传感器技术与应用 第二章 电阻式传感器

第二章电阻式传感器及其应用主讲人：唐守锋教授第二章电阻式传感器及其应用•一、电位器电阻式传感器•二、弹性敏感元件•三、电阻应变式传感器•四、固态压阻式传感器•五、热电阻传感器•六、气敏和湿敏电阻传感器一、电位器电阻式传感器• 2.1.1电位器传感器原理和结构• 1.电位器的转换原理•电位器的电压转换原理如图2 -2所示，设电阻体长度为z，触点滑动位移量为x，两端输入电压为Ui ，则滑动端输出电压Uo为•对角位移式电位器来说，U o与滑动臂的旋转角度a成正比，即图2 -2电位器的电压转换原理•将电位器的电刷通过机械传动装置与被测对象相连，便可测量机械直线位移或角位移。

• 2.基本结构•由于测量领域的不同，电位器的结构不同，但是其基本结构是相近的。

电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。

•根据电位器结构不同，位移电位器分为直线位移电位器和角位移电位器两种，其基本结构分别如图2-3、图2 -4所示。

• 2.1.2电位器传感器负载特性•电位器输出端接有负载电阻时，输出电压与负载大小的关系特性称为负载特性。

接有负载电阻R L 的电位器如图2 -5所示，电位器输出电压U L 为•设电阻相对变化为r = R x /R max ，并设m=R max /R L , m 称负载系数，则上式可写成图2 -5带负载的电位器电路•而理想空载特性为•由于m≠0,即R L不是无限大，使负载特性与空载特性之间产生偏差。

图2 -6是对不同m的负载特性曲线。

• 2.1.3电位器传感器的应用实例• 1.电位器式压力传感器•电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应变化。

图2 -6电位器的负载特性曲线族•图2 -7为YCD-150型远程压力表原理图。

它是由一个弹簧管和电位器组成的压力传感器。

电位器固定在壳体上，而电刷与弹簧管的传动机构相连接。

04电数字式体温计电阻式温度传感器的测试项目描述•数字式体温计是利用电阻式温度传感器将温度转换成数字信号，然后通过显示器(如液晶、数码管、LED矩阵等)以数字形式显示温度，能快速准确地测量人体温度。

与传统的水银体温计相比，具有读数字方便，测量时间短，测量精度高，能记忆并有提示音等优点，尤其是数字体温计不含水银，对人体及周围环境无害特别适合于医院，家庭使用，如图4-1所示。

•通过本项目的学习，主要给•大家介绍电阻式温度传感器•（也称为热电阻传感器）的•工作原理及常见的热电阻传•感器。

一、温度测量的基本概念温度标志着物质内部大量分子无规则运动的剧烈程度。

温度越高，表示物体内部分子热运动越剧烈。

模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！二、温标1、温度的数值表示方法称为温标。

它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。

各类温度计的刻度均由温标确定。

2、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。

几种温标的对比正常体温为37 C，相当于华氏温度多少度？知识准备•一、热电阻传感器•热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类，前者通常简称为热电阻，后者称为热敏电阻。

下面介绍金属热电阻传感器。

•（一）金属热电阻的工作原理•金属热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的特性，由金属材料制成的感温元件。

当被测温度变化时，导体的电阻随温度变化而变化，通过测量电阻值变化的大小而得出温度变化的情况及数值大小，这就是热电阻测温的基本工作原理。

取一只100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。

•（二）常用热电阻及特性•常用热电阻材料有铂、铜、铁和镍等，它们的电阻温度系数在(3～6)×10−3/℃范围内，下面分别介绍它们的使用特性。

•1．铂电阻•又称白金，是目前公认的制造热电阻的最好材料。

它的优点是性能稳定，重复性好，测量精度高，其电阻值与温度之间有很近似的线性关系。

传感技术及应用课程教案第一章传感器概述§1-1 传感器与非电量测量一、非电量与非电量测量一切物质都处在永恒不停的运动之中。

物质的运动形式很多，它们通过化学现象或物理现象表现出来。

表征物质特性或其运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量两类。

电量一般是指物理学中的电学量，如电压、电流、电阻、电容、电感等；非电量则是指除电量之外的一些参数，如压力、流量、尺寸、位移量、重量、力、速度、加速度、转速、温度、浓度、酸碱度等。

