第2章 电阻式传感器精选文档.ppt

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1、第2章 电阻式传感器本讲稿第一页，共一百三十二页本章内容本章内容 2.1 2.1 应变式传感器应变式传感器 2.2 2.2 气敏传感器气敏传感器 2.3 2.3 湿敏传感器湿敏传感器 本讲稿第二页，共一百三十二页学习目标学习目标 了解应变效应的原理，了解应变片的类型、结构及其测量转换电路，掌握电阻应变式传感器的应用。了解气敏电阻的分类、典型应用。了解湿敏电阻的分类、典型应用。本讲稿第三页，共一百三十二页 2.1 应变式传感器 2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。本讲稿第四页，共一百三十二页 当

2、电阻丝受到拉力F作用时，将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为图2-1 金属电阻丝应变效应本讲稿第五页，共一百三十二页 dl/l为长度相对变化量即应变 轴向应变和径向应变的关系可表示为本讲稿第六页，共一百三十二页 式中：电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。本讲稿第七页，共一百三十二页 通常，把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其表达式为 本讲稿第八页，共一百三十二页 灵敏系数K受两个因素影响：应变片受力后材料几何尺寸的变化，1+2；应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（d/）/。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系

3、数表达式中1+2的值要比（d/）/大得多，而半导体材料的（d/）/项的值比1+2大得多。本讲稿第九页，共一百三十二页 半导体材料，当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为本讲稿第十页，共一百三十二页 上式中：半导体材料的压阻系数；半导体材料的所受应变力；E半导体材料的弹性模量；半导体材料的应变。半导体应变片的灵敏系数为 本讲稿第十一页，共一百三十二页 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。本讲稿第十二页，共一百三

4、十二页 用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值，应力值为本讲稿第十三页，共一百三十二页 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化，这就是利用应变片测量应变的基本原理。本讲稿第十四页，共一百三十二页 2.1.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 1.1.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类 金属电阻应变片组成 敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。图2-2 金属应变片的结构1引线；2覆盖层；3

5、基片；4敏感栅本讲稿第十五页，共一百三十二页 2.2.金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料电阻丝材料应有如下要求：（1）灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；（2）值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；（3）电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；（4）与铜线的焊接性能好，与其他金属的接触电势小；（5）机械强度高，具有优良的机械加工性能。本讲稿第十六页，共一百三十二页 3.3.金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。本讲稿第十七页，共

6、一百三十二页 4.4.应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿1)应变片的温度误差（1）电阻温度系数的影响。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为 当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为 本讲稿第十八页，共一百三十二页（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。本讲稿第十九页，共一百三十二页 2)2)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法（1 1）线路补偿法。）线路补偿法。电桥补

7、偿是最常用且效果较好的线路补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变，如图2-4（b）所示。本讲稿第二十页，共一百三十二页 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 Uo=A(R1R4 RBR3)=0本讲稿第二十一页，共一百三十二页 图图2-4 2-4 电桥补偿法电桥补偿法本讲稿第二十二页，共一百三十二页 一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t t0时，两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即 本讲

8、稿第二十三页，共一百三十二页 若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K本讲稿第二十四页，共一百三十二页（2 2）应变片的自补偿法。）应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。本讲稿第二十五页，共一百三十二页 2.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路1.1.直流电桥直流电桥1)1)直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件电桥电路如图2-5所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。本讲稿第二十六

9、页，共一百三十二页图2-5 直流电桥本讲稿第二十七页，共一百三十二页 当电桥平衡时，Uo=0，则 这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。本讲稿第二十八页，共一百三十二页 2)2)电压灵敏度电压灵敏度 设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则 本讲稿第二十九页，共一百三十二页 电桥电压灵敏度定义为 分析上式可得：（1）电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高。（2）电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。本讲稿第三十页，共一百三十二页 当

10、n=1时，KU为最大值。R1=R2=R3=R4，电桥电压灵敏度最高，此时单臂电桥有：本讲稿第三十一页，共一百三十二页 3)3)非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 本讲稿第三十二页，共一百三十二页 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电轿如下图2-6所示，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，构成半桥电路，如图2-6（a）所示。该电桥输出电压为 本讲稿第三十三页，共一百三十二页（a）（b）图2-6 差动电桥（a）半桥；（b）全桥本讲稿第三十四页，共一百三十二页 若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得半桥输出电压为 （2-4

