应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表(万用表电阻挡)测量其电阻的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路，将应变片微小的电阻变化转化为易测量的电压或电流信号。通过电桥电路输出的信号既可用指示仪表(如电压表)直接测量，也可以通过放大器放大作进一步的信号处理。由于电桥测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，能预调平衡，易消除温度及环境的影
12、响，因此在测量系统中被广泛采用。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,按照所采用的激励电源不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。但是零漂、温漂和地电位的影响较大。交流电桥采用交流激励电源，结合调制解调技术，能较好克服零漂和温漂的影响，但是其电路相对复杂。随着集成运算放大器和基准电源电路的发展，零漂和温漂对直流电桥及其转换电路的影响越来越小，直流电桥得到了广泛的应用。这里主要介绍电阻应变片的直流电桥电
13、路。1.电桥的工作原理图2-7是直流电桥的基本形式。R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻，Ei为电桥激励电压源。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,当电桥输出端b、d接入输入阻抗较大的仪表或放大器时，可视为开路，输出电流为零，输出电压为Eo。此时输出电压 由式(2-5)可见，欲使输出电压为零，即电桥平衡，应满足 式(2-6)是直流电桥的平衡条件。适当选择各桥臂的电阻值，可使电桥测量前满足平衡条件，输出电压Eo=0。若桥臂电阻R1(如电阻应变片)产生 变化时，输出电压 实际的测量电桥往往取4个桥臂的初始电阻相等，即称为全等臂电桥。此时式(2-7)可写成,上一页,下一页,返回,2.1
14、电阻应变式传感器,一般情况下，忽略分母中的 项，则 式(2-9)表明，电桥输出电压与电桥电源电压成正比，在 的条件下，电桥输出电压也与桥臂电阻的变化率 成正比。若电桥初始处于平衡状态，当各桥臂电阻均发生不同程度的微小变化、和 时，电桥就失去平衡，此时输出电压 式(2-10)为电桥输出电压与各桥臂电阻变化量的一般关系式。由于，忽略分母中的 项和分子中 的高次项，对于最常用的全等臂电桥，式(2-10)可写为,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,2.电桥的连接方式在测试技术中，根据在工作时电阻值发生变化的桥臂个数分为单臂电桥、差动半桥和差动全桥三种连接方式，如图2-8所示。设图中均为全等
15、臂电桥(如四个桥臂分别接入初始电阻相等的应变片)，且电桥初始平衡。根据式(2-11)讨论三种连接方式的输出电压。(1)单臂电桥如图2-8(a)所示，R1为应变片，其余桥臂均为固定电阻。当R1的阻值变化R时，电桥输出电压,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,(2)差动半桥如图2-8(b)所示，R1、R2为应变片，发生应变时，其阻值分别为且、。当时，电桥输出电压(3)差动全桥如图2-8(c)所示，R1、R2、R3、R4为应变片，发生应变时，其阻值分别为且、。当 时，电桥输出电压 由此可见，电桥的接法不同，其灵敏度也不同，差动半桥接法的灵敏度比单臂电桥的灵敏度高一倍，差动全桥接法的灵敏度
16、最高。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,综上所述，电阻应变片及其电桥电路将微小应变转换为电压输出。如果输出的电压比较微弱，则需要通过信号放大器进行。3.调零电路上述的单臂电桥、差动半桥和差动全桥等连接方式，其输出电压的计算都是假设R1=R2=R3=R4=R计算出来的。实际使用中，由于生产工艺等因素的影响R1、R2、R3、R4不可能严格成比例关系，即使在未受力的时候，桥路的输出也不一定为零。因此必须设置调零电路，如图2-9所示。调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3，电桥趋于平衡，Eo被预调到零位。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。这种方法在应变和力等相关测量仪器中被广