在众多的实际测量中，大多数是对非电量的测量。

在早期，非电量的测量多采用非电的测量方法，例如用尺测量长度；用秤称重量；用水银温度计测温度等等。

但随着科学技术的发展，对测量的准确度、测量速度、尤其对被测量动态变化过程的测量和远距离的检测都提出了更高的要求，原有的非电量测量方法已无法适应这一需要。

因此需要研究新的测量方法和技术。

这就是非电量的电测技术，这种技术就是用电测技术的方法去测量非电的物理量。

（或称把被测非电量转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量的方法）。

非电量电测技术的主要特点：1.应用了已经较为成熟和完善的电磁参数测量技术、理论和方法。

因而，非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量变换成电磁量的技术——传感技术。

2.便于实现连续测量。

连续测量对于某些参数的自动测量（例如地震监测等）是十分重要的，但用非电的方法连续测量大电量却难以实现。

3.电信号容易传输（有线、无线）、转换（放大、衰减、调幅、调频、调相等）、记录、存贮和处理，便于实现遥测、巡回检测、自动测量，并能以模拟或数字方式进行显示和记录测量结果。

4.可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准确的测量。

5. 与计算机相配合可进行传感器输出非线性的校正，误差的计算与补偿，进而使仪器智能化。

同时，也可实现某些参数的自动控制。

6.可完成用非电量方法无法完成的检测任务（如温度场测量等）。

二、非电量电测系统随着计算机技术的普及和应用，人们对传感技术的重要性有了进一步的认识，把传感器视为计算机的“五官”，推动了传感技术的发展。

电阻式传感器的原理
电阻式传感器是一种常用的传感器，其原理是通过测量电阻值的变化来检测被测量物的某种特性或状态。

电阻式传感器通常由一个电阻元件和一个测量电路组成，电阻元件的电阻值会随着被测量物的变化而发生相应的变化。

测量电路对电阻元件施加一个恒定的电流或电压，并测量通过电阻元件的电压或电流来计算电阻的值。

当被测量物发生变化时，电阻元件的电阻值也会发生相应的变化。

这种变化可以是温度、压力、湿度、光强、位置等物理量的变化。

例如，一个温度传感器可以使用一个电阻元件，通过测量电阻值的变化来计算温度的变化。

在测量电路中，一般会使用一些额外的元件来调节电阻元件的工作范围和增加测量的精确性。

常见的调节元件包括电源和放大器等，它们可以提供一个恒定的电流或电压，以及将电阻变化转换为电压或电流信号。

电阻式传感器具有简单、可靠和成本低等优点，广泛应用于各个领域，如工业自动化、环境监测、医疗设备等。

根据不同的应用场景和测量要求，可以选择不同类型的电阻元件，如电阻丝、膜电阻、压敏电阻等。

总之，电阻式传感器通过测量电阻值的变化来检测被测量物的特性或状态，其原理简单而可靠，是一种常用的传感器技术。

传感器知识点一、电阻式传感器1) 电阻式传感器的原理：将被测量转化为传感器电阻值的变化，并加上测量电路。

2) 主要的种类：电位器式、应变式、热电阻、热敏电阻 ● 应变电阻式传感器1) 应变：在外部作用力下发生形变的现象。

2) 应变电阻式传感器：利用电阻应变片将应变转化为电阻值的变化a. 组成：弹性元件+电阻应变片b. 主要测量对象：力、力矩、压力、加速度、重量。

c. 原理：作用力使弹性元件形变发生应变或位移应变敏感元件电阻值变化通过测量电路变成电压等点的输出。

3) 电阻值：ALR ρ=(电阻率、长度、截面积)。

4) 应力与应变的关系：εσE =(被测试件的应力=被测试件的材料弹性模量*轴向应变)5) 应力与力和受力面积的关系：（面积）（力）（应力）A F =σ应注意的问题：a. R3=R4；b. R1与R2应有相同的温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度、初值；c. 补偿片的材料一样，个参数相同；d. 工作环境一样；二、电感式传感器1) 电感式传感器的原理：将输入物理量的变化转化为线圈自感系数L 或互感系数M的变化。

