第2章 电阻式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,5,420,*,2,.1电阻应变式传感器,2,.2电位器传感器,2,.,3,热电阻传感器,2,.,4,气敏电阻传感器,2,.,5,思考题,电阻式传感器的基本转换原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，然后通过转换电路将电阻值的变化转换成电压或电流的输出。电阻是电量中最常用的物理量之一，因此电阻式传感器的应用非常广泛。本章研究的电阻式传感器主要为电阻应变片、热电阻、气敏电阻和电位计式电阻等传感器。利用电阻式传感器可以对应力、位移、温度、加速度、气体成分、湿度等参数进行测量。一般说来，电阻式传感器结构简单，性能稳定，且灵敏度较高，有的还适合于动态测量。,2.1,电阻应变式传感器,2.1.1,应变片与应变效应,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化，再用相应的测量电路（如电桥）将电阻转换成电压输出的传感器。任何非电量，只要能设法变换为应变，都可以利用电阻应变式传感器进行测量。例如，测压力时，可以利用弹性敏感元件将压力转换成为应变，再将应变片贴在敏感元件上，测量出应变片阻值变化引起的电压输出。因此，电阻应变式传感器的核心部分即为电阻应变片。常用的电阻应变片有电阻丝应变片和半导体应变片两种。,1,电阻丝应变片的结构,电阻丝应变片是用直径很细（约,0.025mm,），具有高电阻率的电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引出导线，线栅上面粘贴覆盖层（保护用）。电阻丝应变片结构示意图如图,2-1,所示。,图,2-1,中，为应变片的工作基长，,b,为应变片的工作宽度，,bl,为应变片的使用面积。应变片的规格一般以有效使用面积或标称阻值表示。例如，某电阻丝应变片为,100W,。,图,2-1,电阻丝应变片结构示意图,2,应变效应,电阻丝应变片的应变效应，可以从单根导线的电阻值,R,入手分析。,【,例,1】,有一根金属单丝，其长度为,l,，截面积为,S,，电阻率为,，则其电阻值,若沿着整条电阻丝长度作用均匀应力，由于,l,S,的变化均会引起,R,的变化，对上式求全微分，经整理得,此式就是应变效应的表达式。其中为应变灵敏系数，而电阻丝的即为电阻丝的轴向应变,e x,。因此,=,此式说明：应变片电阻值的变化，可以归结为电阻丝的轴向应变。测量时选定应变片，电阻丝的应变灵敏系数也就相应确定，应变片电阻值的相对变化量与应变片承受的轴向应变呈正比关系。,3,电阻丝应变片的结构、材料和特点,根据应变片原材料形状和制造工艺的不同，它的结构形式常见的有丝式、箔式和薄膜式三种。图,2-2,所示为丝式、箔式电阻丝应变片的结构形式。,图,2-2,电阻丝应变片结构形式,丝式应变片是最早使用的一种应变片，其应变片蠕变较大，而金属丝也较易脱胶，有被箔式应变片逐渐取代之势，但由于价格低廉，多用于应变、应力的一次性实验。,箔式应变片是一种通过光刻、腐蚀等工艺制造成的很薄的金属箔栅。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金（康铜）。其厚度一般在（,0.001,0.005,）,mm,，基片厚度多为（,0.03,0.05,）,mm,，基片和覆盖层多为胶质膜。箔式应变片的优点是表面积与截面积之比较大，散热条件好，允许有较高的电流密度，且灵敏度高，横向效应小，蠕变小，耐疲劳，寿命长，可以制成任意形状，易于加工，适用于成批生产，且成本低。目前已经广泛应用于各种应变式传感器的结构中。