第2章電阻式傳感器及其信號調理

電阻式傳感器的基本原理是依據某種物理、化學或生物效應將某種非電量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路將電阻值的變化變成電信號輸出，從而完成非電量的電測量。電阻式傳感器的類型包括熱電阻、應變片、熱敏電阻、濕敏電阻、光敏電阻、氣敏電阻等。目錄

2.1電阻應變片

2.2其它電阻式傳感器2.3電阻式傳感器的信號調理2.1電阻應變片2.1.1電阻應變片的工作原理——應變效應電阻應變片基于金屬材料的應變效應。因形變而使其阻值發生變化的現象稱為電阻應變效應。對于橫截面均勻的導體(或半導體)，其電阻為

兩邊進行微分運算，求得其電阻相對變化應變原理演示

圖2-1導體受拉伸后的參數變化軸向線應變或縱向線應變

面應變

負號表示面應變與線應變成正比，但是變化方向相反。

實驗證明，體應變

金屬材料

綜合得2.1.2電阻應變片的結構、種類1電阻應變片的結構電阻應變片的結構如圖所示，由敏感柵(金屬絲或箔)、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線等組成。圖2-2金屬電阻應變片的結構

2電阻應變片的種類按敏感柵的結構形式，金屬電阻應變片可分為絲式、箔式、薄膜式等。圖2-3金屬應變片的結構形式

金屬絲式應變片的結構箔式應變片的外形2.1.3電阻應變片的主要特性1靈敏系數靈敏系數為應變片的電阻相對變化與試件主應力方向的應變之比。電阻應變片的靈敏系數與單純的電阻絲的靈敏系數是不相同的,原因：(1)試件的形變是通過剪力傳到敏感柵上的。(2)柵絲沿長度方向承受縱向應變時，應變片彎角部分承受橫向應變，其截面積變大，則應變片直線部分電阻增加時，彎角部分的電阻值減少，也使應變片的靈敏度下降。2橫向效應橫向效應：沿應變片軸向的應變必然引起應變片電阻的相對變化，而沿垂直于應變片軸向的橫向應變也會引起其電阻的相對變化。3機械滯后，零漂及蠕變應變片安裝在試件上以后，通過實驗，在一定的溫度下，在零到某一指定應變之間的應變范圍內，作出應變片電阻相對變化與試件機械應變之間加載和卸載的特性曲線，二者并不重合，這種現象稱為應變片的機械滯后。產生機械滯后的原因，主要是金屬絲、粘結劑和基底在承受機械應變后都留有殘余變形。零漂：已粘貼的應變片，在溫度保持恒定、試件上沒有應變的情況下，應變片的指示應變會隨時間的增長而逐漸變化，此變化就是應變片的零點漂移。蠕變：已粘貼的應變片，在溫度保持恒定時，承受某一恒定機械應變長時間的作用，應變片的指示應變會隨時間而變化。在應變片工作時，零漂和蠕變是同時存在的。在蠕變值中包含著同一時間內的零漂值，這兩項指標都是用來衡量應變片特性對時間的穩定性，在長時間測量時其意義突出。4溫度效應環境溫度變化時，會引起粘貼到試件上的電阻應變片阻值的變化。從電信號方面看，似乎發生了應變，即產生了虛假應變，這種現象稱為溫度效應。溫度改變引起電阻變化的主要因素有二：其一是應變片電阻絲的溫度系數；其二是電阻絲材料與試件材料的線膨脹系數不同。5應變極限指當溫度一定時，指示應變和真實應變的相對差值不超過一定數值時的最大真實應變數值。一般規定此差值為10％，即指示應變數值為真實應變的90％時的真實應變值稱為應變片的極限。6電阻應變片的動態響應特性動態應變是以應變波的形式在試件中傳播的，它的傳播速度V與聲波相同。圖2-4應變波

2.1.4電阻應變片的粘貼技術應變片的粘貼步驟如下：(1)應變片的檢查與選擇。(2)試件的表面處理。(3)底層處理。(4)貼片。(5)固化。(6)粘貼質量檢查。(7)引線焊接與組橋連線。

應變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

2.貼片：在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。3.測量：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發現端子折斷和壞的應變片。

4.焊接：

將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。

2.1.5電阻應變片的典型應用舉例電阻應變片主要有以下兩種應用方式：1)被測量為應變2)被測量為除應變外的其他非電量力可以通過實心軸、空心軸、懸臂梁、雙端固支梁等結構型式的敏感器轉換為應變。如圖2-5所示為實心軸，通過材料力學知識的推導，可得軸向應變和徑向應變分別為