2) 种类：变磁阻式、变压器式、电涡流式。

3) 主要测量物理量：位移、振动、压力、流量、比重。

● 变磁阻电感式传感器1) 原理：衔铁移动导致气隙变化导致电感量变化，从而得知位移量的大小方向。

2) 自感系数公式：)(2002气隙厚度（截面积）（磁导率）δμA L N=。

3) 种类：变气隙厚度、变气隙面积4) 变磁阻电感式传感器的灵敏度取决于工作使得当前厚度。

5) 测量电路：交流电桥、变压器式交变电桥、谐振式测量电桥。

P56 6)应用：变气隙厚度电感式压力传感器（位移导致气隙变化导致自感系数变化导致电流变化）● 差动变压器电感式传感器1) 原理：把非电量的变化转化为互感量的变化。

2) 种类：变隙式、变面积式、螺线管式。

3) 测量电路：差动整流电路、相敏捡波电路。

● 电涡流电感式传感器1) 电涡流效应：块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中做切割磁感线的运动，磁通变化，产生电动势，电动势将在导体表面形成闭合的电流回路。

传感器技术与应用随着科技的不断发展和应用的不断扩张，传感器已经成为了现代社会中不可或缺的重要组成部分。

传感器技术的应用范围广泛，涵盖了许多领域，如自动化控制、环境监测、医疗设备、军事装备等。

本文将探讨传感器技术的基本原理、各种传感器的分类及其在不同领域中的应用。

一、传感器技术的基本原理传感器是一种用于感知并测量环境物理量的设备，它通过将环境中的物理量转化为电信号来实现测量。

传感器技术的基本原理有以下几种：1. 电阻式传感器：电阻式传感器是利用材料的电阻值随物理量的变化而变化的原理来进行测量的。

例如，温度传感器就是属于电阻式传感器的一种。

2. 压力传感器：压力传感器是利用被测压力作用在传感器上产生的变形，从而改变电阻、电容、电感等电学特性，通过电信号来测量压力的。

3. 光电传感器：光电传感器是利用光敏材料对光的敏感性，将光信号转化为电信号来实现检测。

比如，光电开关就是一种常见的光电传感器。

二、传感器的分类根据传感器的原理和应用，可以将传感器分为多种类型。

下面介绍几种常见的传感器分类。

1. 按测量物理量分类：根据测量的物理量不同，传感器可以分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光照传感器、气体传感器等。

2. 按传感元件分类：根据测量原理不同，传感器可以分为电阻型传感器、电容型传感器、电感型传感器、压电型传感器等。

3. 按应用场景分类：根据不同的应用场景，传感器可以分为工业传感器、医疗传感器、环境传感器、安防传感器等。

三、传感器在各领域的应用1. 自动化控制：传感器在自动化控制领域中发挥着重要作用，如工业生产中的温度传感器、压力传感器、流量传感器等可以用于实时监测和控制生产过程。

2. 环境监测：传感器在环境监测领域中广泛应用，可用于测量空气质量、水质指标、噪声等环境因素。

这些传感器的数据可以为环境保护和污染控制提供重要参考依据。

3. 医疗设备：在医疗领域，传感器的应用非常广泛，如心率传感器、血压传感器、体温传感器等可以帮助医生实时监测患者的生理指标，为医疗诊断和治疗提供支持。

传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。

0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。

（2）指示仪表 内阻大些好。

（3）RB:电桥平衡调零电阻。

2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。

2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。

3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。

属于变介电常数式。

3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。

参考电容式接近开关原理。

3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。

项目2电阻式传感器原理与应用1.什么是应变效应？利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。

答：应变效应是指金属丝的电阻值随着它所受的机械形变的大小而发生相应变化的现象。

现有如图2.1.1所示的一根金属电阻丝，其电阻值设为R，电阻率为ρ，截面积为S，长度为l则电阻值的表达式为R＝ρlS当电阻丝受到拉力作用时将沿轴线伸长，伸长量设为△l，横截面积相应减小△S，电阻率的变化设为△ρ，则电阻的相对变化量为∆R R＝∆ρρ+∆ll−∆SS2. 金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?各有何优缺点?答：金属电阻应变片性能稳定、精度较高，至今还在不断地改进和发展，并在一些高精度应变式传感器中得到了广泛的应用。

这类应变片的主要缺点是应变灵敏系数较小。

半导体应变片灵敏度高，其灵敏系数比金属电阻应变片约高50倍，但稳定性差，容易受到外界温度的干扰。

3.有一金属电阻应变片，其灵敏度K＝2.5，R＝120Ω，设工作时其应变为1200με，则△R是多少?若将此应变片与2V直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的电流。

