传感器及其应用3教学教材

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课 题 授课班级 教学目标 教学重点 教学难点 第三章 电阻式传感器 第一节 电阻应变片式传感器 课 型 授课时数 新课 2 1．理解电阻应变片的结构、工作原理。 2．了解应变片参数、选择、使用要求。 3．掌握应变片的测量电路及应用。 4．了解温度误差及补偿。 1．电阻应变片的工作原理及参数。 2．两种测量电路的工作原理及有关特性。 不同测量电路的输出电压的计算及工作原理。 学情分析 教学效果 教后记 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢2

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A、复习 新授课 B、新授课 传感器的概念。 电阻式传感器：通过电阻参数的变化来达到非电量电测量目的的传感器。 第一节 电阻应变片式传感器 一、电阻应变片的结构、工作原理 1．应变片结构与类型 电阻应变片的结构组成与图3 - 1给出的电阻丝式应变片的结构基本相同。L——应变片的标距（或称工作基长），它是敏感栅沿轴向测量变形的有效长度；b——敏感栅的宽度（或称基宽）。 图3 - 1 电阻丝应变片基本结构 1—基底 2—敏感栅 3—履盖层 4—引线 纸基型丝式胶基型金属应变片箔式应变片的种类： 薄膜式半导体应变片图3 - 2列举了几种不同类型的电阻应变片： 图3 - 2 电阻应变片 （a）金属丝式应变片 （b）金属箔式应变片 (c)半导体应变片 2．工作原理 电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应。即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也要随之发生相应的变化。金属丝的电阻（R）与材料的电阻率（）及其几何尺寸（长度L、截面积A）有关， (提问） （参照图片介绍性讲解） （举例分析） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢3

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R = ρL / A 金属丝在承受机械变形的过程中，L，A都要发生相应变化，因而就必然要引起 金属丝的电阻值发生变化。 二、应变片参数 1．标准电阻值（R0）——指的是应变片的原始阻值，单位为 。 2．绝缘电阻（RG）——指的是敏感栅与基片之间的电阻值，一般应大于10 M。 3．灵敏系数（K）——指的是应变片安装到被测物体表面后，在其轴线方向 上的单向应力作用下，应变片阻值的相对变化与被测物表面上安装应变片区域的 轴向应变之比。 4．应变极限（ξmax）——指的是恒温时的指示应变值和真实应变值的相对差 值不超过一定数值的最大真实应变值。这种差值一般规定为10%，当示值大于真 实应变10%时，真实应变值就称为应变片的应变极限。 （参考教5．允许电流（Ie）——指应变片允许通过的最大电流。 材中应变6．机械滞后，蠕变及零漂 片的型号、使用三、选择、使用要求 特点、材① 要确切了解各种应变计（或应变片）的使用特点，适用范围及型号（代料、粘合号）的含义。 剂性能列② 选择好粘合剂。 表说明） ③ 制定合理的粘贴工艺。 1． 电阻应变片特点、型号和有关说明 具体选用按下列方法进行： （1）类型选择 （2）材料选择 （3）阻值选择 （4）尺寸选择 （5）其他考虑 2．粘合剂选择 ① 与试件表面（或被测表面）有很高的粘合强度。 ② 弹性模量大，蠕变、滞后小，温度和力学性能参数要尽量与试件（或被 测物）相匹配。 ③ 抗蚀性、涂刷性要好，工艺简单，变形小，使用方便，可长期贮存。 ④ 电绝缘性能、耐老化性能、耐温性能、耐湿性能良好。 3．粘贴工艺 （1）应变片检查 （2）修整应变片 （3）试件（被测物）表面处理 即 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢4

