北航传感器原理6资料

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北京航空航天大学生物医学传感器课件-第6章

2019/4/21
北京航空航天大学电子信息工程学院
7.1.4 液接电势（electric potential ）与盐桥(salt bridge) 产生于含有两种电解质或相同的电解质而浓度不同的溶液界面上，是由于离子浓度不同影响其迁移率的不同，产生电荷分离而形成的电位差。在电动势测量中，液接电势的存在会引起测量结果的不稳定。影响液接电势的主要因素有 pH值、离子强度、温度等。为保持液接电势减少至几 mV以下并保持稳定，常用的方法是在两溶液之间连接上一盐桥。
2019/4/21
原理两支电极
两支电极与待测溶液组成工作电池指示电极与参比电极
指示电极Indicator
electrode
I f ( a )
待测物活度
电位与待测物含量有确定函数关系
2019/4/21
参比电极Reference electrode
R const.
电位与待测物含量无关/一定条件下是常数
液接电势
盐桥
将强电解质，如KCl、KNO3等溶液充装在U型玻璃管中制成（通常在溶液中加入琼脂制成凝胶），当盐桥中电解质浓度很高，它向两个溶液的扩散起主导作用，若盐桥中电解质阳、阴离子浓度很接近时，这种扩散引产生的液接电势很小，一般不超过几mV。
7.1.5 极化电极(polarized electrode)与去极化电极(impolarizable electrode) 当电极电势完全随外加电压改变而改变，或电极电势改变很大而电流改变很小时，此电极为极化电极。反之，为去极化电极。
其敏感膜由固溶体玻璃膜构成。最常见的为球形玻璃膜电极。
玻璃膜的组成不同可制成对不同阳离子响应的玻璃电极。球状玻璃膜：SiO2基质中加入Na2O、Li2O和CaO烧结而成的特殊玻璃膜。内参比电极常用Ag/AgCl电极。内参比溶液常用0.1mol/L的HCl溶液。玻璃膜由特殊成分的厚约0.03-0.1mm的球状薄膜，其化学组成对 pH电极性能影响很大。

2011_0524_北航_传感器技术及应用_樊尚春_012_to

仪器科学与光电工程学院
School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
5.5.1 谐振弦式压力传感器结构与原理特性方程激励方式
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5.5.1 谐振弦式压力传感器结构与原理
F
传力膜片
石英晶体 (敏感元件)
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5.5.4 石英谐振式集中力传感器结构与原理特性方程
f K f f02 F
Kf
与谐波次数，谐振器材料、
F
传力膜片
结构参数，外壳材料、结构
参数等有关的修正系数
——传感器装配 ——功耗高 ——结构复杂
铂电阻基座
——抗干扰能力差
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5.5.2 谐振筒压力传感器
原理结构示意图（压电激励）应用特点
——功耗低
——结构简单 ——抗干扰能力强 ——振型的选择 ——传感器装配 ——接触模式
课程内容
第1讲：绪论第2讲：传感器的输入输出特性第3讲：传感器敏感结构的力学特性第4讲：几种典型的模拟式传感器第5讲：谐振式传感器第6讲：发展中的传感器新技术第7讲：总结

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传感器的工作原理

传感器的工作原理传感器是一种能够感知、检测某种特定物理量并将其转化为可用信号的装置，它在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用。

传感器的工作原理是基于一系列物理原理和电子技术，通过感知外部环境的变化并将其转化成电信号的方式来实现。

本文将从传感器的基本原理、工作流程和应用领域等方面进行介绍。

首先，传感器的工作原理基于物理原理，主要包括光电效应、压阻效应、霍尔效应、电磁感应等。

其中，光电效应是利用光线照射物体时产生的电子-空穴对来实现光信号的转换；压阻效应是利用材料在受力时电阻值发生变化来实现压力信号的转换；霍尔效应则是利用磁场对导体产生的偏转来实现磁信号的转换；电磁感应则是利用导体在磁场中运动时产生感应电动势来实现电信号的转换。