解：∆R=RKε=120×2.5×1200×10−6=0.36Ω，无应变时：电流I=VR =2120=0.01667安培，有应变时：电流I=VR+∆R =2120+0.36=0.01661安培，4.应变片称重传感器，其弹性体为圆柱体．直径D＝100mm，材料弹性模量E＝205×109N／m2，用它称500kN的物体，若用电阻丝式应变片，应变片的灵敏系数K＝2，R＝120Ω，问电阻变化多少?解：直径D＝100mm, 应变ε=FSE =500KNπ10042×10−6×205×109=22050π，∆R=RKε=120×2×22050π=0.0746Ω5.试述应变片温度误差的概念、产生原因和补偿办法。

答：)温度误差由于测量现场环境温度改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。

北京理工大学珠海学院信息学院教案课程名称：传感器与检测技术课程性质：专业必修主讲教师：安玉磊联系电话：E-MAIL：课时分配表第1课一．章节名称绪论，，，二．教学目的1、掌握内容：传感器的静态特性，动态特性；2、了解内容：传感器的定义，组成，自动检测技术的发展和应用；三．安排课时： 2学时四．教学内容（知识点）1．自动检测系统的组成；2．传感器的定义，组成，传感器的分类；3. 传感器的静态特性；4. 传感器的动态特性；5. 传感器的标定和校准五．教学重点、难点1．传感器的静态特性和动态特性；2．传感器的标定和校准；六．选讲例题1．活塞压力计标定；2．压力传感器的动态标定；七．作业要求7什么是传感的静态特性有那些指标如何用公式表示8什么是传感器的动态特性有那些分析方法八．环境及教具要求多媒体教室、PowerPoint九．教学参考资料1．《传感器与检测技术》，徐科军；2．《传感器原理与应用》，程德福；第2课一．章节名称测量误差和数据处理；二．教学目的1、掌握内容：测量误差的表示方法，数据处理的基本方法；2、了解内容：误差的概念和分类，精度；三．安排课时：2学时四．教学内容（知识点）1．测量误差的概念和分类；2. 精度3. 误差的表示方法；4. 随机误差的处理方法；5. 系统误差的处理；6，粗大误差的处理；7．数据处理的基本方法五．教学重点、难点1．误差的处理方法；2．数据处理的基本方法；六．选讲例题1．补偿法测量高频小电容；2．对照法消除系统误差；七．作业要求2正态分布的随机误差有什么特点3、什么是系统的引用相对误差它有什么意义八．环境及教具要求多媒体教室、PowerPoint九．教学参考资料1．《传感器与检测技术》，徐科军第3课一．章节名称应变式传感器；二．教学目的1、掌握内容：金属应变片的工作特性；2、了解内容：金属应变片的工作原理；三．安排课时：（2学时）四．教学内容（知识点）1．金属的应变效益；2．应变片的结构与种类；3. 应变片的灵敏系数；4. 横向效应；5. 温度误差及其补偿五．教学重点、难点1．横向效益；2．温度误差及其补偿；六．选讲例题1．热敏电阻补偿法；2．双金属丝补偿法；七．作业要求1、什么是应变效应，用金属的应变效应解释电阻应变片的工作原理。

《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第2章 电阻式传感器2-1 金属应变计与半导体应变计在工作机理上有何异同？试比较应变计各种灵敏系数概念的不同物理意义。

答：（1）相同点：它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化所；不同点：金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。

（2）对于金属材料，灵敏系数K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。

前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。

金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。

对于半导体材料，灵敏系数K0=Ks=(1+2μ)+πE 。

前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE>>(1+2μ)，因此K0=Ks=πE 。

半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。

2-2 从丝绕式应变计的横向效应考虑，应该如何正确选择和使用应变计？在测量应力梯度较大或应力集中的静态应力和动态应力时，还需考虑什么因素？2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。

答：电阻应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。

在工作温度变化较大时，会产生温度误差。

补偿办法：1、温度自补偿法 （1）单丝自补偿应变计；(2) 双丝自补偿应变计2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式；（2）补偿块法2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。

答：原因：)(211)(44433221144332211R R R R R R R R R R R R R R R R U U ∆+∆+∆+∆+∆-∆+∆-∆=∆ 上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。