第二章 附热电阻式传感器
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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。
第2章电阻式传感器01
2. 工作温度范围宽：常温器件适用于55℃～315℃，但大部分器件工作于25℃～125℃。
3. 体积小，使用方便：能够测量其他温度计 无法测量的空间。
4. 易加工成复杂的形状，可大批量生产，易 于集成。
热敏电阻传感器 —应用
1. NTC可以应用于仪表、家用电气设备， 以及中低温干燥箱、恒温箱等场合的温 度测量与控制。
这种传感器主要有两种形式： Pt100和Pt10。 Pt100和Pt10的电阻值在 0℃时分别为100Ω和10Ω， 它们的测温范围均为 -200℃～850℃。
Pt10是用较粗的金属铂丝制成的，耐温性能优于 Pt100 ，主要用于 650℃以上的测温。由于金属铂是 贵金属， Pt10的成本较 Pt100 高，所以在测量低于 650℃以下的温度时，以 Pt100为主，另外 Pt100的 分辨率比 Pt10的分辨率大 10倍。
热电阻式传感器 ?铂热电阻 ?铜热电阻 ?常用连接方式
热敏电阻传感器 ?热敏电阻的分类及特性 ?热敏电阻的应用
应变式传感器 ?应变式传感器工作原理 ?电阻应变片的结构 ?应变片的误差及补偿
铂热电阻传感器
以金属铂作感温元件，再与内引线和保护管一起， 就组成了铂热电阻温度传感器。它通常还与外部测 量电路、控制装置及机械装置连接在一起构成温度 传感器。
1：价格也低。 2：体积大，响应慢，稳定性差，在测量精 度要求不是很高，测量的温度较低时经常用。
铜热电阻在-50℃～150℃的使用范围内， 其电阻值与温度的关系可表示为：
R?t ?? R0 ??1? At ? Bt2 ? Ct3 ??
热电阻式传感器
——常用连接方式（两线制）
热电阻式传感器
——常用连接方式（三线制）
第二章 电阻式传感器
第2章电阻式传感器(2009)
理论特性曲线
理想特性曲线
0
x
3. 非线性线绕电位器结构
Rx
1. 用曲线骨架绕制的非线性变阻器 2. 三角函数变阻器 3. 用分段法制成的非线性变阻器 线绕电位器 优点：精度高、性能稳定、易于实现线性变化等； 缺点：分辨率低、耐磨性差、寿命较短。
x
二、非线绕式电位器 1. 膜式电位器
碳膜电位器 优点：分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好； 缺点：接触电阻大、噪声大。 金属膜电位器 优点：温度系数小；缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高。
电阻器 绕线式
制作 直径0.012~ 0.1mm的镍铬 合金的精密电阻丝绕在绝 缘胶木板等卷芯上而制作 电阻胶印在陶瓷基板上， 并用高温烧制而成 将基板的树脂与电阻墨制 成一体，或将电阻胶涂于 薄膜基片上 导电性树脂涂于线绕式电 阻元件上
特点 电阻温度系数非常好， 为±5~20×10-6/℃，精 度、稳定性、重复性比 薄膜式好，分辨力低于 薄膜式 分辨力高，环境适应性 强，电阻温度系数为 ±200×10-6/℃ 分辨力、寿命、高速响 应特性好。电阻温度系 数为±400×10-6/℃ 兼有绕线式和导电塑料 式的优点，电阻温度系 数为±150×10-6/℃
KLr XR r Y 2 2 2 KL r r 1 r / KL r / KL 1 X R / KL X R / KL
式中 r——电阻的相对变化； KL——电位器负载系数的倒数； XR——电刷的相对行程； Y——电位计相对输出电压。
负载效应 Y 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 KL =∞ 0.5
dR d e x 2e y R
dR d (1 2m )e x R
令金属丝的轴向应变为dL/L=ex;径向应变为dr/r=ey 在弹性范围内，金属丝受拉力或压力时，沿 轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向 应变的关系为：
理想特性曲线
0
x
3. 非线性线绕电位器结构
Rx
1. 用曲线骨架绕制的非线性变阻器 2. 三角函数变阻器 3. 用分段法制成的非线性变阻器 线绕电位器 优点：精度高、性能稳定、易于实现线性变化等； 缺点：分辨率低、耐磨性差、寿命较短。
x
二、非线绕式电位器 1. 膜式电位器
碳膜电位器 优点：分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好； 缺点：接触电阻大、噪声大。 金属膜电位器 优点：温度系数小；缺点：耐磨性差、功率小、阻值不高。
电阻器 绕线式
制作 直径0.012~ 0.1mm的镍铬 合金的精密电阻丝绕在绝 缘胶木板等卷芯上而制作 电阻胶印在陶瓷基板上， 并用高温烧制而成 将基板的树脂与电阻墨制 成一体，或将电阻胶涂于 薄膜基片上 导电性树脂涂于线绕式电 阻元件上
特点 电阻温度系数非常好， 为±5~20×10-6/℃，精 度、稳定性、重复性比 薄膜式好，分辨力低于 薄膜式 分辨力高，环境适应性 强，电阻温度系数为 ±200×10-6/℃ 分辨力、寿命、高速响 应特性好。电阻温度系 数为±400×10-6/℃ 兼有绕线式和导电塑料 式的优点，电阻温度系 数为±150×10-6/℃
KLr XR r Y 2 2 2 KL r r 1 r / KL r / KL 1 X R / KL X R / KL
式中 r——电阻的相对变化； KL——电位器负载系数的倒数； XR——电刷的相对行程； Y——电位计相对输出电压。
负载效应 Y 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 KL =∞ 0.5
dR d e x 2e y R
dR d (1 2m )e x R
令金属丝的轴向应变为dL/L=ex;径向应变为dr/r=ey 在弹性范围内，金属丝受拉力或压力时，沿 轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向 应变的关系为：
第2章 电阻应变式传感器
2
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 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? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
F
3.2.2 位移传感器
R4 R3 U0 R1 E R2 R1 R2 F
图2.11 应变片式线位移传感器
U
3.2.4 压力传感器
0
= k U ε = kU
3l 4 Eb h
2
F
3.2.3 加速度传感器
作业: 作业:
1. 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 什么叫电阻式传感器?什么是电阻应变效应? 2. 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? 3. 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 作出桥式测量电路图,并推导直流电桥平衡条件, 以及不对称电桥的输出电压变化. 以及不对称电桥的输出电压变化.