17、泛使用。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,2.1.5 电阻应变片的温度误差及其补偿方法前面已经提到，在应变片的实际应用中，温度变化会导致应变片电阻变化，将会给测量带来误差。必须采取一定的措施减小或消除温度变化的影响，称之为温度补偿。常用的温度补偿方法一是从电阻应变片的敏感栅材料及制造工艺上采取措施，这是从应变传感器生产角度上来讲的；二是通过适当的贴片技巧与桥路连接方法消除温度的影响，这是从应变传感器应用角度上来讲的。这里主要介绍桥路补偿法。如图2-10(a)所示试件，欲测量力作用下试件的应变时，采用两片初始电阻值、灵敏系数和敏感元件都相同的应变片R1和R2。R1贴在试件的测量点
18、上，R2贴在补偿块上。所谓补偿块，就是与试件材料、温度相同，但不受力的试块，如图2-10(b)所示。R1和R2处于相同温度场中，并按图2-8(b)接入电桥的相邻臂上。当试件受力且环境温度变化时，应变片R1的电阻变化率,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,式中 由力F引起的R1电阻变化率；由温度变化引起的R1电阻变化率。应变片R2(称为温度补偿片)只有受温度变化引起的电阻变化率 因为,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,由式(2-11)可知 算式中不包含与温度有关的项，所以桥路输出电压Eo不受温度的影响，减少了测量误差。以上是单臂电桥的应用补偿方式，事实上当测量电路处于双
19、臂半桥和全桥工作方式时，因为电桥相邻两臂同时受温度影响，产生大小相等、符号相同的电阻增量而相互抵消，从而实现桥路补偿的目的。2.1.6 电阻应变片的应用电阻应变片除可直接用于测量试件的应变外，也可以制成各种专门的应变式传感器，用于测量力、扭矩、加速度、压力等各种物理量。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,1.应变测量用应变片除直接测量应变时，需将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。这在前面有详细的叙述。这里简述应变片的粘贴工艺。(1)应变片的检查与选择首先要对采用的应变片进行外观检查，观
20、察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑、短路、断路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。(2)试件的表面处理为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴要尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。
21、(3)底层处理为了保证应变片能牢固地贴在试件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。(4)贴片将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶辊加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。(5)固化粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,无论自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防
22、潮层一般可采用稀释的粘合胶。(6)粘贴质量检查首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。(7)引线焊接与组桥连线检查合格后即可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。2.力的测量(应变式力传感器),上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,把应变片粘贴到弹性元件表面(图2-11)，弹性元件在力F的作用下发生应变，应变片也发生应变，两个应变在工程上通常被认为是一致的。由材料力学的知识可以知道试件的应 变=F/AE，其中A是试件(