,在制造工艺上，还可以对箔式应变片进行适当的热处理以便使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度的影响降到最低程度。目前使用该工艺制造出来的应变式传感器在整个使用温度范围内，其温漂小于万分之几。,薄膜式应变片是采用真空蒸镀技术，在很薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻材料薄膜，最后再加上保护层制成的，为薄膜技术发展的产物（所谓薄膜是指厚度在,0.1,m,以下的膜）。它的主要优点是应变灵敏系数高，允许的电流密度大等。表,2-1,列出国内常用的应变片的型号与参数，以供参考。,表,2-1,几种常用的国产应变片,型 号,形 式,阻值（,W,）,灵敏系数,K,线栅尺寸（,mm,）,PZ-17,圆角线栅、纸基,120.2,1.95,2.1,2.817,8120,圆角线栅、纸基,118,2.01%,2.818,PJ-120,圆角线栅、纸基,120,1.9,2.1,312,PJ-320,圆角线栅、纸基,320,2.0,2.1,1111,PJ-5,箔式,1200.5%,2.0,2.2,35,BZ23,箔式,870.4%,2.05,23,BZ21.5,箔式,350.4%,2.05,21.5,应变片在实际测量中应用非常广泛，主要是由于它具有以下的特点：,（,1,）灵敏度高，性能稳定可靠，常用于测量（,1,2,）,mm,的应变，误差小于。,（,2,）应变片尺寸小，重量轻，结构简单，使用方便，测量速度快，可用于动态测量。,（,3,）测量范围大，可测变形范围从。,（,4,）适应性强，可以在高温、低温、高压、水下、强磁场、强辐射下工作（有温度补偿措施）。,（,5,）适于远距离测量。,4,半导体应变片,金属电阻应变片有一大弱点，就是灵敏系数,K,较低（约,2.0,3.6,），在,20,世纪,50,年代出现了半导体应变片，其灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数约高,50,倍。对一块半导体的某一轴向施加作用力时，它的电阻率会发生一定的变化，这种现象即为半导体的压阻效应。不同类型的半导体，施加不同载荷方向，压阻效应不一样。压阻效应大小用压阻系数表示。半导体应变片电阻率的变化可用下式表示,式中，,为纵向、横向压阻系数，此系数与半导体材料种类及应力方向与各晶轴方向之间的夹角有关；为纵向、横向承受的应力。,目前使用最多的是单晶硅半导体。几种常用的半导体应变片及其参数如表,2-2,所示。,N,型,+P,型,硅条尺寸,60.25,30.6,（,N,）,电阻值,基底尺寸,电阻温度系数,灵敏度温度系数,极限工作温度,允许电流,型 号,PBD7-1K,PBD6-350,PBD7-120,KSN-6-350-E3-23,KSP-3-F2-11,MS105-350,材 料,P,型单晶硅,P,型单晶硅,P,型单晶硅,N,型单晶硅,单 晶 硅,P,型单晶硅,（,mm,）,70.40.05,60.40.08,70.40.08,（长,宽）,30.3,（,P,）,190.50.02,（,）,10005%,3505%,1205%,350,120,350,灵敏系数,1405%,1505%,1205%,110,210,127,基底材料,酚醛树脂,酚醛树脂,酚醛树脂,酚醛树脂,酚醛树脂,环氧树脂,（,mm,）,107,107,107,104.5,104,25.412.7,（,1/,）,0.4%,0.3%,0.16%,（,1/,）,0.3%,0.28%,0.17%,（）,100,100,100,（,mA,）,15,15,25,生产国别,中,中,中,日,日,美,备注,温度自补偿型，适用于铝合金,两元件温度补偿型，适用于普通钢试件,硅片薄、挠性好，可贴在直径为,25mm,的圆柱面上,2.1.2,应变片式力传感器及测量电路,1,力传感器,力传感器是测量拉力或压力的传感器。