第4章 电阻式传感器
《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。
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器的工作原理
电阻应变式传感器是一种常用的传感器，它可以将物体的应变转化为电阻的变化，从而实现对物体应变的测量。
其工作原理主要是利用电阻在受力作用下产生的应变效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
首先，我们来了解一下电阻应变式传感器的基本结构。
它由电阻应变片、支撑件、固定件、连接线等部分组成。
其中，电阻应变片是传感器的核心部件，它通常由金属材料制成，具有一定的弹性。
当外力作用于物体表面时，电阻应变片会发生形变，从而导致其电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中进行检测和分析。
其次，我们来看一下电阻应变式传感器的工作原理。
当外力作用于物体表面时，物体会产生应变，即单位长度内的形变量。
电阻应变片固定在物体表面上，随着物体的应变而产生相应的形变，从而使得电阻值发生变化。
这种变化可以通过连接线传输到测量仪器中，并经过放大、滤波等处理后，最终得到物体的应变情况。
在实际应用中，电阻应变式传感器通常被安装在需要测量应变的物体表面上。
当物体受到外力作用时，电阻应变片会产生相应的应变，从而使得电阻值发生变化。
通过测量仪器对电阻值的变化进行监测和分析，就可以得到物体的应变情况。
这种测量方法简单、灵敏，可以广泛应用于工程、科研等领域。
总的来说，电阻应变式传感器的工作原理是利用电阻在受力作用下产生的应变
效应，通过测量电阻值的变化来确定物体的应变情况。
它具有结构简单、测量精度高、响应速度快等优点，因此在工程、科研等领域得到了广泛的应用。
希望通过本文的介绍，能够让大家对电阻应变式传感器有更深入的了解。
电阻式传感器原理
电阻式传感器原理
电阻式传感器是一种常见的测量和检测设备，其工作原理基于电阻的变化。
电阻式传感器通常由一个电阻器组成，其中电阻的值受到测量物理量的影响。
当测量的物理量发生变化时，电阻的值也会相应地改变。
这个变化可以通过测量电阻器两端的电压或电流来检测。
以温度传感器为例，常用的电阻式传感器是热敏电阻（RTD）和热电偶。
热敏电阻的电阻值随着温度的增加而线性变化，而热电偶则是通过两种不同金属的热电效应来测量温度。
除了温度传感器，电阻式传感器还可以用于测量压力、湿度、光线强度等不同的物理量。
不同的传感器拥有不同的结构和工作原理，但都是基于电阻值的变化来进行测量和检测。
为了保证测量的准确性，电阻式传感器通常需要一个电桥电路来进行校准。
这个电桥电路可以根据测量的物理量来调整传感器的灵敏度和范围。
总而言之，电阻式传感器通过测量电阻值的变化来检测和测量不同的物理量。
它们在各种工业和科学应用中广泛使用，并且可以采用不同的结构和工作原理来满足不同的需求。
第4章电阻应变式传感器习题
电阻应变式传感器习题
1、如果将100Ω 电阻应变片贴在弹性试件上，若试件 受力横截面积S=0.5×10-4m2,弹性模量 E=2×1011N/m2，若有F=5×104N的拉力引起应 变阻变化为1Ω 。试求该应变片的灵敏度系数？
R 1 R 100
E
F S
F 5 104 0.005 4 11 SE 0.5 10 2 10
(a)
(b)
由图（a)所示，当重力F作用梁端部后，梁上表面 R1和R3产生正应变电阻变化而下表面R2和R4则产生 负应变电阻变化，其应变绝对值相等 6 Fl 1 3 2 4 2 bt E
R1 R3 R2 R4 R K R1 R3 R2 R4 R R 6 Fl U0 U KU K 2 U R bt E 6 0.5 9.8 100 2 6 17.8m V 2 4 11 3 2 10
（3）
1 R1 R2 R3 R4 U0 ( )U 4 R1 R2 R3 R4 1 R1 R2 ( )U 2 R1 R2 1 (3.12 10 4 0.94 10 4 ) 6 2 1.22m V
（4）可以补偿环境温度变化的影响因素。因 为四个相同电阻应变在同样环境条件下，感受 温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电 路中不影响输出电压值，即
k R / R
1 / 100 2 0.005
2、采用四片相同的金属丝应变片（K=2），将其贴在 实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000kg。 圆柱断面半径r=1cm,=0.3。求： （1）画出应变片在圆柱上粘帖位置及相应测量桥路原 理图； （2）各应变片的应变=? 电阻相对变化量Δ R/R=？ （3）若供电桥压U=6V， 求桥路输出电压UO=？ （4）此种测量方式能否补偿 环境温度对测量的影响？ 说明原因。