11、0）由式（2-40）可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电路无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。本讲稿第三十五页，共一百三十二页 若将电桥四臂接入4片应变片，如图2-6（b）所示，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则全桥输出电压为：（2-41）KU=E （2-42）本讲稿第三十六页，共一百三十二页 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。本讲稿第三十七页，共一百三十二页 2.2.交流电

12、桥交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。本讲稿第三十八页，共一百三十二页 图2-7 交流电桥（a）半桥差动交流电桥；（b）半桥差动交流电桥引线分布电容本讲稿第三十九页，共一百三十二页 本讲稿第四十页，共一百三十二页 由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件，即Uo=0，则 Z1Z4=Z2Z3 对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。本讲稿第四十一页，共一百三十二页图2-8 交流电桥平衡调节（a）、（b）电阻平衡调节；（c）、（d）电容平

13、衡调节本讲稿第四十二页，共一百三十二页当被测应力变化引起Z1=Z10+Z，Z2=Z20 Z变化时（且Z10=Z20=Z0），则电桥输出为 本讲稿第四十三页，共一百三十二页 2.1.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用1.1.柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。本讲稿第四十四页，共一百三十二页 图2-9（a）、（b）所示分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯

14、矩影响。贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-9（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿时，接于另两个桥臂上。本讲稿第四十五页，共一百三十二页 图2-9 圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连接图本讲稿第四十六页，共一百三十二页 2.2.应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态和静态压力，如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。应变片压力传感器大多采用膜片

15、式或筒式弹性元件。本讲稿第四十七页，共一百三十二页 图2-10 膜片式压力传感器（a）结构图；（b）应力分布图；（c）应变片粘贴图本讲稿第四十八页，共一百三十二页 3.3.应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 图2-11所示为插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。该传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器安装了两只。下端安装感压膜，感压膜感受上面液体的压力。本讲稿第四十九页，共一百三十二页 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 （2-52）本讲稿第五十页，共一百三十二页 式中：K1，K2传感器传输系数。由

16、于hg表征着感压膜上面液体的重量，对于等截面的柱式容器，则 （2-53）本讲稿第五十一页，共一百三十二页 式中：Q容器内感压膜上面溶液的重量；A柱形容器的截面积。将上两式联立，得到容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为 本讲稿第五十二页，共一百三十二页（a）结构原理图 （b）桥路连接图图2-11 应变片容器内液体重量传感器1感压膜；2传压杆；3电阻应变敏感元件；4微压传感器本讲稿第五十三页，共一百三十二页 上式表明，电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。本讲稿第五十四页，共一百三十二页 4.4.应变式加速度传感器应变式

17、加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。图2-12所示是应变片式加速度传感器的结构示意图，图中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴4个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统阻尼系数，在壳体内充满硅油。本讲稿第五十五页，共一百三十二页 图2-12 电阻应变式加速度传感器结构图1质量块；2等强度梁；3电阻应变敏感元件；4壳体本讲稿第五十六页，共一百三十二页 测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻

18、发生变化。电阻的变化产生输出电压，即可得出加速度值的大小。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060Hz范围。本讲稿第五十七页，共一百三十二页 5.5.半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用 荷重传感器是皮带秤的关键组成部件，采用半导体力敏应变片作为敏感元件，这种传感器灵敏度可达710mV/kg，额定压力为5kg的荷重传感器可输出50mV左右。电子皮带秤工作原理如图2-13所示。本讲稿第五十八页，共一百三十二页 图2-13 电子皮带秤工作原理示意图1料仓；2电磁振动给料机；3秤架；4力敏荷重传感器（包括放大器）；5环行皮带；6支

