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项目二 电阻式传感器的应用
一、教学目标
　　1.了解电阻应变片的结构与分类。
　　2.掌握电阻应变片的工作原理。
　　3.理解直流电桥的性能。
4.掌握电阻应变片的应用。
二、课时分配
本项目共3个任务，本项目安排6课时。其中理论学时3课时，实践学时3课时。
三、教学重点
通过本项目的学习，让学生学习到电阻应变片式传感器在简易电子秤中的应用热电阻在温度检测中的应用气敏电阻在酒精浓度检测中的应用，让学生由理论联系实践，在教学过程中培养学生自主性、研究性学习方法和思想。
四、教学难点
　　1.了解电阻应变片的粘贴方式。
　　2.正确完成由电阻应变片构成的直流电桥的接线。
　　3.学会差动放大电路调零和直流电桥调零。
4.学会简易电子秤测量标定。
五、教学内容
任务一　传感器与检测技术
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一、应变效应
电阻应变效应示意图
二、电阻应变片的测量原理
电阻丝应变片的结构示意图
1—基片2—直径为0.025 mm左右高电阻率的合金电阻丝
3—覆盖层4—引线，用以和外接导线连接
三、电阻应变片的种类结构
电阻应变片种类繁多，形式多样，但常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片根据敏感栅不同分为丝式、箔式和薄膜式三种，如图所示。
电阻应变片
1—焊接电极；2—基底；3—半导体
四、电阻应变片的测量转换电路
直流电桥的基本形式如下图（a）所示。R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其它负载）。
当RL→∞（开路）时,电桥的输出电压U0应为
当电桥平衡时，U0=0，由上式可得到R1 R3=R2 R4或R1/R2=R4/R3
上式称为电桥平衡条件。
为了获得最大的电桥输出，常采用全等臂电（R1=R2=R3=R4=R）。当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4，当每个桥臂的电阻变化量ΔRiRi时，则电桥输出电压
直流电桥测量电路
实际应用时，R1、R2、R3和R4不可能严格相等，所以在未受力时，桥路的输出也不一定为零，因此一般测量电路均设有调零电路，如上图（b）所示。调节Rp可使电桥平衡，输出电压为零，图中的R5为限流电阻。
根据电桥工作的不同组合，可以分成3种工作方式：单臂电桥、双臂电桥（半桥）、全桥，如图所示。
五、电阻应变式传感器的应用
1.电阻应变式力传感器
电阻应变式力传感器根据弹性体的不同可以分成柱式、环式和悬臂梁式三种。
汽车的称重可以采用柱式力传感器。
柱式应变式力传感器
环形力传感器适合制作电子吊钩秤。
环式应变式力传感器
悬臂梁式应变式力传感器
如上图所示，家用的电子秤一般采用悬臂梁式力传感器，当外力F作用在悬臂梁的自由端时，固定端产生的应变最大，此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R2、R3同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成差动全桥。
2.电阻应变式压力传感器
电阻应变式传感器也适合气体和液体的压力测量。常见的此类传感器采用的弹性元件是薄壁圆筒或者薄膜，所以对应的结构也有所不同。如图所示为圆筒形压力传感器，被测流体压力P作用于筒体内部，沿筒周向贴应变片，检测应变，并将其通过测量转换电路检测出来。筒式压力传感器一般用于管道，枪（炮）受力测量。
圆筒形压力传感器
下图所示为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力p作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt，R1、R3测量径向应变（负），R2、R4测量切向应变（正），四个应变片组成全桥，可增大传感器的灵敏度，又起到温度补偿作用。
膜片式压力传感器
任务二 热电阻在温度检测中的应用
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一、热电阻的分类
目前热电阻主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类，其中半导体热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高(通常在数千欧以上)，但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50～300℃，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。金属热电阻一般适用于-200～960℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在工程控制中应用极其广泛。
二、金属热电阻的工作原理、结构及转换电路
1.金属热电阻的工作原理
金属热电阻的测温原理是基于导体电阻值随着温度的变化而变化的特性。只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即
式中： Rt为温度t时的阻值；
Rt0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；
α为温度系数。
2.金属热电阻的结构
热电阻广泛应用于各种条件下的温度测量，尤其适用于500℃以下较低温度的测量，应用最广泛的两种结构是普通型热电阻和铠装型热电阻。
普通型热电阻主要由电阻体、绝缘管、保护套管和接线盒等主要部分组成。其中，绝缘管用于防止两根电极短路，保护套管用于保护热电极不受化学腐蚀和机械损伤。
普通型热电阻的外形和结构
铠装型热阻是由热电阻、绝缘材料和金属套管三者经过拉伸加工成型的。金属套管一般为铜、不锈钢、镍基高温合金等。保护套管和热电极之间填充绝缘材料粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。铠装型热电阻可以做得很细，一般为2～8mm，在使用中可以随测量需要任意弯曲。铠装热电阻具有动态响应快、机械强度高、抗震性好、可弯曲等优点，可安装在结构较复杂的装置上，应用十分广泛。
铠装型热电阻外形和结构
3.金属热电阻的测量转换电路
热电阻是把温度变化转换为电阻值变化的一次元件，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或者其他二次仪表上。常用的引线方式有三种，如图所示。