圖2-5實心軸力敏感器圖2-6所示為采用實心軸力敏感器的電阻應變式力傳感器，是通過將應變片粘貼到受力的實心軸力敏感器上而構成的。

圖2-6應變式力傳感器示意圖

【例2-1】一個=2.1（應變靈敏度系數）的350應變片被粘貼到鋁支柱（E=73GPa）上。支柱的外徑為50mm，內徑為47.5mm。試計算當支柱承受1000kg負荷時電阻的變化。

應變式力傳感器

S型力傳感器

FFFF各種懸臂梁

各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜應變片在懸臂梁上的粘貼及變形

應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R4應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）FF應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）FF荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。汽車衡測量裝貨量或判斷超載荷重傳感器用于構件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）底座墊塊電纜電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示電子天平電子天平的精度可達十萬分之一電子秤中的各類彈性元件

應變式數顯扭矩扳手

數顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程2~500N·m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。應變式數顯扭矩扳手（續）汽車子午線輪胎胎壓的測量子午線輪胎汽車胎壓傳感器的安裝電阻應變儀（續）接線端子材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試

材料應變的測量（續）預應力管樁的質量檢驗：工作人員正在貼應變片

應變片粘貼在管樁上，引出線應良好固定目錄

2.1電阻應變片

2.2其它電阻式傳感器2.3電阻式傳感器的信號調理2.2其它電阻式傳感器2.2.1壓阻式傳感器半導體材料受到應力作用時，其電阻率會發生變化，這種現象稱為“壓阻效應”。

設E為半導體材料的彈性模量

同樣，由電阻定律表達式可推出半導體材料壓阻效應的定量表達式

對于半導體材料，因此依據半導體的壓阻效應，制成兩類傳感器。一類是利用半導體材料的體電阻制成粘貼式應變片，制作成半導體應變式傳感器。另一類是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，亦稱擴散型壓阻式傳感器。壓阻式傳感器的優點是：①靈敏度非常高，有時傳感器的輸出不需放大可直接用于測量；②分辨率高，測壓力時可測10Pa至20Pa的微壓；③元件有效面積可做得很小，故頻率響應高；④可測量低頻加速度與直線加速度。壓阻式傳感器的最大缺點是溫度誤差較大。半導體應變片半導體應變片的主要優點是靈敏度高；缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用溫度補償及非線性補償措施。

2.2.2熱電阻利用電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感器，按采用的電阻材料可分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩大類。制作溫度敏感元件的電阻材料要滿足以下要求：①要有盡可能大而且穩定的電阻溫度系數；②電阻率大，以便在同樣靈敏度下減小元件尺寸；③電阻溫度系數要保持單值，并且最好是常數，以保證電阻隨溫度變化的線性關系；④性能要穩定，在電阻的使用范圍內，其物理、化學性能基本保持不變。廣泛應用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等。

1鉑熱電阻傳感特性鉑易于提純，復制性好；在氧化性介質中，甚至高溫下，其物理化學性質極其穩定；但在還原性介質中，特別是在高溫下很容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所沾污，使鉑絲變脆，并改變了它的電阻與溫度的關系。鉑電阻溫度計的使用范圍是-200℃--850℃。鉑熱電阻已經標準化,常用分度號為PT100當溫度在-200℃--0℃范圍內時，鉑熱電阻和溫度的關系為

當溫度在0℃--850℃范圍內時，鉑熱電阻和溫度的關系為

式中t—攝氏溫標下的溫度值；Rt—t℃時的阻值；R0—0℃時的阻值；A—常數，B—常數，C—常數，2銅熱電阻傳感特性銅熱電阻的溫度系數比鉑熱電阻大，價格低，而且易于提純；但存在著電阻率小，機械強度差等弱點。銅熱電阻已經標準化,常用分度號為ＣＵ５0銅熱電阻在-50℃—150℃的使用范圍內，其電阻值與溫度的關系近似線性關系，可表示為式中Rt——溫度為t℃時的阻值；R0——溫度為0℃時的阻值；α——電阻溫度系數，圖2-9熱電阻的結構

3熱電阻的結構熱電阻主要由電阻體、絕緣套管和接線盒等組成。電阻體主要組成部分為電阻絲、引出線、骨架等。薄膜式及裝配式鉑熱電阻

小型鉑熱電阻

防爆型鉑熱電阻

堅實的外殼起“隔爆”作用汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻學習查“鉑熱電阻分度表”1.Pt100在40℃時為多少歐？2.鉑熱電阻是否線性？2.2.3熱敏電阻熱敏電阻是利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的性質制成的。1傳感特性熱敏電阻可分為負溫度系數NTC型熱敏電阻、正溫度系數PTC型熱敏電阻、臨界溫度系數CTR型熱敏電阻三種。圖2-11熱敏電阻的傳感特性

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發現其冷態阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態電阻值應為484。

