传感器与检测技术第二章 电阻式
《传感与检测技术》习题及解答
第1章 传感与检测技术基础第2章 电阻式传感器 第3章 电感式传感器1、电感式传感器有哪些种类？它们的工作原理分别是什么？2、说明3、变气隙长度自感式传感器的输出特性与哪些因素有关？怎样改善其非线性？怎样提高其灵敏度？答：根据变气隙自感式传感器的计算式：00022l S W L μ=，线圈自感的大小，即线圈自感的输出与线圈的匝数、等效截面积S 0和空气中的磁导率有关，还与磁路上空气隙的长度l 0有关；传感器的非线性误差：%100])([200⨯+∆+∆= l ll l r 。
由此可见，要改善非线性，必须使l l∆要小，一般控制在0.1~0.2。
（因要求传感器的灵敏度不能太小，即初始间隙l 0应尽量小，故l ∆不能过大。
）传感器的灵敏度：20022l S W dl dL l L K l ⨯-=≈∆∆≈μ，由此式可以看出，为提高灵敏度可增加线圈匝数W ，增大等效截面积S 0，但这样都会增加传感器的尺寸；同时也可以减小初始间隙l 0，效果最明显。
4、试推导 5、气隙型 6、简述 7、试分析 8、试推导 9、试分析 10、如何通过11、互感式12、零点残余电压产生的原因是什么？怎样减小和消除它的影响？答：在差动式自感传感器和差动变压器中，衔铁位于零点位置时，理论上电桥输出或差动变压器的两个次级线圈反向串接后电压输出为零。
但实际输出并不为零，这个电压就是零点残余电压。
残差产生原因：①由于差动式自感传感器的两个线圈结构上不对称，如几何尺寸不对称、电气参数不对称。
②存在寄生参数；③供电电源中有高次谐波，而电桥只能对基波较好地预平衡。
④供电电源很好，但磁路本身存在非线性。
⑤工频干扰。
差动变压器的零点残余电压可用以下几种方法减少或消除：①设计时，尽量使上、下磁路对称；并提高线圈的品质因素Q=ωL/R；②制造时，上、下磁性材料性能一致，线圈松紧、每层匝数一致等③采用试探法。
在桥臂上串/并电位器，或并联电容等进行调整，调试使零残最小后，再接入阻止相同的固定电阻和电容。
传感器与检测技术ppt课件
22
重复性
图1-4所示为校正曲线的重复特性。
正行程的最大重复性偏差为△Rmax1, 反行程的最大重复 性偏差为△Rmax2，重复性误差取这两个最大偏差中之较 大者为△Rmax，再以满量程输出的百分数表示，即
rR
Rmax yFS
100%
（1-15）
式中 △Rmax----输出最大不重复误差。
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现代人们的日常生活中，也愈来愈离不开检测技术。例 如现代化起居室中的温度、湿度、亮度、空气新鲜度、防火、 防盗和防尘等的测试控制，以及由有视觉、听觉、嗅觉、触 觉和味觉等感觉器官，并有思维能力机器人来参与各种家庭 事务管理和劳动等，都需要各种检测技术。
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自动检测系统的基本组成
自动检测系统是自动测量、自动资料、自动保护、自动 诊断、自动信号处理等诸系统的总称，基本组成如图1-7。
图1-10 微差法测量稳压电源输出电压的微小变化
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误差处理 主要内容
• 一、误差与精确处理 • 二、测量数据的统计处理 • 三、间接测量中误差的传递 • 四、有效数字及其计算法则
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误差与精确处理
主要内容
(1)绝对误差与相对误差 (2)系统误差、偶然误差和疏失误差 (3)基本误差和附加误差 (4)常见的系统误差及降低其对测量结果影响的方法
（1-17）
由于种种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。灵 敏度误差用相对误差来表示
k10% 0 sk
（1-18）
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分辨率