这些物理原理为传感器的工作提供了基础。

其次，传感器的工作流程一般包括感知、转换和输出三个步骤。

感知是指传感器对外部环境的某种物理量进行检测和感知，例如温度、湿度、压力、光照、磁场等；转换是指传感器将感知到的物理量转化为电信号，这一过程涉及到物理原理的应用和信号处理技术；输出则是指传感器输出经过转换后的电信号，通常是模拟信号或数字信号，以供后续的控制、监测和分析使用。

这一工作流程是传感器实现功能的关键步骤。

最后，传感器的应用领域非常广泛，涵盖了工业自动化、环境监测、医疗诊断、交通运输、消费电子等诸多领域。

在工业自动化中，传感器被广泛应用于生产线的监测和控制，可以实现对温度、压力、流量等参数的实时监测和调节；在环境监测中，传感器可以用于大气污染监测、水质监测、土壤湿度监测等方面；在医疗诊断领域，传感器可以用于心率、血压、血氧等生理参数的监测和记录；在交通运输领域，传感器可以用于车辆的位置定位、车速监测、碰撞预警等方面；在消费电子领域，传感器可以用于智能手机的重力感应、光线感应、距离感应等功能。

可以说，传感器已经成为现代科技和工业生产不可或缺的一部分。

总之，传感器的工作原理是基于物理原理和电子技术的结合，通过感知、转换和输出的流程来实现对外部环境的监测和控制。

传感器原理与应用复习资料（推荐五篇）

传感器原理与应用复习资料（推荐五篇）第一篇：传感器原理与应用复习资料光栅传感器中莫尔条纹的一个重要特性是具有位移放大作用。

如果两个光栅距相等，即W=0.02mm，其夹角θ=0.1°，则莫尔条纹的宽度B=11.46㎜莫尔条纹的放大倍数K= 573.2。

光栅传感器结构为：光源→标尺光栅→指示光栅→光电元件在平行极板电容传感器的输入被测量与输出电容值之间的关系中，①（①变面积型，②变极距型，③变介电常数型）是线性的关系。

传感器是能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或装置，传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的信号调节转换电路组成。

电阻应变片式传感器按制造材料可分为①金属材料和②半导体体材料。

它们在受到外力作用时电阻发生变化，其中①的电阻变化主要是由电阻应变效应形成的光电传感器的工作原理是基于物质的光电效应，目前所利用的光电效应大致有三大类：第一类是利用在光线作用下材料中电子溢出表面的现象，即外光电效应，光电管以及光电倍增管传感器属于这一类；第二类是利用在光线作用下材料电阻率发生改变的现象，即内光电效应。

光敏电阻传感器属于这一类。

第三类是利用在光线作用下光势垒现象，即光生伏特效应，光敏二极管及光敏三极管_ 传感器属于这一类。

传感器由敏感元件、传感元件、测量转换电路三部分组成。

依据传感器的工作原理，传感器分敏感元件,转换元件,测量电路三个部分组成。

光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件，其中内光电效应可以分为光电导效应、光生伏特效应光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。

它由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。

编码器用来测量角位移。

在数控机床直线进给运动控制中，通过测量角位移间接测量出直线位移，表达式为 x＝t/360︒× θ。

绝对式编码器输出二进制编码，增量式编码器输出脉冲。

增量式编码器输出信号要进行辨向、零标志和倍频等处理。

2012_0515_北航_传感器技术及应用_017_to

1942年,“膜盒式空速表”—国际首创
林士谔(1913-1987)
利用膜盒的“压力—位移”特性实现测量
——典型的模拟式仪表【指针式】
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5.1 概述
典型案例
谐振式传感器的重要性
1970，电位器式高度、空速传感器在我国飞机上使用[～1％]
5.1 概述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
特点
k M k eq(M)
meq M (M) eq
数字式高性能
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5.1 概述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
谐振敏感元件
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5.2.1 谐振现象
谐振状态(实际)
A 1
P n
1 P 2 P
2 2 n
2
当 P 1 2 n 2
Amax 1 2 n 1 n
Q 2π ES Ec
Q
1 Am 2 n
Q
2 1
r
1
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5.2.2 谐振子的机械品质因数
ES Q 2π Ec
1 Q Am 2 n

