传感器技术与应用 第二章 电阻式传感器
测试课程第二章 电阻式传感器及其应用
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。
自动检测技术及应用 第2版第2章 电阻式传感器及应用
根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和
交流电桥。
电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）
和不平衡电桥（偏差法）两种。
平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡 电桥对静、动态参数都可测量。 我们只讨论直流不平衡电桥。
1．直流不平衡电桥的工作原理
直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R1、R2、 R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。
为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔 式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较 小，因而电阻变化量也就小得多。
３.应变片的粘贴：
1)去污：采用手持砂 轮工具除去构件表面的
油污、漆、锈斑等，并
用细纱布交叉打磨出细 纹以增加粘贴力 ，用 浸有酒精或丙酮的纱布 片或脱脂棉球擦洗。
2.贴片：在应变片的 表面和处理过的粘贴表
第2章 电阻式传感器及其应用
本章学习电阻式传感器的原理及应用， 包括：电阻应变片、电位器、热电阻、 气敏电阻及湿敏电阻等。
§2.1 电阻应变式传感器
应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用 下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生
变化，这种现象称为应变效应。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转
34端接直流电压U 12端输出电压U0
初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。
当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受
到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平
衡，就会有信号U0输出。
当电桥平衡时, 有：R1R4=R2R3 或 则：Uo=0 电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对 两臂电阻的乘积相等。 当电桥不平衡时：
例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； 又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。
电阻式传感器
结构组成与特点
结构组成
电阻式传感器主要由电阻元件、电极和绝缘体等部分组成。其中，电阻元件是核 心部分，其电阻值随被测量（如温度、压力、位移等）的变化而变化。
特点
电阻式传感器具有结构简单、体积小、重量轻、价格低廉等优点。同时，由于电 阻元件与被测量直接接触，因此响应速度较快，且易于实现小型化和集成化。
性能参数及指标
灵敏度
线性度
电阻式传感器的灵敏度表示为单位被测量 变化引起的电阻值变化量。灵敏度越高， 传感器的测量精度和分辨率就越高。
线性度是指传感器输出量与输入量之间的 线性关系程度。线性度越好，传感器的测 量误差就越小。
稳定性
抗干扰能力
稳定性是指传感器在长时间使用过程中保 持其性能参数不变的能力。稳定性越好， 传感器的使用寿命就越长。
THANKS。
04
电阻式传感器信号处理与接口 电路
信号处理电路设计
01
02
03
放大电路
采用差分放大电路，减小 共模干扰，提高信号放大 倍数。
滤波电路
设计低通滤波器，滤除高 频噪声，保证信号平滑。
A/D转换电路
将模拟信号转换为数字信 号，便于后续数字处理。
接口电路实现方式
线性化接口电路
通过线性化电路将电阻式 传感器的非线性输出转换 为线性输出。
电阻式传感器
汇报人：XX
contents
目录
• 电阻式传感器概述 • 电阻式传感器结构与性能 • 电阻式传感器测量原理与方法 • 电阻式传感器信号处理与接口电路 • 电阻式传感器应用实例分析 • 电阻式传感器发展趋势与挑战
01
电阻式传感器概述
定义与工作原理
定义
电阻式传感器是一种利用被测物理量 （如压力、位移、温度等）引起的电 阻变化来测量该物理量的装置。
传感器与检测技术电阻式温度传感器
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。
(完整版)传感器教案
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。
2、电阻式传感器原理与应用
dA 2 dr Ar
x
dL L
y
dr r
r为金属丝半径
εx为金属丝轴向应变
εy为金属丝横向应变
➢ 轴向应变εx的数值一般很小， 常以微应变度量；
➢ μ为电阻丝材料的泊松比，一 般金属μ=0.3-0.5；
对金属材料，电阻率几乎不变：
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
由于空腔内传压介质的高度比被测溶 液的高度高，因而腰形筒微压传感器处 于负压状态。
为了提高测量的灵敏度，安装了两只 性能完全相同的微压传感器。
液位传感器： 当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压
传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：
U0 U1 U2 (A1 A2 ) g h
料常用康铜和镍铬合金等。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。
半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类 型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上 施加力时，其电阻的变化方式不同)。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
✓灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
✓绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。 一般大于1010Ω。
✓其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度 等）。
3.2 测量电路及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路
将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测 量的测量。
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应 变所引起的电阻相对变化。
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系 数”，由实验测定。
电阻式传感器的原理
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。
(完整版)传感器与检测技术第二版知识点总结
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。
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R3 R3
R4 R4
)
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电桥工作方式
① 半桥单臂工作方式 ② 半桥双臂工作方式 ③ 全桥4臂工作方式
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① 半桥单臂工作方式
传感器输出的电阻变化量ΔR只接入电桥
的一个桥臂中，在工作时，其余3个电阻
的阻值没有变化（即
ΔR2=ΔR3=ΔR4=0）。电桥的输出电
当电阻率ρ、长度 和面积s
一定时，物体的电阻与其电
阻率、长度和横截面积之间
的关系，可用式表示为 R l
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s
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2.2.2 电阻应变片的种类、材料及 黏贴
电阻丝式应变片基本结构
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应变片主要有金属应变片和半导 体应变片两类。金属片有丝式、 箔式、薄膜式3种电阻应变片
压为
Uo
Ui 4
R R
灵敏度为 K Ui 4
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② 半桥双臂工作方式
安装两个工作应变片，一个受拉应变， 一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称 为半桥差动电路，电桥的输出电压为
Uo
Ui 2
R R
灵敏度为
K Ui 2
线性关系，温度补偿等优点。
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③ 全桥4臂工作方式
第2章 电阻式传感器
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引言
电阻式传感器的基本原理是将被测量的 变化转换成传感元件电阻值的变化，再 经过转换电路变成电信号输出。