23、弹性元件)的横截面面积，E是试件(弹性元件)的弹性模量。一旦试件选定后，A与E均是已知的参数，F与应变成正比，所以利用上述测量应变的方法即可获知试件受力F的大小。作为测力传感器的弹性元件，其形式多种多样，远远不止图2-11中这些。常见的有柱形、环形、梁形和轮辐形等。需要明确指出的是，应变片应用于力的测量时，应变片需要粘贴到弹性元件表面(由专业的生产厂家完成)，形成一体化的应变式力传感器。应变式力传感器在使用时，被测的力是作用在弹性元件上而不是应变片上，否则会损坏应变式力传感器。,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,3.压力测量(应变式压力传感器)压力传感器主要用来测量流体的压力。视
24、其弹性体的结构形式。有单一式和组合式之分。单一式是指应变计直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。图2-12为筒式应变压力传感器。图中(a)为结构示意图；(b)为厚底应变筒；(c)为4片应变计布片，工作应变计R1、R3b沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变计R2、R4贴在筒底外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁的周向应变为：对厚壁筒：如图2-12所示，,上一页,下一页,返回,2.1 电阻应变式传感器,4.加速度测量(应变式加速度传感器)加速度传感器通常由弹性悬臂梁、质量块、应变片和壳体组成，如图2-13所示。质量块固定在悬臂梁的一端，梁的上下表面粘贴有应变片。测量时将传感器的壳体与被测对象刚性连
25、接，在一定的频率范围内，质量块产生的加速度与被测加速度相等，因而作用于悬臂梁上的惯性力亦与被测加速度成正比。应变式加速度传感器常用于低频振动测量。5.测量扭矩(应变式扭矩传感器)应变式扭矩传感器利用应变片将扭矩产生的剪应变转换为电阻值的变化。弹性元件为整体式薄壁筒，应变片在薄壁筒的同一圆周线上成45和135方向粘贴。在实际制作与测量时，沿轴的某断面的圆周方向每隔90布置一个应变片，并将它们接成全桥电路，其展开图如图2-14所示。这种布置可提高扭矩传感器的输出灵敏度，并可消除轴向力和弯曲力的影响。,上一页,返回,2.2 压阻式传感器,2.2.1 基本工作原理压阻式传感器是利用半导体的压阻效应制成
26、的。半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。当半导体受到外力时，电阻的变化率主要由 引起，即 根据半导体电阻理论可知 式中 沿某径向L的压阻系数；沿某径向L的应力；半导体材料的弹性模量。则半导体材料的灵敏系数,下一页,返回,2.2 压阻式传感器,如半导体硅，=(4080)10-11，=1.671011N/m2，则 70140。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝要高5070倍。2.2.2 类型与特点压阻式传感器主要有体型、薄膜型和扩散型等三种。体型是利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片；薄膜型是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的基底上而制成的；扩散型
27、是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件。压阻式传感器的优点是：灵敏度高，测量元件尺寸小，频率响应高，横向效应小。但它的温度稳定性差，在较大的应变下，灵敏度的非线性误差大。2.2.3 压阻式传感器的应用(1)半导体应变片,上一页,下一页,返回,2.2 压阻式传感器,这种传感器常用硅、锗等材料的体电阻制成粘贴式应变片，如图2-15所示，其使用方法与金属应变片相同。这种传感器常用硅、锗等材料的体电阻制成粘贴式应变片，如图2-15所示，其使用方法与金属应变片相同。(2)压阻式压力传感器图2-16所示为一种可以插入心内导管的压阻式压力传感器。图中金属插片是为了对上下两个硅片进
28、行加固用的，硅片与金属插片用绝缘胶粘合。为了导入方便，在传感器端部加一塑料壳。被测压力p作用于弹性膜片7，将压力转换为集中力，在力的作用下，硅片梁将产生变形，其上的半导体应变片电阻发生变化。这种传感器可用于测量心血管、颅内、尿道、眼球内等的压力。,上一页,返回,2.3 热电阻传感器,2.3.1 热电阻热电阻温度传感器是利用物质的电阻率随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。当温度变化时，热电阻的电阻值随温度而变化。这样，用测量电路可将变化的电阻值转换成电信号输出，从而得到被测温度。按材料不同，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。金属热电阻习惯上简称热电阻；而半导体热电阻的灵敏度远