电阻式传感器工作原理
电阻式传感器工作原理
电阻式传感器工作原理是根据物体对电流的阻碍程度来测量物体的某些特性。
它包括一个感应电阻器，当物体与该传感器接触时，会改变电阻器的电阻值。
电阻式传感器通常由导电材料制成，它们的电阻值会随着环境因素的变化而变化。
当电流通过电阻式传感器时，由于物体的特性，电流的流动会遭到一定程度的阻碍，导致电阻器的电阻值发生变化。
通过连接电阻器与测量电路，可以测量电阻器的电阻值，并进一步推算出物体的特性。
通常采用的方法是将电阻值转换成与某个特性相关的电信号，如电压或电流。
例如，温度传感器就是一种常见的电阻式传感器。
随着温度的变化，电阻值也会发生相应的变化。
通过测量电阻值的变化，可以推算出温度的变化情况。
另外，电阻式传感器还可以用于其他物体特性的测量，例如湿度、压力、光强等。
不同的传感器对应不同的物体特性，但它们的工作原理基本相同。
总结来说，电阻式传感器利用物体对电流的阻碍程度来测量物体的某些特性，通过测量电阻值的变化，可以获得需要测量的物体特性的相关信息。
传感器原理及应用-第4章-4.1变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理
变磁阻式传感器即自感式电感传感器：
利用线圈自感量的变化来实现测量的。
铁芯
传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部
线圈
分组成。
工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如
硅钢片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间 衔铁 有气隙，气隙厚度为δ，传感器的运动部分
与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生
3
差动变
2 截面式
4
§4.1 变磁阻式电感传感器
一、变磁阻式传感器工作原理 二、变磁阻式传感器基本类型 三、变截面式自感传感器输出特性 四、变间隙式自感传感器输出特性 五、差动式自感传感器 六、自感式传感器的等效电路 七、自感式传感器的测量电路
§4.1 变磁阻式电感传感器
六、自感式传感器的等效电路
L U L2
~
I
C
U
Z1
2
A
U 2
Z2
U 0
D
B
U o
Z2 Z1 Z1 Z2
U 2
Z Z
U 2
L U L2
当衔铁上下移动相同距 离时，电桥输出电压大小相 等而相位相反。
§4.1 变磁阻式电感传感器
七、自感式传感器的测量电路
2、变压器式交流电桥
§4.1 变磁阻式电感传感器
§4.1 变磁阻式电感传感器
五、差动式自感传感器
三种基本类型： 在实际使用中，常采用两个相同的传感线
圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器。
44
3
差动结构的特点：
（1）改善线性、提高灵敏度外；
（2）补偿温度变化、电源频率变化等的 影响，从而减少了外界影响造成的误差。
电阻传感器工作原理
电阻传感器工作原理电阻传感器是一种常见的传感器，广泛应用于工业自动化、电子设备、汽车等领域。
本文将详细介绍电阻传感器的工作原理以及其应用。
1. 工作原理电阻传感器的工作原理基于电阻的变化。
其内部包含一个可变电阻元件，通常是由导电材料制成的线性电阻。
当受到外部作用力或物理量变化时，电阻元件的电阻值会发生相应的变化。
2. 传感器类型电阻传感器可以根据其测量物理量的不同进行分类，常见的包括温度传感器、压力传感器和位移传感器等。
2.1 温度传感器温度传感器是电阻传感器的一种常见类型。
它利用了电阻与温度之间的关系，通过测量电阻值的变化来间接测量温度。
常用的温度传感器包括热敏电阻、热敏电阻芯片和热电阻等。
2.2 压力传感器压力传感器利用电阻材料的弹性性能与外界受力之间的关系，通过测量电阻值的变化来间接测量压力。
常见的压力传感器包括应变片式传感器和电容传感器等。
2.3 位移传感器位移传感器测量物体的位移或位置。
它可以利用电阻材料的伸缩性能来测量位移，也可以通过电阻值的变化来间接测量位移。
典型的位移传感器包括电阻式位移传感器和压电位移传感器等。
3. 应用领域电阻传感器在各个领域都具有广泛的应用。
3.1 工业自动化在工业自动化系统中，电阻传感器被广泛应用于测量、监控和控制过程中的物理量。
例如，温度传感器常用于测量工业生产过程中的温度变化，以确保生产过程的稳定性和安全性。
3.2 电子设备电阻传感器在电子设备中的应用非常普遍。