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量。 分辨率可用绝对值表示，也可以用满量程的百分比表 示。
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。
《传感器技术与应用》课件第二章电阻式传感器
目 录
• 电阻式传感器的概述 • 电阻式传感器的特性 • 电阻式传感器的设计与优化 • 电阻式传感器的实际应用案例 • 电阻式传感器的发展趋势与挑战 • 习题与思考题
01
电阻式传感器的概述
定义与工作原理
定义
电阻式传感器是一种将物理量（ 如力、压力、温度等）转换为电 阻值变化的传感器。
电阻式传感器的应用场景
01
02
03
04
压力测量
用于工业自动化、航空航天、 医疗等领域，如气瓶压力、气
瓶压力、血压计等。
流量测量
用于流量计、水表、煤气表等 仪表中，实现流量的精确测量
。
温度测量
用于温度计、温控器等仪表中 ，实现温度的精确测量。
重量测量
用于电子秤、天平等设备中， 实现重量的精确测量。
02
电阻式传感器的特性
线性与非线性
线性
电阻式传感器在一定范围内，其输出 电压或电阻值与输入的物理量呈线性 关系，使得测量结果更为准确。
非线性
当输入量超过一定范围，电阻式传感 器的输出与输入呈非线性关系，需要 进行线性化处理或选择合适的测量范 围。
灵敏度与分辨率
灵敏度
电阻式传感器对单位输入量的变化所产生的输出量的变化，是衡量传感器性能 的重要参数。
采用先进的信号处理技术和算法优化， 提取更准确的测量结果。
对传感器的敏感材料进行表面修饰和 功能化，增强其对特定被测物的响应。
温度稳定性与抗干扰性的改进
温度补偿技术
通过引入温度补偿机制，降低或消除传感器因温度变化引起的误 差。
噪声抑制与抗干扰设计
采用有效的噪声抑制和抗干扰设计，降低外部干扰对传感器性能的 影响。
传感器与检测技术期末考试试题与答案
第一章传感器基础l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。
此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
《传感器与检测技术》课件——第2章 电阻式传感器
图2.13 波纹管外形
图2.11 膜片的轴向截面
图2.12 波纹形状与膜片特性的关系
电位式传感器可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。 2.2.1 线性电位器 线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。线性线绕电位器骨架的截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。
2.3.3 应变片测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上的。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。根据应力-应变关系可以得到应力值s。 通过弹性敏感元件转换作用，将位移、力、力矩、加速度、压力等参数转换为应变，因此可以将应变片由测量应变扩展到测量上述参数，从而形成各种电阻应变式传感器。 2.3.4 测量电路 1．直流电桥工作原理 输出端电压Uo为 电桥的平衡条件
2.2 电位式传感器
图2.14 直线位移电位式传感器示意图
图2.15 电位器式角度传感器
线绕电位器的阶梯特性如图2.16所示。 对理想阶梯特性的线绕电位器，在电刷行程内，电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数，称为电位器的电压分辨率，其公式为 线性电位器误差的大小可由下式计算： 由图2.18可见，无论m为何值，X=0和X=1，即电刷分别在起始位置和最终位置时，负载误差都为0；当X=1/2时，负载误差最大，且增大负载系数时，负载误差也随之增加。
图2.3 弹性圆柱
2.悬臂梁 （1）等截面梁。一端固定某一位置处的应变关系可按下式计算： （2）等强度梁。等截面梁的不同部位所产生的应变是不相等的，当作用力 F 加在梁的两斜边的交汇点处时，等强度梁各点的应变值为：