29、比金属热电阻高，所以习惯上又称热敏电阻。在以下的叙述过程中也遵循这个习惯叫法。1.热电阻概述热电阻通常是用纯金属制成的，它是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,作为热电阻的金属材料，要求具有电阻温度系数大，线性和稳定性好，使用的温度范围宽，容易加工等特点。常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、铁等。因为铂具有耐高温，性能稳定，抗氧化能力强，电阻率高，且材料易于提纯等优点，所以在国际实用温标中以铂电阻作为标准。铜热电阻的特点是价格低廉，互换性好，固有电阻小，高于100时易被氧化。所以在温度范围为-50150时，也常使用铜来制作
30、热电阻传感器。2.热电阻的基本参数(1)标称电阻(R0)标称电阻是指热电阻在0时的电阻值，用R0表示。(2)分度表与分度号分度表是指以表格形式表示热电阻的电阻-温度对照表。分度号是指分度表的代号，一般用热电阻金属材料的化学符号和0时的电阻值表示，如Pt100，表示金属材料为铂，标称电阻为100。,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,(3)温度测量范围及允许偏差范围热电阻的温度测量范围()以及用温度表示的允许偏差(0)。铂热电阻为-200650，允许偏差为(4)热响应时间当温度发生阶跃变化时，热电阻的电阻值变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分比所需要的时间，称为热电阻的热响应时间。热响应
31、时间越小，表示热电阻的响应特性越好。(5)额定工作电流热电阻的额定电流是指热电阻连续工作所允许通过的最大电流，一般为25mA。3.热电阻的温度特性热电阻的温度特性主要是指热电阻的阻值Rt与温度t之间的关系，一般可以通过下面这个表达式来表示,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,式中 热电阻在t(被测温度)时的电阻值；热电阻的标称电阻(即热电阻在0时的电阻值)；A、B、C、D是温度系数，由实验测得。从式(2-17)可知，热电阻的电阻值与温度之间呈非线性关系。4.普通工业用热电阻传感器的基本结构普通工业用热电阻传感器通常有Pt100和Cu50等几种。热电阻传感器通常是将金属电阻丝绕在云母片上
32、，并使其长度调节为0时电阻值为固定值。为了避免电感分量，电阻丝常采用双线并绕，制成无感电阻。同时，为了安装的方便以及防止电阻丝损坏，常用保护套管对热电阻进行保护。铂热电阻传感器如图2-17所示。,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,5.热电阻的测量转换电路及其应用与应变片一样同属电阻式传感器，热电阻的测量转换电路最常用的也是电桥电路。其分析计算过程、调零电路都与应变式传感器的测量转换电路类似，这里就不再重复。本部分主要是讲解热电阻的三线制连接法以及非线性校正。如果热电阻安装的位置与仪表相距较远，当环境温度变化时，其连接导线电阻也要变化。为消除引线引起的测量误差，精密测量时采用三线制连接
33、法。图2-18为热电阻的三线连接法，G为指示电表，R1、R2、R4为固定电阻，Ra为调节电阻。热电阻通过阻值分别为r1、r2、r3的三根导线和电桥连接，r2和r3分别接在相邻的两臂，当温度变化时，只要它们的长度和电阻温度系数相同(同一种材料的导线)，其电阻的变化就不会影响电桥的状态，即不会产生温度测量误差。,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,前面已经知道，热电阻的电阻值与温度之间呈非线性关系(或者说，只在很狭窄的一个温度范围内，电阻值与温度之间才近似为线性关系)，所以通过电桥电路转换后输出的电压与测量温度之间也是呈非线性关系。因此，在进行温度的精密测量时，还应对热电阻进行非线性校正。
34、常用的办法有：在桥路电源回路中串联热敏电阻；用计算机软件编程进行非线性校正；专用集成IC；正反馈网络的非线性放大电路。对于前三种方法一般的教材中都有比较详细的论述，而对第四种方法则几乎没有提及。图2-19是作者多年实际应用较为成功的带正反馈网络的Pt100热电阻传感器非线性校正放大电路。图中，Pt100采用了三线制连接法，uef(+5V)是电阻桥的激励电压，RP1是调零电位器，RP2是调满度电位器。,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,Pt100的测量转换电路通常都需要经过调试后才能正常工作。调试的主要步骤是：第一步，用精密电阻箱的输出电阻代替Pt100热电阻接入上述电路。第二步，调整