常用来测量力、压力、位移、应变、扭 矩、加速度等。
电阻式传感器的结构简单、性能稳定、 灵敏度较高，有的还适合于动态测量。
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2
2.1 电位器式电阻传感器
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应变片的黏贴技术
① 应变片的检查 ② 试件的表面处理 ③ 确定贴片位置 ④ 黏贴应变片 ⑤ 固化处理 ⑥ 粘贴质量检查 ⑦ 引出线的固定与保护 ⑧ 防潮防蚀处理
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Rl s
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2.2.3 电阻应变片的主要特性
1. 横向效应
般测量电阻的仪表是难直接测出来，必须用专门 的电路来测量这种微弱的变化。
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1.直流电桥电路
直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、 R3、R4组成，其中a、c两端接直流电 压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电 压为Uo。在测量前，取R1R3 = R2R4， 输出电压为Uo=0。
当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出 电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。
阶梯误差。
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2.1.3 电位器式电阻传感器结构与 材料
1.线绕式电位器电位器 3) 导电塑料电位器 4) 光电电位器
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2.1.4 电位器式位移传感器
若将电桥4臂接入4片应变片，即2个受拉应变， 2个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对 桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂 的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为
Uo
RU i R
灵敏度为 K Ui
全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是 单片的4倍，具有温度补偿作用。
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2 .交流电桥
交流电桥平衡调节
由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥 的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。
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2.2.6 应变式测力传感器
应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组 成。主要用作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。
应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
F
F
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汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）
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压力传感器
压力传感器主要用于测量流体的压力
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位移传感器
应变式位移传感器是把被测位移量转变 成弹性元件的变形和应变，然后通过应 变计和应变电桥，输出正比于被测位移 的电量
电位器是一种常用的机电元件，广泛应 用于各种电器和电子设备中。它是一种 把机械的线位移或角位移输入量转换为 与它成一定函数关系的电阻或电压输出 的传感元件，主要用于测量压力、高度、 加速度、航面角等各种参数的测量
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2.1.1 电位器式电阻传感器的原理
1．线性电位器式传感器
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YHD型电位器式位移传感器
1—测杆；2—滑线电阻；3—电刷；4—弹簧；5— 滑快；6—导轨；7—外壳；8—无感电阻。
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2.2 应变式电阻传感器
2.2.1 应变效应和应变式电阻传感器的工作原 理
应变效应是指导体或半导体材料在受到外界 力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，进 而导致其电阻值的变化。
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非线性电位器
对角位移式电位器来说，Uа与滑动臂的
旋转角度成正比，即
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2.1.2 电位器式电阻传感器的基 本特性及误差
电位器输出端接有负载电阻时，其特性 称为负载特性。
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2.1.2 电位器式电阻传感器的基本 特性及误差
阶梯特性及误差
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1.直流电桥电路
当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的 负载电阻为无限大时，电桥输出电压可 近似表示为
U0
R1
R1
R4 R2
R2
R3
R3 R4
U
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1.直流电桥电路
一般采用全等臂形式，即
R1=R2=R3=R4=R，
Uo
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
2. 机械滞后、零漂和蠕变 3. 温度效应
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应变片参数
（1）标准电阻值（R0） （2）绝缘电阻（RG） （3）灵敏度系数（K） （4）应变极限（ξmax） （5）允许电流（Ie） 允许电流是指应
变片允许通过的最大电流。 （6）机械滞后
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2.2.4 电阻应变片的温度误差及补偿
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加速度传感器
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休息一下
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电桥的线路补偿
① 零点补偿 要求电桥的4个桥臂电阻值 相同是不可能的，这样就使 电桥不能满足初始平衡条件
（即U0≠0）。为了解决这
一问题，可以在一对桥臂电 阻乘积较小的任一桥臂中串 联一个可调电阻进行调节补 偿。
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2.交流电桥
由于供桥电源为交流电源，引线分布电 容（ 和 ）使得二桥臂应变片呈现复阻抗 特性。
1.柱(筒)式传感器 2.悬臂式传感器
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应变式力传感器
应变式力传感器
F
F
F
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F
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各种悬臂梁
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各种悬臂梁
F
F
固定点
固定点
电缆
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应变式荷重传感器的外形及应
变片的粘贴位置
F
R4
R
R1
2
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电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度 误差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生 变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其 产生附加形变。
1.自补偿法 2. 线路补偿法
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2.2.5 测量电路
1.直流电路 2.交流电桥
机械应变一般在10 µε～3 000 µε之间，而应变灵
敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一