金属热电阻的引线方式示意图
（1）二线制接线
二线制接线即在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。这种引线方式最简单。但由于连接导线必然存在引线电阻r，r的大小与导线的材质和长度等因素有关。
（2）三线制接线
三线制接线即在热电阻根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，如上图(b)所示。这种方式通常与电桥配套使用，可以较好地消除引线电阻的影响。三线制接线是工业过程中最常用的引线方式。
（3）四线制接线
在热电阻根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流Is，把Rt转换为电压信号Ui，再通过另两根引线把Ui引至二次仪表，如上图(c)。可见这种引线方式可以完全消除引线电阻的影响，主要用于高精度的温度检测。
三、热敏电阻的工作原理及转换电路
1.热敏电阻的工作原理
热敏电阻的测温原理是基于半导体电阻值随着温度的变化而变化的特性。只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。半导体热敏电阻的阻值和温度的关系为
式中：Rt为温度t时对应的电阻值, A、B是取决于半导体材料和结构的常数。
热敏电阻
2.热敏电阻的分类
根据热敏电阻阻值随温度变化情况热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻、负温度系数热敏电阻和突变型负温度系数热敏电阻。
3.热敏电阻的转换电路
热敏电阻阻值随温度变化的曲线呈非线性，而且每个相同型号的线性度也不一样，同时测温范围比较小。如下图所示为热敏电阻作温度补偿用电路。由热敏电阻器RT和与温度无关的线性电阻器R1和R2串并联组成，补偿温度范围为T1～T2。
由热敏电阻构成的补偿电路
任务三 气敏电阻在酒精浓度检测中的应用
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一、气敏传感器的分类
1.气敏传感器的分类
气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体式气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等。
半导体式气敏传感器可分为电阻式和非电阻式两大类。其中电阻式又分为烧结型、薄膜型和厚膜型三种。
二、气敏电阻的工作原理
当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。当氧化型气体吸附到N型半导体（SnO2、 ZnO)上，还原型气体吸附到P型半导体(CrO3)上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。此类传感器称为氧化型传感器。
如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。此类传感器称为还原性气体传感器。
三、气敏电阻的结构
1.烧结型气敏器件
烧结型气敏器件的制作是将一定比例的敏感材料（SnO2、ZnO等）和一些掺杂剂（Pt、Pb等）用水或黏合剂调合，经研磨后使其均匀混合，然后将混合好的膏状物倒入模具，埋入加热丝和测量电极，经传统的制陶方法烧结。最后将加热丝和电极焊在管座上，加上特制外壳就构成器件。
该类器件分为两种结构：直热式和旁热式。直热式气敏器件结构如下图所示。直热式器件管芯体积很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板。稳定性较差。
直热式气敏器件结构
旁热式气敏器件结构如下图所示，把高阻加热丝放置在陶瓷绝缘管内，在管外涂上梳状金电极，再在金电极外涂上气敏半导体材料，就构成了器件。旁热式气敏器件稳定性较好。
旁热式气敏器件结构
烧结型气敏器件的气敏电阻工作时必须加热到200～300℃，这样做的目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并且烧去气敏电阻表面的污物，起到一定的清洁作用。
2.薄膜型气敏器件
薄膜型气敏器件结构如下图所示。制作时采用蒸发或溅射的方法，在处理好的石英基片上形成一薄层金属氧化物薄膜（如SnO2、ZnO等），再引出电极。实验证明：SnO2和ZnO薄膜的气敏特性较好。此类气敏器件灵敏度高、响应迅速、机械强度高、互换性好、产量高、成本低，应用广泛。
薄膜型气敏器件结构
3.厚膜型气敏器件
厚膜型气敏器件是结构将SnO2和ZnO等材料与3％～15％重量的硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印制到装有铂电极的氧化铝基片上，在400～800℃高温下烧结1～2小时制成。此类气敏器件一致性好，机械强度高，适于批量生产。
三、气敏传感器的应用
1.家用气体报警器
家用气体报警器用以检测室内外危险场所的泄漏情况，是保证生产和人身安全的重要仪器。如家用煤气报警器、家用液化气体报警器等，如下图所示。当可燃气体浓度超过报警设定值时发生声光报警信号提示，值班人员及时采取安全措施，避免燃爆事故发生。
家用煤气报警器
2.有害气体辨别、报警与控制
气敏传感器一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性；另一方面可以自动控制排气扇排气，使室内空气清新，如下图所示。
有害气体监测器
3.可燃性气体浓度检测
可燃性气体浓度检测用于家庭对媒气、一氧化碳、液化石油气等泄露实现监测报警，如下图所示。
便携式可燃气体检测报警仪
4.矿用瓦斯报警器
矿用瓦斯报警器主要应用于需要检测甲烷（瓦斯）的爆炸性环境中，如矿井、甲烷充气站及各种甲烷（瓦斯）用户，如下图所示。
矿用瓦斯报警器
5.烟雾报警器
烟雾报警器由两个部分组成：一是一台用于检测烟雾的感应传感器，二是一只声音非常响亮的电子扬声器，一旦发生危险可以及时报警提醒人们，如下图所示。
烟雾报警器
6.酒精检测报警器
当被检测气体酒精浓度超过报警设定值时，酒精报警器发出报警信号，还可以增加外设，报警同时启动外部联动，从而阻止或降低现场的危险程度，达到排除险情的目的，如下图所示。
酒精检测仪
六、课后作业
完成本项目的项目测评。
21世纪教育网 www.21cnjy.com 精品试卷·第 2 页 （共 2 页）
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