3.2 应用
3.2.1 应变式测力与荷重传感器
kU F U 0 = 2 (1 + ) AE
图2.8 受力圆柱上应变片的粘贴
图2.9 受力薄臂环上应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
1 .092 R bδ E
2
F
图2.10 受力等强度梁应变片的粘贴
U
0
= k U ε = kU
6l E b0 h
1
Z3 = Z 2Z 4
z1 z3 = z 2 z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
或
(R1 + jX1)(R3 + jX3 ) = (R2 + jX2 )(R4 + jX4 )
2.2 电桥的调平衡
在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节. 在应变片工作之前必须进行电桥的平衡调节.对于直流 电桥可采用串联或并联电位器法, 电桥可采用串联或并联电位器法,对于交流电桥一般采用阻 容调平衡法. 容调平衡法.
传感器 第二章 电阻式传感器
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结论： 1、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应 变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。 2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的 标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测 量误差。 3、为了减少横向效应产生的测量误差，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。
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机械滞后产生的原因： 敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余 变形所造成的。 减小措施： 选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的 加卸载循环后再正式测量。
第二章 电阻式传感器 4、零漂和蠕变 零漂：
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粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其 电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
第二章 电阻式传感器 ★粘结剂和粘贴技术 1、粘合剂 合理选择粘合剂：
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粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温度、 湿度、化学腐蚀等。
对粘合剂要求：
（1）有一定的粘结强度； （2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量； （3）蠕变、机械滞后小； （4）有足够的稳定性能； （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。
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制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘 基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，
最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。
特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，
适于较宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，
达0.01%；无胶结，避免了分选和粘贴。
公式：
第二章 电阻式传感器
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。
第二章 电阻式传感器
4 1
3
4
5
2
3
图1薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层
3–金属箔基底 4--引线
2
1
图2扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线
型号的编排规则
电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅 长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接 线方式。如B F 350 -- 3 AA 80 （23） N6 – X的含义是：
而引起的（称“压阻效应”）。 εx
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；对半 导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验 表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。其它金属或合金，KS在1.8～4.8
范围内。
dR R
KS
x
(2) 半导体应变片的工作原理
的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其 结构如图所示。
2）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有
绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图1。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型
导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型 半导体应变片。图2为扩散型半导体应变片示意图。这是一种 应用很广的半导体应变片。
半导体应变片是利用半导体
材料的压阻效应而制成的一种纯
1
电阻性元件。
2 3
对一块半导体材料的某一轴 12 3
向施加一定的载荷而产生应力时，
它的电阻率会发生变化，这种物 理现象称为半导体的压阻效应。
第02章电阻式传感器
5.