常用测力传感器的测力范围为（,10-2,106,）,N,，精度较高。,如图,2-3,所示是力传感器简图，用等截面轴、悬臂梁、扭转轴和平膜片作为弹性敏感元件，将被测力,F,转换成应变，用应变片感受应变并转换成。图,2-4,即为常用的,BLR-1,型拉力传感器结构原理图。,图,2-3,力传感器简图,图,2-4 BLR-1,型拉力传感器结构原理图,1,螺钉；,2,铭牌；,3,壳体；,4,应变筒；,5,球面；,6,内压环；,7,盖；,8,膜片；,9,密封垫圈；,10,插头；,11,接线环,传感器弹性元件是圆管形的，在上面沿纵向和横向各粘贴四片应变片。每两片同方向的应变片串联组成一个桥臂，八片应变片组成全桥。这种传感器有着十六种额定载荷的分型号，最大为,106N,（,100t,），最小为,103N,（,0.1t,），随着载荷量的增加，传感器尺寸增大。,技术数据如下：,（,1,）非线性、滞后、重复性误差均小于额定载荷的,0.5%,；,（,2,）输入电压最高为,6,；,（,3,）,104N,以上分型号的输出灵敏度为,1.5mV/V,；,104N,以下分型号的输出灵敏度为,1mV/V,；,（,4,）工作温度范围为（,-10,+50,）；,（,5,）温度零漂值为,0.04%/,。,2,测量电路,电阻应变式传感器测量电路要实现的是将应变片的,R,/,R,转换成输出电压,U,o,。在应变片式传感器中最常用的是电桥，下面就以直流电桥为例，分析,U,o,与,R,/,R,的关系。图,2-5,为一直流电桥，设电桥各臂的电阻分别为,R1,，,R2,，,R3,，,R4,，它们可以全部或部分为应变片，,RL,为电桥的负载，,U,i,为电桥电源电压。,图,2-5,直流电桥,利用基尔霍夫定律，可以求得流过负载,RL,的电流为,式中，若，则,I,o=0,，此时电桥处于平衡状态，电桥无输出。,一般电桥的输出电压为,若电桥的负载电阻为无限大，则上式可简化为,当电桥各臂均有相应的电阻增量,R,1,，,R,2,，,R,3,，,R,4,，由上式可以得到,在实际情况下，往往使用等臂电桥，即,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，且当,R,DR,i,（,i,=1,2,3,4,）则上式可以写为,若（,i,=1,2,3,4,），则有,由上式表明：当,RDRi,时，电桥的输出电压与应变成线性关系。,实际应用中，电桥的四个桥臂不一定都贴上应变片，可以根据需要而定。常用的电桥有单臂电桥、双臂电桥和四臂电桥。,3,温度补偿,用应变片进行测量时，希望它的电阻值只随被测量对象的变化而变化，不受其他因素的影响。但是在实际测量中，环境温度的变化会引起电阻的相对变化，这样，就会造成温度误差。为此，需要进行温度补偿。温度补偿可用下述两种方法进行。,（,1,）热敏电阻补偿法：此种方法在热敏电阻的应用中讲到，此处不再叙述。,（,2,）电桥补偿法：图,2-6,是利用半桥和全桥进行应变片温度补偿示意图。图,2-6,（,a,）是半桥补偿示意图，其中,1,是试件，,2,是补偿块，,R1,与,R2,是两片型号完全相同的应变片，,R1,贴在被测试件上，,R2,贴在补偿块上。当有力,F,作用于试件（悬臂梁）上时，,R1,的阻值变化可能由两部分组成：一部分是应变片引起的；一部分是温度引起的。,R2,因为不承受应变，所以只可能由温度变化引起阻值变化，且,R1,与,R2,由温度引起的阻值变化相等。利用半桥，便得输出电压,由式中可以看出，输出电压,U,o,不受温度的影响，只与应变片感受的应变导致的阻值变化有关。,图,2-6,（,b,）是利用全桥的温度补偿示意图，读者可自行证明，它不仅只与作用力,F,有关，能实现温度补偿，还能提高灵敏度。