例如，手机中使用的触摸屏传感器就是一种基于电阻变化来实现触摸功能的电阻传感器。
此外，电阻传感器还广泛应用于电子秤、电压表、电流表等电子设备中。
3.3 汽车汽车行业也是电阻传感器的重要应用领域。
例如，汽车中的油位传感器利用电阻值的变化来测量燃油箱内的油位信息。
此外，温度传感器用于监测引擎温度，压力传感器用于测量轮胎压力等。
4. 优缺点分析电阻传感器具有一些显著的优点，同时也存在一些缺点。
4.1 优点（1）成本低廉：电阻传感器的制造成本相对较低，适用于大规模生产和应用。
《传感器与检测技术胡向东第》习题解答
答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
y代表水银柱高（mm）, x代表输入温度（℃）。求该温度计的时间常数及灵敏度。
解：一阶传感器的微分方程为
式中τ——传感器的时间常数；
——传感器的灵敏度。
∴对照玻璃水银温度计特性的微分方程和一阶传感器特性的通用微分方程，有该温度计的时间常数为2s，灵敏度为1。
→∞时，输出为100mv。试求该传感器的时间常数。
②霍尔电势
霍尔电势与霍尔电场E、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度v、磁场感应强度B、电流I有关。
③霍尔传感器的灵敏度 。
为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。又霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。
解： ，
∴ ，
∴τ
解： ，
，
解：当 时共振，则
所以：
ω)和相位差φ(ω)各为多少？
解：二阶传感器的频率响应特性：
幅频特性：
相频特性：
∴当f=600Hz时，
，
；
当f=400Hz时，
。
第3章电阻式传感器
答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。
电阻传感器工作原理
电阻传感器工作原理电阻传感器是一种常用于测量物理量的传感器，它利用电阻的变化来反映被测量物理量的变化。
本文将介绍电阻传感器的工作原理以及其在各个领域中的应用。
一、工作原理电阻传感器的工作原理基于电阻的变化与被测量物理量之间的关系。
一般而言，电阻传感器由电阻元件和测量电路组成。
电阻元件通常是一种材料，其电阻值会受温度、压力、湿度等物理量的变化而发生变化。
在电阻传感器中，常见的电阻元件包括电阻线圈、电阻片、薄膜电阻和热敏电阻等。
例如，通过改变电阻片的长度或宽度，可以改变电阻片的电阻值。
热敏电阻则利用温度对电阻值的敏感性来测量温度。
测量电路通常由电源、电压或电流源、电压或电流测量设备等组成。
电源为电阻元件提供工作电压，电流或电压源则为电阻元件施加一定的输入信号，测量设备则用于测量电阻元件的电阻值。
二、应用领域电阻传感器具有广泛的应用领域，下面将介绍其中的几个重要应用。
1. 温度测量热敏电阻是一种常用于温度测量的电阻传感器。
通过测量热敏电阻的电阻值，可以获得被测对象的温度。
在温度控制、热管理和工业自动化等领域中，热敏电阻被广泛应用。
2. 压力测量电阻传感器可以通过改变电阻元件的形状或结构来实现压力的测量。
例如，通过敏感薄膜电阻，可以将外界施加的压力转换为电阻的变化，从而实现对压力的测量。
3. 湿度测量湿度传感器利用湿度对电阻值的影响实现湿度的测量。
通过与测量电路相连的湿度传感器，可以获得环境的湿度信息。
湿度传感器广泛应用于气象、农业、航空、建筑等领域。
4. 位移测量电阻传感器可以根据位移对电阻值的影响来实现位移的测量。
通过将电阻元件安装在被测对象上，位移传感器可以实时监测物体的位移变化，广泛应用于机械工程和制造业中。
5. 流量测量某些类型的电阻传感器可以通过流体的流过造成的电阻变化来测量流体的流量。
这种电阻传感器主要应用于流量计和液位传感器等领域。
总结：电阻传感器利用电阻值的变化来测量被测量物理量的变化，具有广泛的应用领域。
《机械工程测试技术基础(第4版)》基本课件第4章
目录
4.1 常用传感器分类 4.2 机械式传感器及仪器 4.3 电阻式、电容式与电感式传感器 4.4 磁电式、压电式与热电式传感器 4.5 光电传感器
目录
4.6 光纤传感器 4.7 半导体传感器 4.8 红外测试系统 4.9 激光测试传感器 4.10 传感器的选用原则
物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例 如,水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质;压力测力计利用的是石英晶体的压电 效应等。