光电电位器 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作 基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电 极（鉻合金或银）。 图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。 特点：光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会 对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿 命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于 它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着 不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重 要场合仍得到应用。
§2-1 电位器式传感器
电位器是一个机电传感元件，它 作为传感器可以将机械位移或其它能 转换为位移的非电量转换为与其有一 定函数关系的电阻值的变化，从而引 起输出电压的变化。
一、电位器式传感器的种类
1. 线绕电位器 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活 动触点）调节阻值大小。 特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输 出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受 到影响，分辨力也较低。 2. 合成膜电位器 由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面 上形成电阻膜。 特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性 度在1%左右（经修刻后，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声 较大。 3. 金属膜电位器 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制 成。 特点：电阻系数小，分Ω~2KΩ）。
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
第二章 电阻传感器 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
第二章 电阻式传感器
哈尔滨工业大学
5. 导电玻璃釉电位器 以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、 难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉 粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。 特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、抗湿、阻值范 围广、电阻温度系数小（约±2.5×10-4/℃）；精度 不高、接触电阻大。 6. 光电电位器 是一种非接触式电位器， 一光束代替常规的电刷。 一般采用氧化铝作基体， 在其上蒸发一条带状电阻 薄膜（镍铝合金或镍铁合 金）和一条导电极（鉻合 金或银）。
IL RL C
Uo
R3
R4
当电桥平衡时, Uo=0, 则有：
R1 R3 R1R4 = R2R3 或 R2 R4
D － U ＋
—— 电桥平衡条件
结论：
欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。
第二章 电阻式传感器 b. 电压灵敏度 分析：
A R3 R4 B R1 R2 IL RL C
哈尔滨工业大学
Uo
D －U ＋
（ 1）
R1为电阻应变片 R2, R3, R4为电桥固定电阻
这就构成了单臂电桥。
第二章 电阻式传感器 b. 电压灵敏度
哈尔滨工业大学
分析：
R3 R1 U0 U ( ) R1 R2 R3 R4
IL
R1 R1 B R2
A R3 R4
C
RL
Uo
（2）当R1产生应变时, 若 应变片电阻变化为ΔR1，其 它桥臂固定不变， 电桥输 出电压Uo≠0 电桥不平衡输出电压为:
n——直线部分栅丝的数目；
n-1——弯角部分的个数。
可见 K K0 ，即应变片存在横向效应使应变 片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。
检测技术及仪表 电阻传感器 第二章
常用应变片二（箔式）
箔式应变片
原理： 它是利用光刻腐蚀法将电 阻箔材在绝缘基底上制成各种 图形的应变片； 优点： 敏感栅尺寸准确，线条均 匀； 其弯头横向效应可以忽略； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高；
箔式应变片的外形
二、种类
（3）金属薄膜应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基
d dR R K (1 2 )
压阻效应 （2-6）
应变效应
灵敏系数K 受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即 1+2μ ；另一个是应变片受力后材料的电阻率 发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2μ的值要比
(dρ/ρ)/ε大得多;
（2-2）
由公式（2-2）可以看出，当 R 2 R 4 R1R 3时电桥
平衡，此时电桥输出 U o 0 。
Ui R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
（2-3）
单臂
半桥
全桥
一个桥臂是应变片
二个桥臂是应变片
四个桥臂均是应变片
1
单臂 R1 R2
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。