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（4）确定粘贴应变片的定位线 （5）粘贴应变片 （6）固化处理 （7）粘贴质量检查 （8）引出线的固定与保护 （9）防潮防蚀处理 四、测量电路 在电阻应变片式传感器中，最常用的转换测量电路是桥式电路。按供桥电源的性质不同，桥式电路可分为交流电桥电路和直流电桥电路。 1．直流电桥电路 如图3 - 3所示，直流电桥电路的四个桥臂是由电阻R1，R2，R3，R4组成，其中a，c两端接直流电压U，而b，d两端为输出端，其输出电压为 U。一般情况下，桥路应接成等臂电桥(即R1 = R2 = R3 = R4)且输出 U = 0。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，从而导致有信号输出。其输出电压为 ∆U = Uab – Uad U(R1R3R2R4) (R1R2)(R3R4) 图3 - 3 直流电桥电路原理图 图3 - 4 单臂电桥工作原理图 图3 - 5 全等臂电桥工作原理图 单臂电桥工作（即只有一路被测信号 ∆R进入电桥电路，如图3 - 4所示）时，其输出电压为 ∆U = ΔRU / 4R 由此说明，当电桥的桥臂电阻受被测信号的影响发生变化时，电桥电路的输出电压也将随之发生变化。从而实现由电阻变化到电压变化的转换。 当桥路的4个桥臂同时工作时（即4个桥臂上都有一个外来信号 R，如图3 - 5所示），桥路的输出电压为： UUR1R2R3R4 4R （对比） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢5

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2．电桥灵敏度 图3 - 6 直流电桥的联接方式 （a）半桥单臂 （b）半桥双臂 （c）全桥 （1）半桥单臂 如图3 - 6（a）图所示，若传感器输出的电阻变化量 R只接入一个桥臂中，工作时只有一个桥臂的阻值随被测量发生变化（R1 + R1)，其余三臂的阻值R没有变化（R2 = R3 = R4 = 0）。此种情况下，桥路的灵敏度为：K = U / 4。 （2）半桥双臂 如图3 - 6（b）图所示，若有两个桥臂参与工作时，桥路的灵敏度为 K = 2U / 4 = U / 2。 （3）全桥 如图3 - 6（c）图所示，若4个桥臂都参与工作时，桥路的灵敏度就为 K = 4U / 4 = U。 综合上述3种情况，我们可以得出桥式电路的灵敏度的通解公式为 K = a U / 4 （a - 桥臂系数） 该式表明： 桥臂系数（a）越大，电桥电路的灵敏度越高；供桥电压（U）越大，电桥电路的灵敏度也愈高。 五、温度误差及补偿 1．温度误差的产生原因 （1）因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形。 （2）因被测物体材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变。 2．常用的温度补偿方法 （1）桥路补偿（补偿片法） 测量时应变片是作为平衡桥的一个臂参与测量应变的。 图3 - 7中R1——工作片，R2——补偿片，工作片R1粘贴在被测物体上需测量应变的位置上，补偿片R2粘贴在一块不受应力作用但却与被测物体材料相同补偿块上，并且处于和被测物体相同的温度环境中（如图3 - 7（b）所示）。由于R1和R2分别接在图3 - 7 桥路补偿法 （引导学生共同分析） （讲解） （参考教材简单介绍） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢6

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电桥相邻的两个臂上（如图3 - 7（a）所示），此时因温度变化而引起的电阻变化 R1和 R2的作用可相互抵消，从而起到温度补偿的作用。 （2）应变片自补偿法 采用特殊应变片粘贴在被测部位上，在温度发生变化时使所产生的附加应变为零或相互抵消。 六、应用 1．位移传感器 应变式位移传感器是把被测位移量转换成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出一个正比于被测位移的电量。 2．电子皮带秤 电子皮带秤是一种能连续秤量散装材料（矿石、煤、水泥、米、面等）的质量的测量装置。它不但可以秤出某一瞬间在输送带上输出的物料的重量，而且还可以秤出某一段时间内输出物料的总重量。 练习 思考题与习题 3 - 1、3 - 2 小结 纸基型丝式胶基型金属应变片箔式1．应变片的类型： 薄膜式半导体应变片U(R1R3R2R4)2．直流电桥输出电压为：∆U ； (R1R2)(R3R4)单臂电桥输出电压为：∆U = ΔR U / 4R； 全等臂电桥输出电压为：K = 4U / 4 = U。 3．桥式电路的灵敏度的通解公式为：K = a U / 4 （a - 桥臂系数） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢7