传感器技术及应用-北航稿

感器网络（WSN）是由大量互联的传感器节点组成的网络，可用于监测和收集环境信息，并实现远程通信和控制。
传感器根据测量目标和原理的不同，可以分为压力传感器、温度传感器、光学传感器、化学传感器等多个类别。
传感器感知参数介绍
不同类型的传感器会感知不同的物理或化学参数，如温度、压力、湿度、光强等。了解这些感知参数对选择合适的传感器非常重要。
传感器的特性与指标
传感器的特性和指标包括灵敏度、分辨率、准确性、响应时间等。这些指标决定了传感器的性能和可靠性。
传感器技术及应用
本演示文稿将介绍传感器技术的各个方面，包括传感器技术简介、分类及原理、感知参数、特性与指标、误差和校准方法等。
传感器技术简介
传感器技术是一门研究使用传感器将物理量或化学量转换为可测量信号的科学。它在计量、检测、控制领域广泛应用，为现代社会提供了无处不在的感知能力。
传感器分类及原理
传感器的误差及校准方法
传感器在实际应用中会存在一定的误差，如线性误差、温度漂移等。校准是提高传感器测量精度的重要方法。
数字传感器与模拟传感器
传感器可以用于获取模拟信号或数字信号。数字传感器具有易于处理和传输的优势，而模拟传感器在某些应用场景中仍然具有重要作用。
基于MEMS的传感器技术
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）是一种小型化、集成化的传感器技术，可实现高性能、低功耗的微型传感器。