請說明鎢絲的溫度系數的正負。

2伏安特性靜態情況下熱敏電阻上的端電壓與通過熱敏電阻的電流之間的關系稱為伏安特性。圖2-12熱敏電阻的伏安特性

3主要參數（1）標稱電阻值RH（2）耗散系數（3）電阻溫度系數（4）熱容（5）能量靈敏度（6）時間常數（7）額定功率熱敏電阻有以下優點：①靈敏度高。半導體的電阻溫度系數比金屬大，一般是金屬的十幾倍；②體積小、熱慣性小、結構簡單?？筛鶕煌螅瞥筛鞣N形狀；③化學穩定性好，機械性能好，價格低廉，壽命長。熱敏電阻的缺點是復現性和互換性差，非線性嚴重。圖2-13利用熱敏電阻測量流量

2.2.4氣敏電阻半導體氣敏電阻是用氧化鋅、氧化錫等金屬氧化物材料制作的敏感元件，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。1基本結構直熱式氣敏電阻元件制作工藝簡單、成本低、功耗小，可在較高回路電壓下使用，可制成價格低廉的可燃氣體泄漏報警器。

圖2-14直熱式氣敏電阻

2工作原理燒結型SnO2氣敏元件是表面電阻控制型氣敏元件。圖2-15半導體氣敏電阻的傳感特性示意圖圖TGSl09型氣敏傳感器結構圖

氣敏傳感器的應用自動通風扇氣敏電阻放大電路加熱電源比較器電路觸發電路晶閘管電路排風扇溫度補償喇叭聲光報警驅動電路閃光指示油煙(煤氣)圖8自動通風扇的原理框圖

1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學獎。

2.2.5光敏電阻1傳感原理——內光電效應光敏電阻的阻值與其受到的光的照度有關。無光照時，光敏電阻阻值很高，有光照時，其阻值大大下降，光照越強其阻值越低；光照停止，又恢復高阻狀態。其依據是半導體材料所具有的光電導效應。圖2-16內光電效應示意圖光敏電阻演示

當光敏電阻受到光照時，光生電子-空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）光敏電阻

當光敏電阻受到光照時，阻值減小。光電導效應及光電元件2光敏電阻的種類(1)檢測紫外光的光敏電阻(2)檢測可見光的光敏電阻(3)檢測紅外光的光敏電阻3光敏電阻的基本特性(1)光譜特性光敏電阻的光譜特性是指光電流對不同波長單色光的相對靈敏度。圖2-17光敏電阻的光譜特性（2）光照特性光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓下，光電流I與光照強度E的關系。圖2-18光敏電阻的光照特性(3)伏安特性光敏電阻的伏安特性是指在一定強度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關系。圖2-19光敏電阻的伏安特性（4)頻率特性頻率特性指光敏電阻上的光電流對入射光調制頻率的響應特性。圖2-20光敏電阻的頻率特性

(5)溫度特性溫度特性指光敏電阻工作特性受溫度的影響。圖2-21光敏電阻的溫度特性

2.2.6磁敏電阻磁敏電阻的阻值隨磁場強度的變化而變化。圖2-22InSb磁敏電阻的基本結構

圖2-23InSb磁敏電阻的特性曲線為提高磁敏電阻的阻值，往往采用曲折型結構圖2-24曲折型結構磁敏電阻磁敏電阻直接測量的非電量是磁感應強度。若某種非電量能夠借助敏感元件轉換為磁感應強度，則也可用磁敏電阻完成該非電量的檢測。例如，可采用磁敏電阻檢測位移、角度、電流、電功率等。目錄

2.1電阻應變片

2.2其它電阻式傳感器2.3電阻式傳感器的信號調理2.3電阻式傳感器的信號調理2.3.1惠斯登電橋1直流電橋與交流電橋在人工靜態應變測量中可采用平衡電橋，通過對調節臂電阻的手動調節，使電橋達到平衡，用調節臂電阻的阻值表示被測應變值。電橋有直流電橋與交流電橋之分。2直流電橋時，稱為等臂電橋；，()時，稱為輸出對稱電橋。，()時，稱為電源對稱電橋。電橋輸出電壓為電橋平衡條件為圖2-26單臂工作電橋圖2-27雙臂電橋圖2-28四壁電橋【例2-3】如將兩個120電阻應變片平行地粘貼在鋼制試件上，試件負載截面積為，彈性模量E=200GN/m2，由50kN的拉力所引起的應變片電阻變化為1.2。把它們接入惠斯登電橋中，電橋電源電壓為l.0V，求應變片靈敏系數和電橋輸出電壓為多少?【例2-4】圖2-29利用運算放大器對熱電阻進行恒流源激勵，將被測溫度轉換為輸出電壓信號，設傳感器分度號為Pt100，測量范圍為20℃~100℃，分辨率為0.1℃，測量環境為流速0.4m/s的水，耗散系數，參考電壓為5V，要求測量裝置的靈敏度為1mV/℃,計算電阻。3交流電橋交流電橋的一般形式如圖2-30所示。圖2-30交流電橋的一般形式