35、精密电阻箱的输出电阻为100.00(0时Pt100的电阻值)，反复调节调零电位器RP1使显示模块显示为零。第三步，调整精密电阻箱的输出电阻为157.33(150时Pt100的电阻值，假设满度为150)，反复调节调满度电位器RP2使显示模块显示为测量温度满度的值。第四步，调整精密电阻箱的输出电阻分别为Pt100在100、80、60、40、20等温度时的电阻值，查看显示模块显示的温度分别与100、80、60、40、20等的误差，以此查看测量温度与电路输出电压信号的线性度。2.3.2 热敏电阻1.热敏电阻的特性及分类,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,热敏电阻是一种新型的半导体测温元件，它
36、是用电阻值随温度而显著变化的半导体电阻制成的。通常采用重金属氧化物锰、钛、钴等材料，在高温下烧结混合而成。用半导体材料制成的热敏电阻，与金属热电阻相比，有如下特点：电阻温度系数大，灵敏度高，比金属电阻大倍；结构简单，体积小；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；阻值与温度变化呈非线性关系；稳定性和互换性相对较差。热敏电阻的常见结构和表示符号如图2-20所示。热敏电阻按其温度特性通常分为两大类：负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC。NTC和PTC热敏电阻都可以细分为指数变化型和突变型(又称临界温度型，英文缩写CTR)。它们的电阻和温度特性的变化关系曲线如图2-21所示。,上一页,下一页
37、,返回,2.3 热电阻传感器,2.负温度系数热敏电阻的温度方程用于测量的NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，其电阻温度特性服从于式式中 RT 温度T时的阻值；R0温度T0(通常指0或室温)时的阻值；B热敏电阻材料常数，常取；T热力学温度。热敏电阻的温度系数为热敏电阻的温度系数比金属电阻大10陪左右，因此它的灵敏度很高。,上一页,下一页,返回,2.3 热电阻传感器,B和是表征热敏电阻材料性能的两个重要参数。3.负温度系数热敏电阻的主要性能NTC热敏电阻是一种以过渡金属氧化物为主要原材料制造的半导体陶瓷元件，它具有电阻值随着温度的变化而相应变化的特性。即在一定的功率测量下，电阻值随着温度的上升而
38、下降。利用这一特性，可将NTC热敏电阻应用在温度补偿、抑制浪涌电流和温度测控等场合。,上一页,返回,2.4 电位器式传感器,2.4.1 电位器的概念和分类电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。电位器的种类很多，主要有以下几个方面的电位器。按电阻体材料分类，可分为线绕电位器和非线绕电位器。线绕电位器的电阻体是用电阻丝绕在涂有绝缘材料的金属或非金属板上制成的。它又可分为通用、精密、大功率、预调试线绕电位器，型号为WX。
39、非线绕电位器可分为实心电位器、膜式电位器。按调节方式分类，可分为旋转式、推拉式和直滑式电位器。,下一页,返回,2.4 电位器式传感器,按电阻值变化规律分类，可分为直线式电位器指数式和对数式。按结构特点分类，可分为单圈、多圈、单联、双联、多联、抽头式、带开关、锁紧型、非锁紧型和贴片式电位器。电位器式传感器就是由电位器构成的，可以将直线位移、角位移转换为与其成为一定函数关系的电阻或电压输出，其结构如图2-22所示。电位器式传感器的优点是结构简单、价格低廉、性能稳定、输出信号大等；缺点是动态响应较差，适合于测量变化较慢的量。2.4.2 电位器的空载特性电位器式传感器处于空载状态时，对其进行等效电路分
40、析，如图2-23所示。,上一页,下一页,返回,2.4 电位器式传感器,设图中电位器为线性型，L为变阻器总长；x为电刷移动量；R为总电阻；Rx为电刷电阻；Ei为电位器两端电压；Eo为输出电压。输出电压 上式表明，传感器的空载特性是线性的。2.4.3 电位器的负载特性电位器式传感器的测量转换电路，一般采用电阻分压电路，如图2-24所示。图中，L为变阻器总长；x为电刷移动量；R为总电阻；Rx为电刷电阻；负载电阻相当于测量仪表的内阻；Ei为电位器两端电压；Eo为输出电压。输出电压E。为 式中 R变阻器的总电阻；Rx随电刷位移x而变化的电阻值。对线性变化的变阻器，当电刷相对行程为 时，有,上一页,下一页