航空航天工程师的航天器传感器技术

航空航天工程师的航天器传感器技术航天器传感器技术是航空航天工程中至关重要的一部分。

它们提供了对航天器周围环境的实时监测和精确测量，为飞行控制、目标识别和导航定位等关键任务提供了必要的数据支持。

本文将探讨航空航天工程师在航天器传感器技术领域中的重要工作和应用。

一、传感器技术的基本原理传感器是将被测量的物理量转换成电信号的装置。

航天器传感器技术的基本原理是通过感知外界环境的物理参数并将其转化为航天器内部可以处理和分析的电信号。

常见的航天器传感器包括温度传感器、压力传感器、加速度传感器、陀螺仪等。

其中，温度传感器用于测量航天器各部件的温度变化，以确保航天器的运行在可控范围内。

压力传感器则用于测量航天器内外压差，为火箭等航天器的燃烧控制提供重要数据。

加速度传感器和陀螺仪则用于监测航天器的运动状态，为姿态控制和导航定位提供准确信息。

二、航天器传感器的应用1. 飞行控制航天器传感器在飞行控制中起着至关重要的作用。

通过对姿态、加速度、空气动力学力等参数的测量，飞行控制系统可以实时调整航天器的姿态，控制飞行轨迹和稳定性。

航天器传感器的精确测量能力可确保飞行过程中的高精度操作，有效提升航天器运行的安全性和稳定性。

2. 目标识别航天器传感器技术还可用于目标识别和探测。

通过搭载适当的传感器，航天器可以探测目标物体的电磁辐射、红外信号等特征，进而对目标进行识别和分析。

这在军事侦查、星际探测等领域具有重要意义，为航天任务的顺利执行和目标定位提供了关键支持。

3. 导航定位航天器传感器技术在导航定位中有着广泛应用。

利用传感器测量的各种物理参数，如位置、速度、方向等，航天器可以实时确定自身的位置和运动状态。

这对于计算航天器轨道、进行轨道修正以及保证目标准确进入预定轨道等任务至关重要。

三、航天器传感器技术的挑战与研究方向随着航空航天技术的发展，航天器传感器技术也面临着一些挑战和研究方向。

首先，由于航天器的特殊工作环境，传感器需要具备较高的可靠性和适应性，能够抵抗辐射、高温和低温等极端条件的影响。

传感器的原理

传感器的原理
传感器是一种能够感知外部环境并将感知到的信息转化为可用信号的设备。

它
在现代科技和工业生产中起着至关重要的作用，广泛应用于自动化控制、环境监测、医疗设备、智能手机等领域。

传感器的原理是基于一些基本的物理现象和工作原理，下面将介绍传感器的原理及其工作过程。

首先，传感器的原理基于物理现象，比如电磁感应、压阻效应、光电效应等。

这些物理现象能够使传感器感知到外部环境的变化，并将这些变化转化为电信号或其他形式的信号。

以光电传感器为例，它利用光电效应来感知光线的强弱，当光线强度发生变化时，光电传感器就能够将这种变化转化为电信号输出。

其次，传感器的原理还与传感器内部的传感元件和信号处理电路有关。

传感元
件是传感器的核心部件，它能够将外部环境的变化转化为电信号或其他形式的信号。

而信号处理电路则能够对传感元件输出的信号进行放大、滤波、数字化等处理，使得信号能够被准确地采集和处理。

此外，传感器的原理还与传感器的工作过程密切相关。

传感器的工作过程包括
感知、转换和输出三个基本步骤。

在感知阶段，传感器能够感知外部环境的变化，比如温度、湿度、压力、光线等。

在转换阶段，传感器能够将感知到的信息转化为电信号或其他形式的信号。

在输出阶段，传感器能够将转化后的信号输出到控制系统或显示设备中，以实现对外部环境的监测和控制。

总之，传感器的原理是基于物理现象、传感元件和信号处理电路的相互作用，
它能够将外部环境的变化转化为可用信号。

通过对传感器的原理及其工作过程的深入了解，我们能够更好地应用传感器技术，提高自动化控制系统的精度和可靠性，推动科技和工业的发展。

传感器技术及应用北航稿

100%
反行程平均校准曲线
ydiBiblioteka 1 mm j 1ydij
yui
1 m
m j 1
yuij
正行程平均校准曲线
yH max maxyi，H
yi，H yui ydi
2.3 传感器旳主要静态性能指标及其计算
2.3.11 非线性迟滞
yLH max max yi，LH
参考点
校准点
LH
•以输入量表达：在传感器旳全部工作范围内都能产生可观察旳输出量变化旳最小输入量变化称为输入辨别力。
Rx
xi,min max xmax xmin
100%
全部工作范围测得旳各最小输入量变化中
之最大者
• 以输出量来表达：在全部工作范围内，在输入量缓慢
而连续变化时所观察到旳输出量旳最大阶跃变化，称
为输出辨别力。
有关静态敏捷度旳讨论
y f ax，ay，az
外壳
振动筒谐振线圈
支承骨架
拾振线圈
铂电阻基座
2.3 传感器旳主要静态性能指标及其计算
有关静态敏捷度旳讨论
y f ax，ay，az
测量元件，激励单元流体流动方向主振动副振动
2.3 传感器旳主要静态性能指标及其计算
2.3.4 辨别力resolution与辨别率、阈值（Threshold）
• 先每次向一种装置加能够使其有显示值旳质量，读出其值分别是 20.2kg,40.2kg,60.2kg,80.2kg,100.3kg，然后每次将一种质量取下，统计其值分别是81.3kg,60.5kg,40.8kg,21.3kg,这个指标又怎样衡量
• 装置上什么也没有质量也没有加，统计其输出，逐渐在变化；在装置上加一种质量，长时间统计，输出一样在变化，这个指标是什么