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布置作业 思考题与习题 3 - 3 课 题 授课班级 第三章 电阻式传感器 第二节 气敏与湿敏电阻传感器 课 型 授课时数 新课 2 1．掌握学习气敏、湿敏电阻应变片的概念、工作原理。 2．了解基本的气敏传感器的结构组成、电路 配置。 教学目标 3．掌握湿敏电阻传感器的基本概念、工作原理及测量电路。 1．气敏与湿敏电阻传感器的工作原理。 2．气敏传感器的应用电路及湿敏电阻传感器教学重点 的测量电路。 教学难点 教材中几个基本电路的工作原理。 学情分析 教学效果 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢8

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教后记 (提问） 电阻式传感器。 新授课 B、新授课 第二节 气敏与湿敏电阻传感器 一、气敏电阻传感器 （讲解） 1．气敏电阻传感器的基本概念 气敏电阻传感器是利用半导体气敏元件与被测气体接触后，造成半导 体性质发生变化并引起阻值等发生变化，从而以此来检测待定气体的成分 或浓度的传感器的总称。气敏传感器的传感元件是气敏电阻。 2．工作原理 下面仅以半导体气敏电阻传感器为例，简要介绍它的工作原理。半导 体气敏电阻传感器有表面型和体型两大类。此外还有电阻式和非电阻式的 区别。 （1）表面型 （注意区SnO2和ZnO等比较难还原的金属氧化物所制成的半导体，接触气体时别） 在比较低的温度时就会产生吸附效应，从而改变半导体表面的电位、电导 率等。 （2）体型 —Fe2O3这一类较容易还原的氧化物半导体在接触到低温下的气体A、复习 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢9

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时，半导体材料内的晶格缺陷浓度将发生变化，从而使半导体的电导率发生改变。 （3）电阻式 当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种型式的传感器称为电阻式半导体气敏传感器。 （4）非电阻式 当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。 3．分类 气敏电阻传感器的分类及有关说明列于下表中。 分类 主要物理特性 传感器举例 工作温度 被测气体 电 阻 式 非 电 阻 式 表面型 电 阻 氧化锡，氧化锌 −Fe2O3、氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡 氧化银 铂/硫化镉、铂/氧化钛 铂栅MOS场效应管 室温 ~ 450 ℃ 300 ℃ ~ 450 ℃、 700 ℃以上 室 温 室温 ~ 200 ℃ 150 ℃ 可燃性气体 酒精、可燃性气体、氧气等 乙 醇 氢气、一氧化碳、酒精 氢气、硫化氢 体型 表面电位 二极管整流特性 晶体管特性 4．组成结构 （1）表面型半导体气敏传感器 这是一种利用半导体表面在吸附气体时半导体元件电阻值发生变化的特性制成的传感器件。其结构组成如图3 - 8所示。图3 - 9为该器件的外形结构及测量电路。 图3 - 8 半导体敏感元件结构示意图 （简单介绍） （参考教材中的国产QN型气敏半导体器件的主要特性） （讲解） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢10

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（a）烧结元件 （b）薄膜元件 （c）厚膜元件 （d）多层结构元件 图3 - 9 QN型气敏电阻传感器 （a）外形结构 （b）测量电路 （2）非电阻式半导体气体传感器 以钯、铟等金属薄膜形成的MOS二极管传感器及钯/硫化隔二极管传感器，均可以用来检测氢气的浓度，是目前对氢气成分、浓度等参量进行检查的有效器件。图3 - 10，图3 - 11分别介绍了钯 - MOS二极管敏感元件及应用光电动势作用的钯 - MOS二极管敏感元件结构示意图。 图3 - 10 钯 - MOS二极管敏感元件 图3 - 11 应用光电动势作用的 钯 – MOS二极管敏感元件 5．应用及电路配置 （1）可燃气体检测器 对于可燃气体的检测目前比较适用的方法就是用QN型气敏半导体传感器进行测量。其测量电路如图3 - 9（b）所示。除此以外，还有一种P型气敏半导体检测仪，可用于对多种气体的泄漏进行测量，在浓度测量及超限量报警等方面精度也比较高。 （2）气体泄漏报警器及其自动通风电路 当SiO2半导体表面上吸附了被测气体（特别是有毒气体）时，其电导率将发生变化。该气体泄漏报警装置，可很快地检测出一氧化碳、氨气及各种溶剂蒸气等有毒气体。与此同时还可以自动接通排气扇电路，达到净化空气的目的。其控制电路如图3 - 12所示。 （参考图片讲解） （讲解） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢11