结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如,电容 式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电感式传感器依靠衔铁位移引起 自感或互感的变化。
弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大 小、环境温度等因素有关。而弹性后效则与材料应力-松弛和内阻尼等因素 有关。这些现象最终都会影响到输出与输入的线性关系。因此,应用弹性元 件时,应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施来改善上述 诸现象产生的影响。
4.2 机械式传感器及仪器
近年来,在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关亦被 看作机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化,转换为 接通、断开信号。图4-4表示这种开关中的一种。它由两个簧片组成,在 常态下处于断开状态。当它与磁性块接近时,簧片被磁化而接合,成为接通 状态。只有当钢制工件通过簧片和电磁铁之间时,簧片才会被磁化而接合, 从而表达了有一件工件通过。这类开关,可用于探测物体有无、位置、尺 寸、运动状态等。
工程测量中通常把直接作用于被测量,并能按一定方式将其转换成同种或别种 量值输出的器件,称为传感器。
传感器是测试系统的一部分,其作用类似于人类的感觉器官。它把被测量,如力、 位移、温度等物理量转换为易测信号或易传输信号,传送给测试系统的调理环节。 因而也可以把传感器理解为能将被测量转换为与之对应的,易检测、易传输或易处 理信号的装置。直接受被测量作用的元件称为传感பைடு நூலகம்的敏感元件。
第4章+应变式传感器(改)
1.自补偿法 1)选择自补偿——敏感栅材料与试件材料 2)组合式自补偿
第4章 应变式传感器
(5)电阻应变片的温度补偿方法
1)选择自补偿——利用自身具有温度自补偿作用应变
片
R0
t
R0 K0
0
K0
(g
s )t
当被测试件的线膨胀系数βg已知时, 如果合理选择敏感栅材 料, 即选择其电阻温度系数α0、灵敏系数K0和线膨胀系数βs, 使式α0/K0+(βg-βs)=0成立, 则不论温度如何变化, 均有 ΔRt/ R0=0, 从而达到温度自补偿的目的。
注：应变片的灵敏系数并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数， 这是因为栅端圆弧部分存在横向效应。
第4章 应变式传感器
(4)横向效应
4-3
横向效应——栅状结构敏感栅的电阻变化一定小于纯直线敏感栅
的电阻变化的现象。 产生原因： ①应变片的纵向应与测量的形变方向一致； ②圆弧部分产生了一个负的电阻变化降低了应变片的灵敏度系数
电阻丝的电阻R为
图4-1 金属丝应变效应
求R的
R L 全微分 R L S
S
R LS
L S 2r 2 L 2
L
Sr
L
R (1 2)
R
对于金属和半导体材料，上两项的不同 ？
第4章 应变式传感器
4.1 应变式传感器的工作原理
电阻变化
电阻丝几何尺寸变化引起的 电阻丝电阻率变化引起的
2)电桥的和差特性 全桥接法：4桥臂均为工作应变片
相邻桥臂:应变极性相同时,电桥输出电压与两应变差有关；应变极性 相反时,电桥输出电压与两应变和有关。
相对桥臂:输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。
《传感器与检测技术胡向东-第版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力为0MPa时输出为0mV，压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV。
解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
传感器原理及应用课后习题答案(吴建平)
传感器原理及应用课后习题答案吴建平第1章概述1.1 什么是传感器？按照国标定义，“传感器”应该如何说明含义？1.2 传感器由哪几部分组成？试述它们的作用及相互关系。
1.3 简述传感器主要发展趋势，并说明现代检测系统的特征。
1.4 传感器如何分类？按传感器检测的范畴可分为哪几种？1.5 传感器的图形符号如何表示？它们各部分代表什么含义？应注意哪些问题？1.6 用图形符号表示一电阻式温度传感器。
1.7 请例举出两个你用到或看到的传感器，并说明其作用。
如果没有传感器，应该出现哪种状况。
1.8 空调和电冰箱中采用了哪些传感器？它们分别起到什么作用？答案：1.1答：从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称为传感器。