检测技术第2章部分练习答案
第二章电阻传感器思考题与习题答案1. 单项选择题1）电子秤中所使用的应变片应选择____B____应变片；为提高集成度，测量气体压力应选择____D____；一次性、几百个应力试验测点应选择廉价的____A____应变片。
A. 金属丝式B. 金属箔式C. 电阻应变仪D. 固态压阻式传感器2）应变测量中，希望灵敏度高、线性好、有温度自补偿功能，应选择____C____测量转换电路。
A. 单臂半桥B. 双臂半桥C. 四臂全桥D. 独臂3），热敏电阻测量转换电路调试过程的步骤是____A____。
若发现毫伏表的满度值偏大，应将RP2往____G____调。
A. 先调节RP1（调零电位器），然后调节RP2（调满度位器）B. 同时调节RP1、RP2C. 先调节RP2，然后调节RP1D.调满度E..调零F.小G.大4）电热水器中的测温Rt（热敏电阻）应选择____A____热敏电阻；过热保护电路中，温度升高，继电器吸合控制中的Rt应选择____B____热敏电阻；过热时，继电器释放控制中的Rt应选择____C____热敏电阻。
A. NTC指数型B. NTC突变型C. PTC突变型5）MQN气敏电阻可测量____C____的浓度，TiO2气敏电阻可测量____D____的浓度。
A. CO２B. N2C. 气体打火机车间的有害气体D. 汽车排气管中剩余的氧气6）湿敏电阻用交流电作为激励电源是为了____B____。
A. 提高灵敏度B. 防止产生极化、电解作用C. 减小交流电桥平衡难度7）当天气变化时，有时会发现在地下设施（例如地下室）中工作的仪器内部电路板漏电增大，机箱上有小水珠出现，磁粉式记录磁带结露等，影响了仪器的正常工作。
该水珠的来源是____C____。
A. 从天花板上滴下来的B.由于空气的绝对湿度达到饱和点而凝结成水滴C. 空气的绝对湿度基本不变，但气温下降，室内的空气相对湿度接近饱和，当接触到温度比大气更低的仪器外壳时，空气的相对湿度达到饱和状态，而凝结成水滴8）在使用测谎器时，被测试人由于说谎、紧张而手心出汗，可用____D____传感器来检测。
(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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RT R0 e
1 1 B T T 0
2.伏安特性
在静态情况下，热敏电阻上的电压与通过 的电流之间的关系称为伏安特性。
补偿区间
测温区间
3.热敏电阻的应用
温度测量
PTC
热敏电阻体温表
温度控制
CTR
简 易 温 度 控 制 器
温度补偿
NTC
导体
半导体
热电阻 铂 热 电 阻
B ——热敏电阻材料常数
RT B ln R 0 1 1 T T 0
一般取20℃和100℃时的电阻R20 和R100计算B 值，即将T=373K，T0=293K代入上式，则
R20 B 1365 l n R 100
电阻率的计算公式为：ρ=RS/L 单位Ω·m
一、金属热电阻传感器
1.热电阻的材料要求
电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小； 提高热电阻 热容C 的响应速度 热电阻的温度每变化1℃时，所需吸 收或释放的能量，单位为J/ ℃。
一、金属热电阻传感器
1.温度特性 负温度系数NTC型
电阻值与温度之间呈 严格的负指数关系。 某温度间隔内电阻值 随温度增加而增加。
正温度系数PTC型
临界温度系数CTR型 当 温 度 上 升 到 某 临 界 点时，其电阻值突然 下降。
下图所示的曲线分别为哪一种热敏电阻？ ② ① ③
④
⑤
NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电 阻-温度特性关系为：
材料
使用范围/℃ 电阻率
铂
-200~+850 0.0981~0.106Ωm×10-6
铜
-50~+150 0.017Ωm×10-6
0~100 ℃平均电 3.85×10-5℃-1 阻温度系数
化学稳定性
4.28×10-5 ℃-1
特性 应用