與分析直流電橋的分析方法、結論表達形式完全相同。同理也可推出交流供電的單臂、全橋時的表達式。交流電橋初始調平衡更為復雜些，一般既有電阻預調平衡，也有電容預調平衡。壓阻式固態壓力傳感器

利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態響應快。

壓阻式固態壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

壓阻式固態壓力傳感器內部結構信號處理電路p小型壓阻式固態差壓傳感器（續）可用于呼吸、透析和注射泵等設備p1進氣管p2進氣管電纜引出小型壓阻式固態壓力傳感器（續）表壓壓力傳感器p1進氣管休息一下2.3.2測量放大電路1實際運算放大電路分析目前集成運算放大器在開環增益和輸入電阻上大多可以接近理想運算放大器。在一般放大電路的設計中采用虛短和虛斷的概念是允許的。對于交流放大電路，主要關心的是交流信號的幅值。多級放大電路的各級之間一般有隔直措施，此時主要關注的是電路的頻率特性。圖2-31輸入電流的影響分析理想運算放大器兩輸入端的輸入電流為零，實際運算放大器兩輸入端的輸入電流卻不可能為零。圖2-32改進的反相和同相放大器圖2-33輸入失調電壓影響分析對差動輸入放大器進行討論。輸出電壓中存在一個數值為Zf／Z1(Ui+-Ui-)的項，該項正比于差分輸入信號，是差動放大器期望的輸出結果。但是在輸出結果中還存在始終等于同相輸入Ui+的另一項，這使得輸出電壓與差分輸入電壓呈非線性關系。圖2-34為改進的差動放大電路。利用虛短和虛斷的概念，得到Uo的表達式為令Z2＝Z1，Z3=Zf

輸出與差分輸入之間的線性關系。圖2-34差動放大器的標準設計2測量放大電路的基本要求與類型基本要求：①輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；②穩定的放大倍數；③低噪聲；④低的輸入失調電壓和輸入失調電流以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉換速率(無畸變地放大瞬態信號)；⑥高共模輸入范圍(如達幾百伏)和高共模抑制比；⑦可調的閉環增益；⑧線性度好、精度高；⑨成本低。按測量放大電路的結構原理可分為差動直接耦合式、調制式和自動穩定式三大類。3典型測量放大電路的工作原理當傳感器的工作環境惡劣時，傳感器的輸出有各種噪聲，共模干擾很大，而傳感器的輸出信號弱、輸出阻抗大時，一般運放已不能勝任，在這種情況下可用儀器放大器對差值信號進行放大。儀器放大器輸入阻抗高，易于與各種信號源相匹配。它的輸入失調電壓和輸入失調電流及輸入偏置電流小，并且溫漂小，時間漂移小，因而穩定性好。它的共模抑制比高，適于在高共模電壓的背景下對微小差值信號進行放大。（1）儀器放大器的工作原理圖2.35是儀器放大器的原理圖。由運算放大器A1和A2構成第1級，由運放A3構成第Ⅱ級。各運放一般是高性能放大器。圖2-35三運放儀器放大器原理圖4單片集成測量放大器近年來，利用線性集成電路先進工藝而設計制成的單片集成測量放大器。圖2-36AD612集成測量放大器內部電路結構圖2-37AD612集成測量放大器和測量電橋的接線圖圖2-38AD521R、S端的連接a)接有遠距離負載b)輸出端接有跟隨器2.3.3多功能傳感信號調理電路AD693AD693是ADI公司推出的一種單片信號調理器，它具有高精度、多功能的特點。其用途十分廣泛，使用也非常靈活；可用做小信號U/I轉換器，還可作為各種傳感器(例如鉑熱電阻、熱電偶、電阻應變片測量電橋)的信號調理器。AD693適用于傳感測試系統、工業過程控制及自動化儀表領域。AD693的同類產品為AD694，AD694適合接收高電平輸入信號，但芯片內部沒有備用放大器。1AD693的性能特點①內含可編程輸入放大器、U/I轉換器和多路輸出式基準電壓源。②輸出電流有三種形式：4mA－20mA(單極性)，0－20mA(單極性)，12mA±8mA(雙極性)。③輸入電壓范圍和電流零點均可單獨調節，二者互不影響。用戶可根據需要靈活設計輸入電壓范圍。④高精度。⑤利用芯片中的備用放大器，可對由鉑熱電阻(PRTD)、各種熱電偶及電阻應變片橋路所產生的信號進行調理(包括緩沖、放大、與其他信號進行組合等)。⑥帶Ptl00型PRTD接口，配鉑熱電阻時的測溫誤差為±0.5℃。⑦利用外部電阻可選配不同類型的熱電偶并設定最高測量溫度。⑧具有過電流保護和反向過電壓保護功能