,【,例,2】,在用图,2-3,（,a,）的等截面轴做成的拉力传感器上，对称地贴上,R1R4,四个标称阻值为,120,的应变片，,R1,，,R3,沿轴向粘贴（如图中的,1,），,R2,，,R4,沿径向粘贴（如图中的,e,2,）。轴的弹性模量,E,=2.0,1011N/m2,，泊松比,=0.3,，轴的截面积,A,=0.00196m2,，应变片应变灵敏系数,K,=2,。用全桥测量，电桥的,U,i=6V,，测得,U,o=7.8mV,。计算,F,=,？,解：根据分析，应变片,R1,，,R3,的阻值变化是由轴的轴向应变引起的，,R2,，,R4,的阻值变化是由轴的横向应变引起的，因此轴的轴向应变和横向应变分别为,所以,利用全桥测量,将,将,代入，整理得,将已知条件代入上式，得,F,=3.92105N,2.1.3,称重传感器,图,2-7,为双孔平行梁式称重传感器。这种类型的传感器精度高，易加工，结构简单紧凑，抗偏载能力强，固有频率高。,在应变式称重传感器中，,4,个应变片分别贴在弹性梁的,4,个敏感部位，传感器受力作用后的变形情况如图,2-8,所示。,图,2-7,双孔平行梁式称重传感器 图,2-8,传感器受力作用后的变形图,在力（重物）的作用下，,R1,，,R3,被拉伸，阻值增大，,D,R,1,，,D,R,3,为正值；,R2,，,R4,被压缩，阻值减小，,D,R,2,，,D,R,4,为负值；再加之应变片阻值变化的绝对值相同；即,D,R,1=D,R,3=+D,R,或,e,1=,e,3=+,e,D,R,2=D,R,4=-D,R,或,e,2=,e,4=-,e,因此,目前常用称重传感器有三种规格：,5kg,，,8kg,，,20kg,。,主要技术指标：,灵敏度：,1.8,0.09mV/V,；,电源电压：,15V,；,安全载荷：,130%,。,图,2-9,是称重传感器电路原理框图。传感器输出的电压很微弱，经前置放大电路，在开关的作用下与参考电压在不同时刻进入积分器，经比较器输出高低电平信号。这一信号控制分频器的开启，并与采样信号一起控制模拟开关的通断。,图,2-9,称重传感器电路原理框图,2.1.4,数字血压计,目前，国内医疗部门中大都使用汞柱式血压计，它的测量误差大，反应速度慢。而本节所介绍的数字血压计，所用元件少，体积小，使用方便，测量速度快，精度高，分辨率为,0.1kPa,，正逐步得到推广。,这种传感器采用半导体应变片作为敏感元件，当它受到压力后阻值发生变化。图,2-10,所示是数字血压计电路框图。,图,2-10,数字血压计电路框图,图,2-10,中，,2S5M,是压力传感器，它有六个管脚，其中,管脚接恒流源,IC1,提供的电源电压。运放的,U,-=,U,+=1.5V,，运放,IC1,输出端的输出电流就是传感器的输入电流。,I,IN=1.5V/,（,300W+75 W,）,=4mA,传感器的电桥电阻,0.89k W,，,2S5M,上的压降为,3.6V,，再加上,300 W,和,75 W,电阻上的压降为,3.6V+4mA,0.375k W=5.1V,当压力传感器接收输入量，电桥失去平衡，输出端,脚有电压产生。,IC2,与,IC3,组成差动放大电路，将这个电压进行放大，再经,A/D,转换器,MC14433,做动态扫描显示。,Ux,是输入端，,UAG,是模拟地，经发光二极管的数码显示，用交直流电源均可供电，在室内使用显示很清晰。这里,2S5M,存在,10,V,的初始偏压，一般用,50,的电位器接在,2S5M,的,两端可以进行零点调试。,2.2,电位器传感器,2.2.1,电位器的原理,图,2-11,电位器原理图电位器是一种常用的电子元件，原理图如图,2-11,所示。它把机械位移量转换为与之成一定函数关系的电阻输出。通常电位器由电阻元件及电刷等组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动，也可以是转动，因而可以用于直线位移或角位移的测量。