我们对传感器定义是：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
从狭义角度对传感器定义是：能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。
我国国家标准（GB7665—87）对传感器（Sensor/transducer）的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置”。
定义表明传感器有这样三层含义：它是由敏感元件和转换元件构成的一种检测装置；能按一定规律将被测量转换成电信号输出；传感器的输出与输入之间存在确定的关系。
按使用的场合不同传感器又称为变换器、换能器、探测器。
1.2答：组成——由敏感元件、转换元件、基本电路组成；关系，作用——传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制之首。
传感器是感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息都要通过传感器获取并通过它转换成容易传输与处理的电信号，其作用与地位特别重要。
1.3答：（略）答：按照我国制定的传感器分类体系表，传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器三大类，含12个小类。
按传感器的检测对象可分为：力学量、热学量、流体量、光学量、电量、磁学量、声学量、化学量、生物量、机器人等等。
传感器-第4章(电阻式)
第2章
电阻式传感器 3
3、半导体和金属的电阻率与温度关系的区别？ 金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的， 实际参与导电的是自由电子。晶格是一直振动的， 和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于 晶格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温 度越高，晶格震动越强烈，所以它的阻碍效应就 越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。 对于半导体，它的电子基本都被束缚在原子核上。 所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电 子获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从而成 为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参 与导电的粒子就越多，电阻就越小。
第2章
电阻式传感器 1
压阻式传感器应变片工作原理：压阻式传感器是 利用半导体的压阻效应制成的。半导体材料受到 应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称 为压阻效应。其灵敏系数为
R R K πL E ε
压阻式传感器的优点是：灵敏度高，测量元件尺 寸小，频率响应高，横向效应小。但它的温度稳 定性差，在较大的应变下，灵敏度的非线性误差 大。所以用压阻式传感器进行测量的时候，必须 要采取温度补偿，以消除温度对测量结果的影响。
电阻式传感器 4
4、请分析右图中的台式称重传感器的应变片该怎
么粘贴？并分析其变形情况。
第2章
电阻式传感器 5
5、请分析右图中的应变式荷重传感器的应变片该
怎么粘贴？并分析其变形情况。
F
R1 R 2
R4
第2章
电阻式传感器 5
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
荷重传感器原理演示
(4)焊接：将引线和端子用 烙铁焊接起来，注意不要把 端子扯断。
第2章
电阻式传感器 1
第四章 常用传感器原理及应用
Ca
Cc
R0
★ 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压 电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无 法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电 式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。
★ 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往 是两片或多片进行串联或并联。
+
并联：适于测缓变信号和以电荷为 输出量的场合