19、点；7减速电机；8物料本讲稿第五十九页，共一百三十二页 当未给料时，整个皮带秤重量通过调节秤架上的平衡锤使之自重基本作用在支点6上，仅留很小一部分压力作为传感器预压力。当电磁振动机开始给料时，通过皮带运动，使物料平铺在皮带上。此时皮带上物料重量一部分通过支点传到基座，另一部分作用于传感器上。本讲稿第六十页，共一百三十二页 设每米物料重量为P，则传感器受力为F，F=CP（C为系数，取决于传感器距支点的距离）。当传感器受力后，传感器中的弹性元件将产生变形，因此，粘贴于弹性元件上的力敏应变电桥就有电压信号U 输出，其值为本讲稿第六十一页，共一百三十二页 式中：U应变电桥的电源电压；R/R应变片的相对

20、变化。当U 和R 恒定时，U与受力成正比。因此U与P成正比。在皮带速度V不变时，单位时间内皮带上物料流量为Q=PV，即Q与P 成正比。所以测量U的大小就间接地测量Q 的大小。本讲稿第六十二页，共一百三十二页2.2 气敏传感器 2.2.1 分类、分类、原理原理 用来检测气体类别、浓度和成分。主要用于工主要用于工业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，产生的电导率等物理

21、性质变化来检测气体的。本讲稿第六十三页，共一百三十二页 1.半导体气敏传感器半导体气敏传感器 按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型3类。烧结型气敏器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入SnO2材料中，用加热、加压、温度为700900的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷。本讲稿第六十四页，共一百三十二页 （a）（b）图2-14 直热式气敏器件结构及符号（a）结构；（b）符号1SnO2烧结体；2Ir-Pd合金丝（加热器兼电极）本讲稿第六十五页，共一百三十二页 （a）（b）图2-15 旁热式气敏器件结构及符号（a）结构；（b）符号1加热器；2电极；3SnO2烧结体；4瓷绝缘管

22、本讲稿第六十六页，共一百三十二页 薄膜型器件 它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜（其厚度约在100nm以下）制作方法也很简单。厚膜型器件 这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的，适合大批量生产。本讲稿第六十七页，共一百三十二页 图2-16 薄膜型气敏器件的结构图 2-17 厚膜型气敏器件的结构 1氧化物半导体；2电极；1电极；2氧化物半导体；3引线；4基片；5加热器 3基片；4加热器（印刷厚膜电阻）本讲稿第六十八页，共一百三十二页 这些器件全部附有加热器，它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧

23、掉，加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200400左右。本讲稿第六十九页，共一百三十二页 2接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器1）接触燃烧式气体传感器检测原理 当可燃性气体如H2、CO、CH4等与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生无焰接触燃烧热，使得传感器中的铂丝温度升高，电阻值相应增大。因此，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（R），就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是，使用单纯的铂丝线圈作为检测元件，其寿命较短，所以，实际应用的检测元件，都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命，又可以提高检测元件的响应特性。本讲稿第七十页，共一百三十二页 2）接触燃烧式气敏

24、元件的结构图2-18为接触燃烧式气敏元件结构示意图，用高纯的铂丝，绕制成线圈，为了使线圈具有适当的阻值（12），一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层，干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结后的小球，放在贵金属铂、钯等的盐溶液中，充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理，使在氧化铝（氧化铝一氧化硅）载体上形成贵金属触媒层，最后组装成气体敏感元件。除此之外，也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状，涂覆在铂丝绕成的线圈上，直接烧成后备用。本讲稿第七十一页，共一百三十二页（a）（b）图2-18 接触燃烧式气敏元件结构示意图（a）元件的内部示

25、意图；（b）敏感元件外形图1触媒；2氧化铝载体；3铂丝；4元件本讲稿第七十二页，共一百三十二页3）氧化锆氧气传感器在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后，其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15%mol左右时，离子电导出现极大值。但是，由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低，要在高温下，气敏元件才有足够的灵敏度。本讲稿第七十三页，共一百三十二页 2.2.2 气敏传感器的主要要求气敏传感器的主要要求 选配气敏传感器时主要考虑气敏传感器的主要性能：对被测气体具有较高的灵敏度。对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。性能稳定，重复性好。动态特性好，对检测信号响应迅速。使用寿命长。制造