此外，还可以测量压力、速度等物理量。电位器式传感器结构简单，价格低，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号大，但它的精度不高，由于摩擦和阻值的跳变，分辨率有限，动态响应较差。,图,2-11,电位器原理图,图,2-11,电位器原理图,当电位器的滑臂在某个被测参数转换成的位移,x,的作用下发生移动，则,Rx,产生变化，电位器的输出端接有负载后，相当于,RL,与,R,x,并联。此时输出电压为,2.2.2,电位器角度与角位移传感器,1,原理与结构,图,2-12,绕线电位器式角位移传感器结构原理图图,2-12,为绕线电位器式角位移传感器的结构原理图。图中，,U,i,为电位器上的总电压，,U,o,为被测角位移作用在传感器上，使电刷移动到某一位置时的输出电压。,图,2-12,绕线电位器式角位移传感器结构原理图,图,2-13,是角位移传感器结构图。传感器的转轴与被测量的转轴相连，当被测物转过一个角度时，滑臂在电位器上转过一个相应的角位移，于是在输出端有一个跟转轴成比例的输出电压,U,o,。,图,2-13,角位移传感器结构图,2,性能指标,绕线电位器式角位移传感器的一般性能如下：,动态范围：,+10,+165,；,线性度：,0.5%,3%,；,电位器全电阻：,102W,103W,；,工作温度：,-50,150,；,工作寿命：,104,次。,绕线电位器式角位移传感器的结构简单，体积小，动态范围宽，并且其输出信号大，抗干扰性强，精度较高，现已广泛应用于检测各种回转体的回转角度和角位移。但在使用中应尽量减小曲率误差，防止在转速较高时，转轴与衬套之间的摩擦导致卡死现象。,除此之外，电位器式电阻传感器还可用来测量压力、位移、加速度、液位等物理量参数。,2.3,热电阻传感器,利用导体或半导体材料的电阻随温度变化的特性制成的传感器称为热电阻传感器。它主要用于对温度以及能转换成温度变化的有关物理量的测量。热电阻有金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。,2.3.1,热电阻工作原理,1,热电阻,热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的。热电阻传感器的主要优点是测量精度高，测量范围大，常用于（,-200,500,）的温度测量。随着科学技术的发展，测温范围也在不断扩展，低温方面已成功地应用于（,1,3,）,K,的温度测量，高温方面也实现了（,1000,1300,）的温度测量。此外，它的温度特性稳定，复现性好，也不像热电偶那样有冷端的参比温度。,WZB,型铂电阻结构如图,2-14,所示。,图,2-14 WZB,型铂电阻结构图,1,铂丝；,2,铆钉；,3,银导线；,4,绝缘片；,5,夹持件；,6,骨架,电阻体是由金属材料绞扭而成的。当温度升高时，金属材料电阻体内部自由电子热运动加剧，使无规则运动的自由电子形成定向移动的阻力增大，从而使电阻值增加。热电阻阻值与温度之间的关系可用下式表示,式中，,R,t,，,R,0,为温度,t,和,0,时的电阻值；,A,，,B,，,C,为不同材料电阻的不同取值。,实验证明：大多数电阻在温度升高,1,时，阻值将增加,0.4,0.6,左右。,常见的热电阻及其特性如下：,（,1,）铂电阻。铂是一种贵重金属，铂电阻的精度高，稳定性好，性能可靠。它易于提纯，可以制成极细（直径,0.02mm,）的微型铂电阻，它的体积小，热惯性好，气密性好。测温范围常在（,-200,650,）。,（,2,）铜电阻。在一些测量精度要求不高且温度不高的场合中，可以使用铜电阻。它的测温范围为（,-50,150,），铜电阻在这个温度范围内，不会出现非线性，且灵敏度高，价格便宜。