传感器技术及应用_北航稿教学文案

零点漂移满量程漂移
y y0 FtS 2 t1 t2 y 0tt1 110% 0
yy FFS tS 2 t1 t2 y FtS 1 t1 10 % 0
2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算
2.3.7 传感器的测量误差
yyayt (绝对误差)
y ya yt (相对误差)
yFS
yFS
xxa xt
而连续变化时所观测到的输出量的最大阶跃变化，称
为输出分辨力。
Ry
ymax 10% 0 YmaxYmin
•数字装置的分辨力就是最后位数的一个字
•模拟装置的分辨力为指示标尺分度值的一半。
阈值（灵敏限、灵敏阈、失灵区、死区、
钝感区threshold ）
•定义：输入量由零变化到使输出量开始发生可观测变化的输入量值。
2.2 传感器的静态标定
一定等级的 ?
7个基本量：长度、质量、时间、温度、电流、发光强度、物质量
2个辅助量：平面角、球面角
2.2 传感器的静态标定
2.2.2 传感器的静态特性
xi yuij ； xi ydij
yi
1 m 2mj1
yuij ydij
xi，yi
标定曲线
第2部分：传感器的输入输出特性
2.3.8 线性度
最小二乘线线性度——参考直线
n
n
2
Jyi2 yiabix min
i1
i1
独立线性度(最佳线性度)——“最佳直线” 最佳直线—依此直线作为参考直线时，得到的最大偏差是最小的。
数学上的最佳一致逼近问题。Fm oarla ilyixabix m
2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算
2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算

北航信号与测试技术实验二传感器实验报告

了解电容式传感器原理及位移测量的原理；
二、实验仪器
电容传感器实验模块
示波器：DS5062CE
微机电源：WD990型，±12V
万用表：VC9804A型
电源连接电缆
螺旋测微仪
三、实验原理
差动式同轴变面积电容的两组电容片Cx1与Cx2作为双T电桥的两臂，当电容量发生变化时，桥路输出电压发生变化.
四、实验步骤
测量杆上的标记对齐，然后从电压表上读出相应的电压值。
8. 卸载完毕，将油杯针阀打开，记录反行程零点，一次循环测量结束。
9. 稍停1‐2 分钟，开始第二次循环，从步骤（5）开始操作，共进行3 次循环。
五、实验数据处理
1.各部分用方框图标注如实验设备中图一所示。
2.实验数据列表
压力/MP
输出电压/V
第一循环
，；
可得a=1.1851，b=6.3967，即y=1.1851+6.3967x,r2=0.9965,线性度高。
由上述拟合可知，压力与电压之间存在着很好的线性度。但是测量点第一个点误差相对比较大。
(2)非线性度：
压力/MP
平均输出 (V)
最小二乘直线输出
非线性偏差
0
1.020417
1.1851
-0.1646833
实验步骤如下：
（1）用电源电缆连接电源和电容传感器实验模块（插孔在后侧板），其中电缆的橙蓝线为+12V，白蓝线为-12V，隔离皮（金色）为地，切记勿接错！
（2）观察电容传感器结构：传感器由一个动极与两个定级组成，按图1接好实验线路，增益适当。
（3）打开微机电源，用测微仪带动传感器动极位移至两组定极中间，调整调零电位器，此时模块电路输出为零。

20190411北航传感器技术及应用009to

电阻元件
电刷
思考题壳：体画出传活感塞器阻的尼原器理框图
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4.2 电位器式传感器(小结)
4.2.1 概述
4位.2移.2 元线件绕式电位器的特性
4.2.3 非线性电位器
4负.2载.4 特电性位器的的意负义载特性及负载误差
——周边固支的波纹膜片
WC