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（参考教材中的分类表） 图3 - 12 报警器及通风装置电路图 图3 - 13 气体浓度变化及排气扇工作状态图 电路说明： 当污染气体浓度达到一定程度时，传感器的电阻因受污染气体作用而 减小，导致晶体管T1接通，继电器工作，启动风扇通风。另如图3 - 13所 示，当污染气体的浓度超过了由RP2所设定的Cs值时，风扇即自动工作， 将污染气体排出。并且在气体浓度低于给定值Cs后，风扇仍继续工作，只 有当浓度降至Cd点时，风扇才停止工作。 二、湿敏电阻传感器 （讲解电路原理） 1．基本概念 湿敏电阻传感器是一种用于检测空气湿度的传感器件。它是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理研制而成的，其传感元件为湿 敏电阻。 2．工作原理 在电绝缘物中浸渍吸湿性物质，或者通过蒸发、涂敷等工艺，在表面 上制备一层金属、半导体、高分子薄膜和粉状颗粒，形成湿敏电阻器件。 在吸湿元件的吸湿和脱湿过程中，水分子分解出的H＋离子传导状态发生变 化，从而使湿敏电阻值发生变化。 3．分类 （1）利用水分子对元件材料表面具有较强的吸附和渗透性制成的水分 子亲和力型； （2）水分子吸附和渗透能力差的非水分子亲和型。 4．测量电路及使用要求 目前使用的大部分湿度传感器不仅对湿度变化很敏感，而且对温度的 变化也比较敏感，因此必须对元件进行温度补偿，同时还必须采用线性化 测量线路进行处理。 （1）陶瓷湿度测量用传感器的检测电路 如图3 - 15所示。这种电路把交流电压加到传感器上，由振荡电路、缓冲器、整流电路、温度补偿差分放大电路、湿度输出放大电路、温度检 测电路和温度输出放大电路等构成。该电路电源电压为 +12 V，振荡电路仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢12

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的振荡频率为1 kHz，传感器特性的线性补偿由R1，R2，R3完成。传感器的温度系数为0.7% RH / ℃，常用热敏电阻器构成温度补偿电路，A5用于温度检测，它能和同级的温度放大电路A6同时取出温度的输出信号；而A4则可将湿度传感器取出的信号经A2放大并与T·H热敏电阻的温度信号经A3合成后输出一个湿度信号。采用这种电路能检测（35 ~ 85）% RH的湿度值，精度大约为 +4 % RH左右。 图3 - 15 相对湿度检测电路图 （2）低湿度传感器检测电路 图3 – 16是一个典型的低湿度传感器检测电路图。它采用的是一种由运算放大器和高电阻组成的低湿度检测电路。图中的运算放大器A1，A2，A3，为传感器信号的初级放大和差分放大电路。A4，A5，A6则是该传感器的线性修正电路和采用热敏电阻做温度补偿的电路。如果湿度传感器的B常数与热敏电阻上的B常数一致时（即60% RH时为4200），就可直接取出与温度无关的信号。这种传感检测系统的温度 - 湿度特性曲线如图3 - 17所示。这也是镍铁氧体温度传感器的电阻 - 湿度关系曲线。 （讲解电路各部分作用） （简单介绍） 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢13

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图3 - 16 低湿度检测电路 图3 - 17 温度 - 湿度特性曲线 5．应用 湿度传感器在产品质量管理，环境监测与控制等方面都起着重要的作用。 练习 思考题与习题 3 - 5 1．气敏电阻传感器是利用半导体气敏元件与被测气体接触后，造成半导体性质发生变化并引起阻值等发生变化，从而以此来检测待定气体的成分或浓度的传感器的总称。 2．湿敏电阻传感器是一种用于检测空气湿度的传感器件。它是利用材料的电气性能或机械性能随湿度而变化的原理研制而成的。 3．湿敏电阻传感器分类：水分子亲和力型、非水分子亲和型。 思考题与习题 3 - 4 小结 布置作业

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