但铜电阻易于氧化，体积较大。,（,3,）铟电阻。铟电阻是新兴的一种高精度低温热电阻，它在（,4,15,）,K,（,-269,-258,）温域内灵敏度比铂高,10,倍，但是这种材料比较软，复制性较差。,（,4,）锰电阻。锰电阻也是一种低温测量常用的材料，测温范围为（,2,63,）,K,（,-271,-210,），灵敏度较高，但它的脆性较大，难以拉制成丝。,（,5,）碳电阻。碳电阻适于用做液氦温域的温度计，它在低温下灵敏度高，但稳定性较差。,热电阻经常使用电桥作为传感器的测量电路。热电阻的测量转换电路如图,2-15,所示。其中，是连接导线；是连接屏蔽层；是连接恒流源；,RP1,是调零点电位器；,RP2,是调满度电位器。在图,2-15,（,a,）中，,Rt,可以感受温度的变化而产生阻值的改变，,R2,，,R3,，,R4,的温度系数小，可以认为是固定电阻。当电桥加上电源电压,U,i,，电桥的输出电压就反映了温度的变化。然而，由于热电阻自身阻值较小，引线电阻,r,1a,，,r,1b,就不能忽略，因此，可以采用图,2-15,（,b,）的电路。热电阻,Rt,用三根引线接至电桥，其中,r1,，,r4,分别接入测量电桥的相邻两个桥臂,R1,，,R4,上，不会破坏电桥的平衡，,ri,与电压源,U,i,串联，也不影响电桥的输出。图,2-15,（,c,）是采用恒流源供电的四线制测量电路，它可以无需考虑热敏电阻的非线性造成的测量误差，并且利用恒流源在,Rt,上产生的压降引入,A/D,转换器，由计算机直接显示被测温度值。,图,2-15,热电阻的测量转换电路,2,热敏电阻,热敏电阻是一种新型的半导体测温元件。它与热电阻相比，由于电阻温度系数大，灵敏度提高（,10,100,）倍，其结构简单，体积小，常用于动态测量，但它的阻值与温度并非线性关系，图,2-16,为热敏电阻温度特性。按温度系数特性可以分为正温度系数特性（,PTC,）、负温度系数特性（,NTC,）和临界温度系数特性（,CTR,），是非线性电阻。根据这三种温度系数特性，常将热敏电阻用于温度测量、温度补偿和温度控制。表,2-3,即为几种常用的热敏电阻材料及其应用。,图,2-16,热敏电阻温度特性,1,4,CTR,特性；,2,NTC,特性；,3,PTC,特性,表,2-3,常用热敏电阻及特性,型 号,主 要 用 途,主要电参数,电阻体形状及形式,25,标称阻值（,k,）,额定功率（,W,）,时间常数（,s,）,MF-11,温度补偿,0.01,15,0.5,60,片状、直热,MF-13,测温、控温,0.82,300,0.25,85,杆状、直热,MF-16,温度补偿,10,1000,0.5,115,杆状、直热,RRC2,测温、控温,6.8,1000,0.4,20,杆状、直热,RRC7B,测温、控温,3,100,0.03,0.5,珠状、直热,RRW2,稳定振幅,6.8,500,0.03,0.5,珠状、直热,（,1,）温度测量。热敏电阻的测温范围极广，它广泛用于固体、液体、气体、海洋、深井、高空气象、冰川等高、低温域的温度测量。热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻可忽略不计，因此可进行远距离测温使用。热敏电阻测温电路如图,2-17,所示。图中，,Rt,是热敏电阻，它与,R1,R2,R3,平衡电阻组成电桥；,R4,为满刻度电阻；,R5,R6,为表调整的保护电阻；,R7,R8,R9,为分压电阻。这种测量电路测量精度可达,0.1,，感温时间在,10 s,以下。,图,2-17,热敏电阻测温电路,热敏电阻的实用测量电路可以采用图,2-18,所示的温度,电压变换电路。图,2-18,（,a,）用了一个运算放大器，热敏电阻的电压输出为,Ux,，经运放产生,U,o,输出。