26、成本低，使用与维护方便等。本讲稿第七十四页，共一百三十二页 2.2.3 气敏传感器应用气敏传感器应用 1矿井瓦斯超限报警器矿井瓦斯超限报警器 1）电路组成及作用 QM-N5为旁热式气敏传感器，它和R1、RP组成瓦斯气体检测电路；晶体管VS作为无触点电子开关。本讲稿第七十五页，共一百三十二页 LC179型三模拟声报警专用集成电路，它采用双列8脚直插塑料硬封装，内部集成了功率放大器，可直接驱动扬声器发声，可产生3种不同的模拟报警声响，LC179的第1、2脚为外接振荡电阻器端，可改变发声音调；第3脚为负电源端；第4脚为音频输出端；第5脚为正电源端；第6、7脚为空脚端；第8脚为选声端，当它“悬空”时，

27、可产生模拟警车电笛声；当它接电源正端时，可产生模拟消防车电笛声；当它接电源负端时，可产生模拟救护车电笛声。LC179的主要电参数：工作电压范围3V4.5V，工作电流150A，最大输出电流可达150mA，工作温度范围1060。本讲稿第七十六页，共一百三十二页 图图2-19 2-19 矿井瓦斯超限报警器矿井瓦斯超限报警器本讲稿第七十七页，共一百三十二页 2）工作原理 当无瓦斯或瓦斯浓度很低时，QM-N5的A-B极间电阻很大，电位器RP滑动触点电压小于0.7V，VS不被触发，警笛声电路无电源不发声；当瓦斯气体超过安全标准时，A-B极间电阻迅速减小，当RP滑动触点电压大于0.7V，VS被触发导通，警笛

28、电路得电，发出报警声。本讲稿第七十八页，共一百三十二页 2有害气体报警电路有害气体报警电路 电路中晶体管VT采用U850，它是一种高增益的达林顿晶体管。在纯洁的空气中，气敏传感器的A-B间内阻较大，此时B点为低电位，VT不导通，因此，KD9561无工作电流而不报警。本讲稿第七十九页，共一百三十二页 当传感器接触到有害可燃气体后，A-B间电阻变小，B点电位升高并向C2充电，当充电电位达到U850导通电位（约1.4V），VT导通，驱动报警器KD9561报警。一旦有害气体浓度降低，使B电位低于1.4V时，VT截止，报警解除。若将本电路的负载改为继电器，如图2-20（b）所示，即可成为自动排气控制装置

29、。本讲稿第八十页，共一百三十二页 图图2-20 2-20 有害气体报警电路有害气体报警电路本讲稿第八十一页，共一百三十二页 3实用酒精测试仪实用酒精测试仪 图2-21所示为实用酒精测试仪的电路。该测试仪只要被试者向传感器吹一口气，便可显示出醉酒的程度，确定被试者是否适宜驾驶车辆。气体传感器选用二氧化锡气敏元件。当气体传感器探测不到酒精时，加在A的第5脚电平为低电平；当气体传感器探测到酒精时，其内阻变低，从而使A的第5脚电平变高。本讲稿第八十二页，共一百三十二页 A为显示推动器，它共有10个输出端，每个输出端可以驱动一个发光二极管，显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数，酒

30、精含量越高则点亮二极管的级数越大。上面5个发光二极管为红色，表示超过安全水平，酒精含量不超过0.05%。本讲稿第八十三页，共一百三十二页 图图2-21 2-21 酒精测试仪电路酒精测试仪电路本讲稿第八十四页，共一百三十二页 4防酒后驾车控制器防酒后驾车控制器 图中QM-J1为旁热式气敏传感器元件，若司机没有喝酒，或酒精浓度较低时，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件间电阻很高，Ua为高电平，则U1为低电平，555定时器截止，U3为高电平，K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，绿灯VD1亮，常闭触点K2-1闭合，发动机点火启动。本讲稿第八十五页，共一百三十二页 图图2-22 2-22 防止酒后驾车