3、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。
两圆筒间的电容为：空气的介
21 L C ln(R r )
外电极 内半径
电常数
电极 长度
内电极 内半径
如果电极的一部分被非导电性液 体所浸没时，则会有电容量的增 量∆C产生：
2 ( 2 1 )l C ln(R r )
线圈
铁芯
衔铁
由于 δ 很小，可认为气隙磁场是均匀的 ，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：
线圈 铁芯
衔铁
l 2 Rm A 0 A0
由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略
2 Rm 0 A0
N 0 A0 L 2
传感器灵敏度： K
2
dL
N 2 0 A0 2
2
d
N 2 0 A0 2 2
这种传感器适用于较小位移 的测量，测量范围约在 0.001~1mm左右。
2、变面积式 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相 对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致 线圈的电感量发生变化。 特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏 度为一常数，因而线性度较好，量程范围可 取大些，自由行程可按需要安排，制造装配 也较方便，因而应用较为广泛。 3、螺管式 原理：衔铁随被测对象移动，线圈 磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈 电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大 ，线性也较好，同时自由行程可任意 安排，制造装配方便，应用较广泛。
电阻式温度传感器原理
电阻式温度传感器原理
电阻式温度传感器是一种常用的温度测量装置，它基于电阻体的温度特性来实现温度测量。
电阻式温度传感器的工作原理是利用电阻体的电阻随温度的变化而变化的特性。
一般情况下，电阻体的电阻随着温度的升高而增大，反之则减小。
这种变化可以用线性关系或非线性关系来描述。
其中，最常用的线性关系是以铂金材料为基础的
PT100和PT1000电阻式温度传感器，非线性关系则由热敏电
阻（如NTC和PTC）来描述。
在电阻式温度传感器中，电阻体通常被安装在一个绝缘外壳内，并与被测温度直接接触。
当传感器暴露在被测介质中时，介质的温度将通过热传导效应传递给电阻体。
随着温度的变化，电阻体的电阻值也随之变化。
此时，我们可以通过测量电阻体的电阻值来确定被测介质的温度。
为了测量电阻体的电阻值，通常需要将电阻体与电路连接起来，形成一个电阻测量电路。
该电路中一般会有一个电流源，通过电阻体产生电流，以及一个电压检测装置，用于测量电阻体的电压降。
根据欧姆定律，通过测量电阻体两端的电压降和电流大小，我们可以计算出电阻体的电阻值。
为了提高测量精度和稳定性，电阻式温度传感器通常会进行定标和校准。
定标是指在已知温度下测量电阻体的电阻值，用于建立电阻-温度的对应关系。
而校准则是通过与标准温度计进
行对比，对测量到的温度进行修正，以提高测量的准确性。
总之，电阻式温度传感器的原理是利用电阻体电阻随温度变化的特性来实现温度测量，通过测量电阻体的电阻值，可以确定被测介质的温度。
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x y
式中，—为金属材料的泊松系数，=0～0.5。负号表示二者变化方向 相反。
近一步的分析得出
R (1 2 E ) x R
（4-3）
式中，E—为压阻效应项，随电阻率而变化。 进一步得出 （4-4）
R K x R
式中，K—为电阻丝应变片的灵敏系数。
2．应变片温度误差补偿方法
温度误差补偿就是消除温度对测量应变的干扰，常采用电桥补偿法、温 度自补偿法及热敏电阻补偿法。下面介绍电桥补偿法和温度自补偿法。
1）电桥补偿法
电桥补偿法是最常用、最有效的电阻应变片温度误差补偿方法，也称为 补偿片法，其原理如图4-7所示。
2）温度自补偿法
温度自补偿法也称为应变片自补偿法，黏贴在被测对象上的是一种特 殊的应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特 殊的应变片称为温度自补偿应变片。
4.1.4电阻应变片的温度误差及其补偿方法 1．应变片的温度误差及其产生原因
讨论应变片特性，通常是以室温恒定为前提条件的。实际在应用时， 环境（工作）温度经常会发生变化，使应变片工作条件改变，影响其输 出特性。这种单纯由温度变化引起的应变片电阻值变化的现象，称为温 度效应。