41、,返回,2.4 电位器式传感器,设、，则式(2-20)可写成由式(2-22)可知，当电位器两端的电源电压Ei不变时，输出电压Eo随电刷相对行程的变化而变化，但不成线性关系。只有当m0，即RLR时，输出电压Eo才与X保持线性关系，即与电刷的位移成正比。以上分析表明：只有当传感器的负载电阻与电位器的最大电阻之比为无穷大时，传感器的负载特性才是理想线性的,两电阻之比越小，非线性越严重。若选用标称电阻较小的电位器，则调节准确度和稳定性差，且可能通过的电流过大，发热明显，影响阻值的稳定。实践中一般在传感器与负载回路之间用通用集成运放构成电压跟随器来提高传感器的负载电阻。,上一页,返回,2.5 电阻式传感
42、器的应用实例,2.5.1 应变式力传感器在乳粉包装称重系统中的应用图2-25所示为乳粉包装称重系统的工艺流程控制示意图。当输送带把一个空的乳粉袋送往落料管下方时，称重系统开始工作。异步电机启动，带动粗螺旋推进器(又称绞笼)旋转，推动乳粉从落料管落下。当乳粉重量接近设定重量时(略小于设定重量)，停止粗螺旋推进器进料，然后启动细螺旋推进器进行微量添加，直到乳粉重量满足给定重量的要求。细螺旋推进器由步进电机带动。一袋乳粉称重满足要求后，由输送带把该袋乳粉传到下一道工序进行包装，而后边的空袋又输送过来，进行第二袋乳粉的称重，如此周而复始地工作。乳粉称重分为两个阶段，第一阶段由异步电机带动粗螺旋推进器给
43、料，这一阶段可看成为粗调过程，给料重量一定要小于额定重量。第二阶段由步进电机带动细推进器进料，可看成是细调过程，使实际重量等于要求的额定重量。,下一页,返回,2.5 电阻式传感器的应用实例,2.5.2 热电阻在干式变压器温度控制仪中的应用图2-26所示为干式变压器温度控制仪的原理框图。干式变压器温度控制仪是专为干式变压器在箱变等设备中安全运行设计的新一代智能产品。它利用预埋在干式变压器三相绕组中的三只(Pt100)铂热电阻检测及显示变压器绕组的温升和一只(Pt100)铂热电阻放置在环境中测量室温，并具有相应的报警及控制功能，能够自动启停冷却风机对绕组和室温进行强迫风冷，保证变压器运行在安全状态
44、。,上一页,下一页,返回,2.5 电阻式传感器的应用实例,2.5.3 电位器式传感器在电动阀门控制器中的应用阀门是工业过程控制系统不可缺少的部分，电动阀门是一种新型终端控制设备，控制器是其核心部分。图2-27给出了某型号的电动阀门控制器的实物图。它的系统框图如图2-28所示。阀门开度位置改变的同时，经过齿条板带动电位器传感器旋转，就把阀门开度位置转换为了电压信号反馈给控制电路板。控制电路板把阀门开度位置信号与给定的控制信号进行比较，控制电机正向或者反向运动，再经过传动机构改变阀门的开度位置。如此组成闭环系统，使阀门稳定在所需位置上。,上一页,返回,图2-1 电阻应变片的结构,1引线；2覆盖层；
45、3敏感栅；4基底,返回,图2-2 金属电阻应变片,(a)丝式应变片；(b)箔式应变片,1电阻丝；2金属箔；3基底,返回,图2-3 半导体应变片,1半导体；2基底,返回,图2-4 应变片横向效应,返回,图2-5 应变片的机械滞后特性,返回,图2-6 应变片的应变极限特性,返回,图2-7 直流电桥,返回,图2-8 直流电桥的连接方式,(a)单臂电桥；(b)差动半桥；(c)差动全桥,返回,图2-9 直流电桥的调零,返回,图2-10 用补偿块实现温度补偿,(a)试件；(b)补偿块,返回,图2-11 应变式测力传感器,返回,图2-12 筒式应变压力传感器,(a)结构示意图；(b)筒式弹性元件；(c)应变
46、计布片,返回,图2-13 应变式加速度传感器,1壳体；2质量块；3悬臂梁；4应变片；5阻尼油,返回,图2-14 应变式扭矩传感器展开图,1应变片；2薄壁筒,返回,图2-15 半导体应变片,1基底；2P-Si片；3内引线；4焊接板；5外引线,返回,图2-16 微型压阻式压力传感器,1引线；2硅橡胶导管；3圆形金属外壳；4硅片梁；5金属插片；6塑料壳；7金属波纹膜片；8推杆,返回,图2-17 铂热电阻传感器外形与结构图,(a)实物图；(b)结构示意图1绕线体；2热电阻；3外壳；4固定座；5接线盒,返回,图2-18 热电阻测量电桥的三线连接,返回,图2-19 带非线性校正的Pt100测量转换电路,返回,图2-20 热敏电阻的结构与符号,(a)热敏电阻结构(b)符号,返回,图2-21 热敏电阻温度特性图,返回,图2-22 电位器式传感器,(a)直线位移型；(b)角位移型；(c)非线性型,返回,图2-23 电位器式传感器空载特性分析,返回,图2-24 电位器式传感器负载特性分析,返回,图2-25 乳粉包装称重系统示意图,返回,图2-26 干式变压器温度控制仪原理框图,返回,图2-27 电动阀门控制器实物图,返回,图2-28 电动阀门系统框图,返回,