31、控制器原理图防止酒后驾车控制器原理图本讲稿第八十六页，共一百三十二页 若司机酗酒，气敏器件阻值急剧下降，使Ua为低电平，则U1为高电平，555定时器导通，U3为低电平，继电器K2带电吸合，K2-2常闭触点断开，常开触点闭合，红灯VD2亮，以示警告，常闭触点K2-1断开，发动机无法启动。若司机拔出器敏器件，则继电器K1失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证控制器处于准备工作的状态。本讲稿第八十七页，共一百三十二页 2.3 湿敏传感器 湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每

32、单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。湿度的检测已广泛用于工业、农业、国防、科技、生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。本讲稿第八十八页，共一百三十二页 湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向

33、。本讲稿第八十九页，共一百三十二页 2.3.1 氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻 氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。本讲稿第九十页，共一百三十二页 在氯化锂（LiCl）溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定温湿场中，溶液将吸收水分，使浓度降低，因此，其溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。本讲稿第九十一页，

34、共一百三十二页 图2-23 湿敏电阻结构示意图 图2-24 氯化锂湿度电阻特性曲线1引线；2基片；3感湿层；4金电极本讲稿第九十二页，共一百三十二页 2.3.2 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻 两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnOLiO2V2O5系、SiNa2OV2O5系、TiO2MgOCr2O3系、Fe3O4等，前3种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。本讲稿第九十三页，共一百三十二页 1负特性湿敏半导瓷的导电机理负特性湿敏半导瓷的导电机理 由于水分子中的氢原子具有很强

35、的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。本讲稿第九十四页，共一百三十二页 若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。本讲稿第九十五页，共一百三十二页 2正特性湿敏半导瓷的导

36、电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理 当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。本讲稿第九十六页，共一百三十二页 于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。本讲稿第九十七页，共一百三十二页 图2-25 几种半导瓷湿敏负特牲 图2-26 Fe3O4半导瓷的正湿敏特牲1ZnO-LiO2-V2O5；2Si-Na2O-V2O5；3TiO2-MgO-Cr2O3 本讲稿第

37、九十八页，共一百三十二页 3典型半导瓷湿敏元件典型半导瓷湿敏元件1）MgCr2O4TiO2湿敏元件 氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特牲半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好，两面涂覆有多孔金电极。本讲稿第九十九页，共一百三十二页 金电极与引出线烧结在起，为了减少测量误差、在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂铱合金。本讲稿第一百页，共一百三十二页 图2-27 MgCr2O4TiO2陶瓷湿度传感器的结构图 2-28 MgCr2O4TiO2

38、陶瓷湿度传感器1加热线圈；2湿敏陶瓷片；3电极；相对湿度与电阻的关系4引线圈电极；5底板；6引线本讲稿第一百零一页，共一百三十二页 2）ZnOCr2O3陶瓷湿敏元件 ZnOCr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定。ZnOCr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。本讲稿第一百零二页，共一百三十二页 图2-29 ZnOCr2O3陶瓷湿敏传感器结构 图2-30 Fe3O4湿敏元件构造1外壳；2烧结元件；3电极；1滑石板；2金电

39、极；4树脂固封；5引线；6滤网 3Fe3O4胶粒；4引线本讲稿第一百零三页，共一百三十二页（3）四氧化三铁（Fe3O4）湿敏器件 四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。基片上制作一对梭状金电极，然后将预先配制好的Fe3O4胶体液涂覆在梭状金电极的表面，进行热处理和老化。本讲稿第一百零四页，共一百三十二页 Fe3O4胶体之间的接触呈凹状，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿，由于水分子的附着，降低粒间的电阻和增加更多的导流通路，所以元件阻值减小。当处于干燥环境中，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。当环境温度不同时，涂覆膜上所吸附的水分也随之变化，使梭

40、状金电极之间的电阻产生变化。本讲稿第一百零五页，共一百三十二页 Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程（60%RH98%RH）需要2min，脱湿过程（98%RH12%RH）需57min。本讲稿第一百零六页，共一百三十二页 2.2.3 湿敏传感器的应用湿敏传感器的应用1直读式湿度计直读式湿度计 其中RH为氯化锂湿度传感器。由VT1、VT2、T1等组成测湿电桥的电源，其振荡频率为2501000Hz。电桥输出经变压器T2、C3耦合到VT3、经VT3放大后的信号，由VD1VD