在氧化性介质中较稳定， 超过100℃易氧化 不能在还原性介质中使 用，尤其在高温下 近于线性、性能稳定、 线性较好、价格低 精确度高 廉、体积大 适于高温度测量，可作 适于测量低温、无 标准测温装置 水分、无腐蚀性介 质的温度
金属热电阻
半导体热敏电阻
一、金属热电阻传感器
1.金属热电阻的材料要求 电阻温度系数要大； 电阻温度系数α 提高热电阻 的灵敏度
热电阻的温度变化1℃时电阻值的变 化率。单位为℃-1。
一、金属热电阻传感器
1.热电阻的材料要求 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大； 电阻率ρ 减小电阻体尺寸
RT R0 e
1 1 B T T 0
R0 e
1 1 B 273 t 273 t 0
RT , R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值； t, T ——介质的变化温度； t0 ,T0——介质的起始温度； B ——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K。
汽车用水温传感器及水温表
铂电阻温度显示、变送器
某铜电阻传感器在R＝16.28Ω, α＝4.25×10-3℃-1 时显示温度为20℃，铜热 电阻的阻值R100 =？时，该热电阻传感器显 示100℃。 Rt＝ R0（1+αt)
R20＝ R0（1+20α) 16.28= R0 (1+20×4.25×10-3) R0=15（Ω） R100＝R0（1+100α) ＝15(1+100×4.25×10-3) ＝21.375（Ω）
2.热电阻的结构
热电阻＝电阻体＋绝缘套管＋接线盒
铂热电阻
铜热电阻
不锈钢套管 安装固定件 电阻体 接线盒
瓷绝缘套管 引出线口
骨架
电阻丝
保护膜 引出线端
铂
铜
（0.03~0.07）mm ±0.005mm
0.1±0.005mm 双绕法 无感绕法
3.热电阻传感器的测量电路
当
R1R4 R2 R3 时
铜 热 电 阻
热敏电阻
NTC
PTC
CTR
1.热电阻的材料要求 电阻温度系数要大，以提高热电阻的灵敏度； 电阻率尽可能大，以便减小电阻体尺寸； 热容量要小，提高热电阻的响应速度； 在测量范围内具有稳定的物理和化学性能； 电阻随温度的变化关系最好接近于线性； 具有良好的可加工性，且价格便宜。
材料 银 铜
电阻率/*10-8Ω·m 1.586 1.678
电阻温度系数/℃-1 0.0038 0.00393
金
镍
2.40
6.84
0.003240.0069来自铂10.60.00374
铂热电阻
铜热电阻
优点：①易于提纯； 优点：①材料易提 ②在氧化性介质中，高 纯；②价格比较便宜。 温下物理化学性质非常 稳定。 缺点：①价格较贵； ②在还原性介质中，特 别是在高温下易被沾污 变脆。
缺点：①电阻率低; ②机械强度差。
铂热电阻
铜热电阻
使用范围: -200℃ ～850℃
-200℃ ～0℃范围内
使用范围: -50℃ ～150℃
Rt R0 [1 At Bt C (t 100)t ]
2 3
Rt R（ t） 0 1
0℃ ～850℃范围内
Rt R0 [1 At Bt 2 ]
U0 0
3.热电阻传感器的测量电路
r
Rt
初始温度时
R1Rt R2 R3
被测温度变化时
R1Rt R2 R3
U0 0
Rt 测量 现场
初始温度时 三线制
R1 Rt Ra r1 R2 r2 R3
二、半导体热敏电阻传感器
利用半导体的电阻值随温度显著变化的 特性,由金属氧化物和化合物按不同的配方比 例烧结。 优点： ① 热敏电阻的温度系数大（为热电阻的 温度特性 4～9倍）；②电阻率大，体积小。③结构简单、 伏安特性 机械性能好。 缺点：线性度较差。
额定电阻值=2202/100=484
100W/220V
第二章
温度检测
热电偶传感器
电阻式温度传感器
主要内容
金属热电阻传感器
半导体热敏电阻传感器
目的
熟悉电阻式传感器的简单结构 熟悉热电阻的测温原理 掌握热电敏的测温特性
方法 要求
课堂讲解为主，多媒体资源辅助 认真听讲，课后复习
时间
2学时
电阻式温度传感器 利用导体或半导体的电阻率随温度变 化而变化的原理，实现将温度变化为元件 电阻的变化。