图,2-18,（,b,）是考虑信号源内阻的差动放大电路，其中输出电压为,Rs,RG,分别为信号源内阻和引线电阻。图,2-18,（,c,）的输出特性线性度较好，是常用的（,050,）的测量电路。其中,RP1,，,RP2,是调整零点和量程的电阻，通常输出电压在（,0,1,）,V,之间。,图,2-18,温度,电压变换电路,（,2,）温度补偿。通常使用的仪表部件是由金属丝制成的，如动圈仪表的表头。仪表部件一般具有正的温度系数，它们在周围温度变化的时候，通常会引起测量误差，故可以用具有负温度系数的热敏电阻来做温度补偿。仪表温度补偿电路如图,2-19,所示。图中，若环境温度升高，被补偿元件电阻值升高，而热敏电阻阻值降低。如果补偿元件选择较好，使得热敏电阻减小的电阻与被补偿元件升高的阻值相等，由于两元件串联，使得电路的总电阻值趋于不变。,图,2-19,仪表温度补偿电路,（,3,）温度控制。将临界温度系数特性的热敏电阻设在被测环境中，当温度变化时（达到某一值），热敏电阻的阻值会发生突变，这样会使与之串联的继电器或其他执行元件流过大电流，从而使继电器动作，实现温度控制。例如，电动机的过热保护等。,2.3.2,温度测量控制仪,温度测量控制仪的测温范围为（,-50,200,），能够对温度值进行数字显示，其误差不超过,1,。它采用铂热电阻作为测量元件，可用于制冷设备、冷库及其他低温域的温度测量与控制。由于在测量范围内存在着非线性，故需在电路中加以非线性补偿。图,2-20,是温度测量控制仪的电路图。它通过变压器将,220V,交流电压经过整流、滤波、稳压，得到,5V,的直流电压，以供给电路使用。图中,t,为测温的铂电阻，当温度变化时，阻值发生变化；同时还作为反馈电阻接入由运放,IC2A,组成的电阻电压转换电路。例如，,-50,时，,R,t,80.31W,，则运放输出电压,U,o=,（,1,80.31/33,）,0.3=1.03V,图,2-20,温度测量控制仪的电路图,其中，,0.3V,的同相端电压是由锗二极管的正向压降决定的。,IC2B,是一个电压跟随器，其作用是提高电路的带负载能力，转换后的电压送入,A/D,转换器,ICL7107,。它是一个双电源（,5V,）的集成电路芯片，适于驱动发光二极管显示器。,A/D,转换器电路中，,C1,为外接积分电容，,R1,为外接积分电阻，,C2,为自动调零电容，,C4,为基准电容，,C5,，,R6,为内部时钟振荡器的外接电容电阻。其振荡频率为,电路中,=45kHz,。,IC2C,是电压比较器，它用于控制加热或制冷设备的通、断。当测量值低于设定值，比较器正饱和，输出约,4V,左右的高电平，通过,R11,使继电器,J,吸合，反之，释放。,VD2,用于保护运放，消除线圈断电时产生的反电动势。图,2-20,中，由转换开关,S,实现温度测量和温度控制的功能。,2.4,气敏电阻传感器,气,敏电阻传感器是一种将检测到的气体（特别是可燃气体）的成分、浓度等变化转换成电阻值的变化，最终以电压输出的传感器,。,2.4.1,气敏电阻的工作原理,气,敏电阻是由金属氧化物添加催化剂按一定比例烧结而成的半导体材料，有,N,型和,P,型之分。,N,型气敏电阻的型号有,SnO2,ZnO,TiO2,等；,P,型气敏电阻的型号有,NiO,Cu2O,CrO3,等。气敏电阻最主要的特点是对可燃性气体（如,CO,H2,SO2,H2S,）非常敏感。当气敏电阻遇到此类可燃性气体时，由于可燃性气体易失去电子，这些电子向半导体元件的气敏电阻移动，半导体中载流子浓度变化（,N,型增加，,P,型减小），从而使气敏电阻阻值变化（,N,型阻值减小，,P,型阻值增加）。为了增加气敏电阻对气体的吸附作用，常在气敏电阻工作时，加热到（,200,300,）。,2.4.2,自动通风扇,采用,SnO2,半导体气敏电阻的,TGS109,型传感器，可以用于各种可燃性气体、有毒性气体的预警。