41、4桥式整流后，输入给微安表，指示出由于相对湿度的变化引起电流的改变，经标定并把湿度刻划在微安表盘上，就成为一个简单而实用的直读式湿度计了。本讲稿第一百零七页，共一百三十二页 图图2-31 2-31 直读式湿度计电路图直读式湿度计电路图本讲稿第一百零八页，共一百三十二页 2自动喷灌控制器电路工作原理 电源电路由电源变压器T、整流桥UR、隔离二极管VD2、稳压二极管VS和滤波电容器C1、C2等组成。交流220V电压经T降压、UR整流后，在滤波电容器C2两端产生直流6V电压。该电压一路供给微型水泵的直流电动机（采用交流电动机的大、中型水泵使用交流220V电源供电，见图中虚线所示）；另一路经VD2降压

42、、VS稳压和C1滤波后，产生+5.6V电压，供给VT1VT3和继电器K。本讲稿第一百零九页，共一百三十二页 图图2-32 2-32 自动喷灌控制电路自动喷灌控制电路本讲稿第一百一十页，共一百三十二页 湿度传感器插在土壤中，对土壤湿度进行检测。当土壤湿度较高时，湿度传感器两电极之间的电阻值较小，使VT1、VT2导通，VT3截止，继电器K不吸合，水泵电动机M不工作。当土壤湿度变小，使湿度传感器两电极之间的电阻值增大至一定值时，VT1和VT2将截止，使VT3导通，继电器K吸合，其常开触头K接通，使水泵电动机M通电，喷水设施开始工作。本讲稿第一百一十一页，共一百三十二页 当土壤中的水分增加到一定程度，

43、湿度传感器两电极间的电阻值减小至一定值时，VT1和VT2又导通，使VT3截止，继电器K释放，水泵电动机M停转。当土壤水分减少至一定程度时，将重复进行上述过程，从而使土壤保持较恒定的湿度。本讲稿第一百一十二页，共一百三十二页 3砖坯水分检测器电路工作原理砖坯水分检测器电路工作原理 组成：湿度检测探头、稳压基准电源、比较器、开关电路和声光报警电路组成。稳压基准电源电路由电阻器R1和集成稳压器IC1组成，IC1选用TL431集成稳压器。比较器电路由集成电路IC2和电阻器R2、R3、电位器RP1、RP2等组成，IC2选用LM393集成电路。本讲稿第一百一十三页，共一百三十二页 开关电路由开关管VT1、

44、二极管VD1、VD2和电阻器R4等组成。声光报警电路由发光二极管VL1、VL2、电阻器R6、R7、音乐集成电路IC3、音频放大管VT2和扬声器BL等组成。IC3选用KD9561或LC179音效集成电路。本讲稿第一百一十四页，共一百三十二页 工作原理:将湿度检测探头插入砖坯中，两支检测探头之间的电阻值将随着砖坯含水量的高低而变化。当砖坯的含水量在工艺允许范围内，IC2a和IC2b均输出高电平，使VD1、VD2和VT1均截止，扬声器BL不响，发光二极管VL1和VL2均不亮。本讲稿第一百一十五页，共一百三十二页 当砖坯水分含量低于工艺允许值的下限时，两检测探头之间的阻值较正常时偏大，使IC2a反相输

45、入端的电位增高，其输出端变为低电平，使VD1和VTl均导通，绿色发光二极管VL1点亮，同时IC3和V2工作，扬声器BL发出报警声，提醒检验员砖坯的湿度不够。本讲稿第一百一十六页，共一百三十二页 当砖坯水分含量高于工艺上限时，两检测探头之间的阻值较正常时偏小，使IC2b的同相输入端电位变低，其输出端变为低电平，使VD2和VT1均导通，红色发光二极管VL2点亮，IC3和VT2工作，扬声器BL发出报警声，提醒检验员砖坯的含水量过高。本讲稿第一百一十七页，共一百三十二页 图图2-33 2-33 砖坯水分检测器电路砖坯水分检测器电路本讲稿第一百一十八页，共一百三十二页 4汽车挡风玻璃自动去湿电路汽车挡风