应变片因环境温度变化而引起的附加电阻变化或附加输出应变由两 部分组成。一部分为敏感栅电阻变化所造成的；另一部分为敏感栅与试 件热膨胀不匹配所引起的。—般情况下，应变片由温度变化所引起的电 阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级。在工作温度 变化较大时，这种误差必须加以补偿。
3．电阻应变片的工作原理
取一段金属导体（丝）如图4-2所示， 其电阻为
R L L A r 2
拉而伸长时，则、L、r 的变化d、dL、dr 将会引起电阻dR的变化。 对全微分，得出
dR dL d dr 2 R L r
根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝轴向应变与径向应变 存在如下关系
R4 R1 R3 R1 R3 ( R1 R1 ) U O E[ ] E R1 R2 R4 ( R1 R1 ) R2 R3 R4 (1 )(1 ) R1 R1 R3
可将上式简化为
R1 n UO E (1 n) 2 R1
定义电桥的电压灵敏度为
UO n KU E R1 (1 n) 2 R1
R L A
当其受外力作用时，电阻率、L、 A都会发生变化，从而引起R的变 化。那么通过测量阻值的变化情况， 就可反映出外界作用力的大小。
2．电阻应变片的结构
电阻应变片的种类繁多，形式多样，但其基本结构大体相同。现 以电阻丝式应变片的结构为例说明，如图4-1所示，图中电阻丝绕 成S形状的敏感栅，敏感栅为应变片的敏感元件，由直径一般为 0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成，作用是感受应变的变化或 大小。敏感栅黏贴在基片（基底）上，基片具有固定敏感栅和绝缘 作用，很薄，一般为0.03～0.06mm。敏感栅上面有覆盖层，而且 敏感栅电阻丝两端接有引出线用以和外接导线相连。
4.1.2电阻应变片的种类
根据制作材料的不同，电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体应变 片两大类，金属电阻应变片就是利用金属电阻的应变效应原理制成的，而半 导体应变片则是利用半导体材料的压阻效应原理制成。 其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低 廉、易于粘贴而被广泛使用。
因此，减小或消除非线性误差的方法是
1）提高桥臂比
由式（4-13）可知，提高桥臂比，非线性误差将减小。但根据式 （4-11）可知，电桥的电压灵敏度将降低，为了保持灵敏度不降低， 必须相应地提高供电电压。
2）采用差动电桥
采用差动电桥可以减小或消除非线性误差，差动电桥分半桥差动 和全桥差动两种情形。
（1）半桥差动
可见，UO与R1呈线性关系， 即半桥差动电路无非线性误差，且电桥电 压灵敏度比单臂工作时提高了一倍， KU=E/2。
（2）全桥差动。
若将电桥四臂都接入应变片，若R1=R2=R3=R4，且 R1=R2=R3=R4，则
U O E[ R3 R3 R1 R1 ] ( R1 R1 ) ( R2 R2 ) ( R3 R3 ) ( R4 R4 )
2．应变式加速度传感器
应变式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10～60 Hz范围。
图4-12是依据a=F/m的原理测量物体加速度的应变式加速度传感器。将 传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a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，悬臂梁上的应变 片感受到变形并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变 化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值 的大小。
电阻应变式传感器可以用来检测位移、压力、力矩、应变、荷重、 温度、湿度、光强、辐射热、加速度、气流流速、液体流量、压强等参 数。
1．称重式料位计
称重式料位计由装在料槽的测 力传感器、支承架、运算处理器 以及料位指示报警仪组成。其工 作原理如图4-11所示，它实际上 是通过检测料位槽原料质量间接 指示其料位的，并可发出料位的 上下限报警。
4.1.5 电阻应变式传感器及其常用型号
1．柱式、筒式力传感器