1 Ap

pR4 Eh3
Ap
23q1q
312 q2
q
11.5
H2 h2
——波纹膜盒中心处的法向位移
WS,C
4WC

4 Ap

pR4 Eh3
——不考虑弹簧的作用
真空膜盒
——电位器电刷位移
WP
WS,C
lP lC

4pPlR4 AplCEh3
弹簧
电刷电位器引线壳体
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1.电位器式压力传感器
——考虑弹簧的作用弹簧
——作用于波纹膜片的压力看成等效的集中力
——单个波纹膜片的位移特性
WCA 1FF πeEqR3h 2 A 1FAπeE qp3hR 2
4.2.5 电位器的结构与材料 4.2.6 非线绕式电位器 4.2.7 典型的电位器式传感器
作业：P115，前6题任选2题，后面的任选3题
预习——第5章应变式传感器
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传感器原理与检测技术第六章

2．测量冲床压力
当测量大力时，可用两个传感器支承，或将几个传感器沿圆周均布支承，再将求力总和F(属平行力时)。
因有时力的分布不均匀，各传感器测得力的大小不同，故分别测力可以测得更准确。
第二节磁敏电阻
磁敏电阻是基于磁阻效应的磁敏元件。它的应用范围比较广，可以用它制成磁场探测仪、位移和角度检测器、安培计以及磁敏交流放大器等。
当
时，放大器的输入电压为
2．电荷放大器
它是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。其等效电路如下图，Cf为放大器的反馈电容。若忽略电阻Ra，Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf
式中A为开环放大倍数。故放大器的输出电压为：当A>>1，而(1+A)Cf>>Ci+Cc+Ca时，放大器输出电压可以表示为：电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量和反馈电容Cf有关，而电缆电容等的影响可忽略不计。
二、压电元件对压电材料的要求
三、常见的压电材料
CLICK TO ADD 晶体 3．铌酸锂晶体 4．压电陶瓷 5．压电半导体 6．高分子压电材料
1．石英晶体
石英晶体有天然和人工制造两种。人造石英晶体的物理、化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电特性。石英晶体有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应；但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。
1．具有较大的压电常数 2．压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 3．具有高的电阻率和较大的介电常数，以减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，获得良好的低频特性。 4．具有较高的居里点（指在压电性能失效时的温度转变点）。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。 5．压电材料的压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。

《飞机仪表》第二章传感器原理

衔铁向下移动时，位移量为正，输出电压为正。
螺线管式差动变压器
工作原理由一个初级线圈、两个次级线圈和插入线圈中
央的圆柱形铁芯等组成。
匝数为W2a的次级线圈
5
匝数为W1的初级线圈
4
匝数为W2b的次级线圈
6
△x
1 活动衔铁
2 导磁外1壳—活动衔铁； 2—导磁外壳；
3 骨架 3—骨架； 4—匝数W为1的初级绕 5—匝数W为2a的次级绕 6—匝数W为2b的次级绕
铂（Pt）：贵金属，物化性能稳定，耐氧化，很宽的温度范围；易于提纯，复现性好，可做成极细的铂丝或铂箔；电阻温度系数小，价格高，易被污染。铜（Cu）：稳定性好（-50~120℃），温度系数大，易于提纯，价格低；易氧化，不宜在侵蚀性介质和高温下工作镍（Ni）：机械性能强，化学性能稳定，电阻率比铜高，便宜，温度系数大；电阻-温度关系为非线性，复制性差
液体摆
通过对应电极电阻的变化指示出一个平面绕两个正交轴的倾斜。
2.4 电感式传感器
电感式传感器是利用线圈自感(L)或互感系数(M)的变化来实现非电量测量的一种装置。
非电量→自感/互感系数→电压/电流电感式传感器种类：自感式（电感式传感器）互感式（差动变压器式传感器）电涡流式 (涡流传感器)
热电阻
大多数金属，电阻与温度的关系： R t R 0[1+（ t-t0） ]
为导体的电阻温度系数，大多为正，温度升高，电阻值增大
选择金属电阻做测温元件的要求：电阻温度系数大且稳定；电阻率大，以减小尺寸；电阻-温度关系为线性；物理、化学性质稳定；材料易获得，便宜。
常用材料：铂、铜、镍