图,2-21,是,TGS109,传感器的结构图，图中兼作电极的加热器直接埋入块状,SnO2,半导体内。图,2-22,是这种传感器用于自动通风扇的原理框图。如果气敏电阻感受气体污染，浓度达一定值，它的阻值发生变化，经过放大电路转换成电压送入比较器，与比较电压不相等，产生触发脉冲，使晶闸管电路导通产生直流电压，给排风扇提供电源，自动通风，还可以产生报警信号。,图,2-21 TGS109,传感器结构图,图,2-22,自动通风扇原理框图,图,2-23,是自动通风扇电路图。气敏电阻串联一个,4kW,的负载电阻，外加,100V,的电路电压。当空气污染达一定程度，气敏电阻的阻值变化达一定值，超过,RP2,的给定值，,VTr,导通，继电器工作，启动通风扇。当污染低于某一点，,VTr,截止，通风扇停止工作。图中,R1,，,RP1,用于补偿元件固有电阻和灵敏度偏差。图中风扇的开启方式可以有自动和手动切换两种方式。,图,2-23,自动通风扇电路图,2.4.3,汽车停车场排气装置,随着汽车迅速增加，室内大型停车场日益增多，汽车场排气污染已成较大公害，需集中监视停车场排气气体的浓度。当浓度超过某一限量时，应启动相应的通风设施。,停车场必须检测平均排气气体浓度。故在停车场内设置多个检测点，根据平均值控制停车场通风。图,2-24,为,TGS812,型传感器用于汽车停车场排气装置的电路图。,图,2-24,传感器中，若在,a,b,间加,5V,电压，则在,c,d,间可得到,0.65V,的电压。,c,连接运算放大器,I1,，,I2,的反向输入端，输出端电压与传感器的电导成比例。该电压输入到,AD532JH,电子倍增器的第,端，其输出电压与输入电压成平方关系。运放,I5,将获得各个电子倍增器的平均值，用它可控制通风。,图,2-24 TGS812,型传感器用于汽车停车场排气装置电路图,2.4.4,家用有毒气体报警器,一氧化碳,、液化气、甲烷、丙烷等都是有毒可燃性气体。在家庭中，若有毒可燃性气体浓度超过一定值，将危及人身安全。这里介绍的报警器有很高的灵敏度。,图,2-25,是家用有毒气体报警器的电路图，其中,QM-N10,是气敏电阻传感器，它是,N,型半导体元件，用做探测头。它还是一种新型的低功耗、高灵敏度的气敏元件，其内部有一个加热丝和一对探测电极。当空气中不含有毒气体或浓度很低时，,A,K,两点间电阻值很大，流过,RP,的电流很小，,K,点为低电平，达林顿管,U850,不导通；若含有毒气体或浓度达一定值，,A,K,两点间电阻值迅速下降，,RP,上流过的电流突然增加很多，点电位升高，向,C2,充电，直到达到,U850,导通的电位（约,1.4V,）时，,U850,导通，驱动集成芯片,KD9561,发声报警。当有毒气体浓度下降到使,两点间恢复到高电阻时，点电位低于,1.4V,，,U850,截止，报警消除。,图,2-25,家用有毒气体报警器电路图,2.5,思考题,2.1,电阻应变式传感器的电阻丝在结构上有什么要求？为什么？,2.2,半导体应变片比电阻丝应变片有什么优点？,2.3,有一额定荷重为,2000N,的等截面轴式称重传感器，电桥灵敏度为,2mV/V,，桥路电压为,12V,，若载荷为,500N,，要得到,10V,电压，放大器的放大倍数应为多少？,2.4,分析全桥温度补偿的原理，并分析它与半桥温度补偿灵敏度的区别。,2.5,分析三线制和四线制热电阻测量电路的原理。,2.6,气敏电阻的工作原理是什么？在测量时，为什么要预热？,2.7,分析图,2-25,的工作原理，说明,RP,的作用。,2.8,在等截面轴上沿轴向粘贴应变片，用于称重传感器中，轴的直径,5cm,，弹性模量,E=2.01011N/m2,，,=0.3,。应变片标称阻值,120,，,K=2,。若物重为,4t,，求应变片阻值的变量是多少？若应变片沿径向粘贴，其应变片阻值的变量又是多少？,