柱式、筒式力传感器常常用于荷重、压力等的测量。 图4-9（a）、（b）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矩 影响。R1和R3串接，R2和R4 串接，并臵于桥路对臂上， 以减小弯矩影响，横向贴片 R5和R7串接，R6和R8串接， 作温度补偿用，接于另两个 桥臂上。贴片在圆柱上的展 开位臵及其在桥路中的连接 如图4-9（c）、（d）所示。
如图4-6（a）所示，只有两个相对桥臂接入电阻应变片。 该电桥的输出电压为
R3 ( R1 R1 ) U 0 E[ ] ( R1 R1 ) ( R2 R2 ) R3 R4
如果R1=R2，R1=R2=R3=R4，则得到
E R1 E UO K 2 R1 2
4.1.3 电阻应变片的测量电路
应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量 器件，用于测量微小的机械变化量。机械应变一般都较小，在10-3～ l0-6范围内，而常规的电阻应变片的灵敏度系数值很小（K≈ 2），所 以其电阻变化范围小，约10-1～l0-4数量级，要把微小应变引起的微小 电阻变化精确地测量出来，需要采用特别设计的测量电路。通常采用 直流电桥或交流电桥，下面以直流电桥为例分析其工作原理及特性。
2． 悬臂梁式传感器
悬臂梁式传感器采用弹性梁及电阻应变片作敏感转换元件，组成 全桥电路。它是一种高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感 器。 当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时，电阻应变片随弹性梁一 起变形，这使得电阻应变片的阻值变化，因而应变电桥输出与拉力 （或压力）成正比的电压信号。配上相应的应变仪，数字电压表或 其他二次仪表，就能够显示或记录重量（或力）。
1．直流电桥的平衡条件
当负载电阻RL∞ 时（即相当于开路），电桥的输出电压为
U O E(
R3 R1 ) R1 R2 R3 R4
电桥平衡时U0=0，即电桥无输出电压， 根据式（4-7）则有
R1 R3 R2 R4
这就是电桥平衡的条件，即相邻两臂电阻的比值相等。
2．电压灵敏度
为了测量应变片的电阻微小变化，通常需加入放大器，放大器的输入阻 抗比电桥输出阻抗大得多，因此可将电桥仍视为开路状态。 当电桥采用单臂（工作应变片为R1）工作时，在产生应变时，若应变片 电阻变化为R1，其他桥臂电阻固定不变，则电桥不平衡，其输出电压为
UO
R1 R1 UO E R 实际情况下电桥输出电压为 (1 n 1 )(1 n) R1 n
E 1 4 R1
则非线性误差为
R1 2 R1 R 1 1 如果是四等臂电桥，即n=1，则非线性误差为 2 R1
R1 U UO R1 O R1 UO 1 n R1
悬臂梁式传感器有 多种形式。等截面梁 就是悬臂梁的横截面 处处相等的梁，如图 4-10（a）所示。
3．电阻应变式传感器的常用型号
国内外生产的电阻应变式传感器种类繁多，涉及到各种应变片、力传感 器、荷重传感器以及加速度传感器等。表4-1列出了部分电阻应变式传感 器的型号及用途。
4.1.6 电阻应变式传感器的应用
第4章 电阻式传感器
4.1 电阻应变式传感器
4.2 扩散型压阻式传感器 4.3 热电阻传感器 4.4 热敏电阻
4.1
电阻应变式传感器
4.1.1 电阻应变片的结构与工作原理
1．电阻应变效应
导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）的作用时，会产 生机械变形，同时机械变形会导致其阻值变化，这种因变形而使其电 阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。 导体或半导体材料的电阻
E R1 E U0 K 4 R1 4
由此可知， 当电源的电压E和电阻相对变化量R1/R1不变时，电桥的输出电压 及其灵敏度也不变，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
3．非线性误差及其补偿
在以上研究电桥工作状态时，都假定应变片参数变化很小，因此在分析 电桥输出电流或电压与各参数关系时，都忽略了分母中的R，最后得到的输 出特性UO=f（）都是线性关系。但是一般情况下，若应变片承受的应变较 大时，分母中的R就不能忽略，此时得到的输出特性是非线性的。实际的非 线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为绝对非线性误差。下面计 算非线性误差大小，设理想情况下电桥输出电压为 R
3．应变式容器内液体重量传感器
测量时柱式容器内感压膜感受上面液体的压力。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 Uo=U1＋U2=（K1＋K2）hρg =（K1＋K2）Q/A （4-21）