46、玻璃自动去湿电路 图中RS为嵌入玻璃的加热电阻丝，H为结露感湿器件；晶体管VT1和VT2接成施密持触发电路，VT2的集电极负载为继电器K的线圈绕组。本讲稿第一百一十九页，共一百三十二页 VT1基极电阻为R1，R2和湿敏器件H的等效电阻RP并联。使在常温、常湿下VT1导通，VT2截止。一旦由于阴雨使湿度增大，湿敏器件H的等效电阻RP值下降到某一特定值，R2与RP并联的电阻值减小，VT1截止，VT2导通，VT2的集电极负载一继电器K线圈通电，它的常开触点接通电源Ec，小灯泡L点亮，电阻丝Rs通电，挡风玻璃被加热，驱散湿气。本讲稿第一百二十页，共一百三十二页 当湿度减少到一定程度，施密特触发电路又翻

47、转到初始状态，小灯泡L熄灭，电阻丝Rs断电，实现了自动防湿控制。本讲稿第一百二十一页，共一百三十二页图2-34 汽车挡风玻璃自动去湿电路（a）挡风玻璃示意图；（b）电路原理图本讲稿第一百二十二页，共一百三十二页 5湿度控制仪湿度控制仪 由两个与非门H1和H2组成RC振荡器，振荡频率为2.5kHz，输出电压为4V，经RP1、Rs分压，VD1整流，再经R3、RP2分压后送至VT3。Rs为湿敏电阻，当湿度下降时，Rs阻值增大，其分压也憎大，使晶体管VT3导通，集电极电位下降，使晶体管VT4截止，继电器J2释放，LED2灭。本讲稿第一百二十三页，共一百三十二页 此时VT1、VT2晶体管导通，LED1亮

48、，继电器J1吸合，其触点J1-1接通增湿设备进行增湿。当湿度上升时，Rs阻值减小，其上分压也减小，使晶体管VT3截止，集电极电位上升，晶体管VT4导通，LED2亮，继电器J2吸合，其触点J2-1接通干燥设备进行干燥。同时VT1、VT2晶体管截止，LED1灭，继电器J1释放，其触点J1-1闭合，接通增湿设备。本讲稿第一百二十四页，共一百三十二页 图图2-35 2-35 湿度控制仪湿度控制仪本讲稿第一百二十五页，共一百三十二页 本本 章章 小小 结结能将被测非电量（如位移、应变、温度、湿度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。电阻式传感器可以测量力、压力、位移、应变、加速度和

49、温度等非电量参数。电阻应变式传感器是利用电阻应变效应，由电阻应变片和弹性敏感元件组合起来的传感器，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。在实际应用中必须用适当电路进行温度补偿。主要的温度补偿方式有应变片温度自补偿和电路补偿法。本讲稿第一百二十六页，共一百三十二页 气敏传感器主要包括半导体式、接触燃烧式、化学反应式三类，其中用的最多的是半导体式气敏传感器。主要应用于一氧化碳气体、瓦斯气体、煤气、呼气中乙醇的检测等。湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。半导体陶瓷湿敏元件具有灵敏度高、稳定性高、耐湿性好、抗干扰能力强等优点，但是响应速率慢

50、、需要加热清洗，不能用于易燃易爆环境，也不能实现湿度的连续测量。本讲稿第一百二十七页，共一百三十二页同步练习同步练习2-1 什么是应变效应？试说明金属应变片与半导体应变片的相同和不同之处。2-2 应变片产生温度误差的原因及减小或补偿温度误差的方法是什么？2-3 什么是直流电桥？若按不同的桥臂工作方式分类，可分为哪几种？各自的输出电压如何计算？2-4 拟在等截面的悬臂梁上粘贴4个完全相同的电阻应变片，并组成差动全桥电路，试问：4个应变片应怎样粘贴在悬臂梁上？画出相应的电桥电路图。本讲稿第一百二十八页，共一百三十二页 2-5 图2-36为等强度梁测力系统，R1为电阻应变片，应变片灵敏系数K=2.0