一、结构 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引 线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可 制作引线。
二、种类
金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。 （1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴 于弹性体上就可构成应变式传感器。
第二章 热电阻传感器[2]
![第二章 热电阻传感器[2]](https://img.taocdn.com/s3/m/0da107d3240c844769eaeec0.png)
第二章热电阻传感器热电阻传感器主要用于测量温度及与温度有关的参量。
在工业上，它被广泛用来测量0200~960C -范围内的温度。
热电阻按性质不同，可分为金属热电阻和半导体热电阻两类。
前者仍称为热电阻，而后者的灵敏度比前者高十几倍以上，又称为热敏电阻。
第一节 热电阻一、常用热电阻在金属中，载流子为自由电子，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电子的动能将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，导致金属电阻值随温度的升高而增加。
热电阻就要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。
目前较为广泛应用的热电阻材料是铂、铜、镍、铁和铑铁合金等，而常用的是铂、铜，他们的电阻温度系数在33~610/C -︒⨯范围内。
作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。
在铂、铜中，铂的性能最好，采用特殊的0200~960C -；铜电阻价廉并且线性较好，但温度高易氧化，故只适用于温度较低050~150C -+的环境中，目前已逐渐被铂电阻所取代。
（一）、铂热电阻铂材料的优点为：物理、化学性能极为稳定尤其是耐氧化能力很强，并且在很宽的温度范围内（1200℃以下）均可保持上述特性；易于提纯，复制性好，有良好的工艺性，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔；电阻率较高。
缺点是：电阻温度系数较小；在还原介质中工作时易被沾污变脆；价格较高。
铂热电阻的阻值与温度的关系近似线性，其特性方程为当-200℃≤t ≤0℃时： 230R 1(100)t R At Bt C t t ⎡⎤=+++-⎣⎦（2–1） 当0℃≤t ≤960℃时： 20R (1)t R At Bt =++ （2–2）式中R t ——温度为t ℃时铂热电阻的阻值，单位为Ω；0R ——温度为0℃时铂热电阻的阻值，单位为Ω；A 、B 、C ——温度系数，它们的数值分别为3023.9080210(1/)A C -=⨯，705.80210(1/)B C -=-⨯，12044.2735010(1/)C C -=-⨯。
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
传感器与检测技术第二章电阻式传感器.ppt
11
2.1 电位器式传感器
二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率 电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，
但阻值无变化 当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然
增加，特性曲线出现阶跃
其阶跃值即视在分辨率为
U Umax n
12
2.1 电位器式传感器
在移动过程中，会使得临近的量匝短路，电位器 总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视 在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即一个小 的阶跃。
U max•Umax
9
2.1 电位器式传感器
线性电位器的骨架截面此处处相等、并且由材料 均匀的导线按相等的节距绕成。对某一匝节距为 t线圈来说，电阻变化量为：
Rl2(bh)
AA
10
2.1 电位器式传感器
电阻灵敏度：
kR
R max X max
nR2(bh)
nt At
电压灵敏度：
kuU Xm ma a x xIX R m maax xI2(bA h)t
16
xmax
eby
n xmax
1 100% n
2.1 电位器式传感器
从图2-5中可见,在理想情况下，特性曲线每个 阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直 线即是理论直线（灵敏度），阶梯曲线围绕它 上下跳动，从而带来一定误差，这就是阶梯误
差。电位器的阶梯误差γj通常以理想阶梯特性
曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出 电压值的百分数表示，即
所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)的电压分辨
率定义为: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Umax之比的百分数,即为：
Umax
eba
n Umax
《热电阻式传感器》课件
测量范围
热电阻式传感器能够测量的温度 范围，通常以摄氏度或开尔文表 示。
测试方法
对热电阻式传感器进行性能测试 的方法，包括静态测试和动态测 试，以及在不同温度和湿度条件 下的测试。
03
热电阻式传感器的应用实例
温度测量与控制
总结词
热电阻式传感器在温度测量和控制领域具有广泛应用，能够实现高精度、快速响应的温度检测 。
详细描述
在流量测量领域，热电阻式传感器常用于测量液体或气体的流量。通过测量流 经传感器的流体温度变化，可以计算出流体的流速和流量，广泛应用于石油、 化工、水处理等领域。
压力与液位检测
总结词
热电阻式传感器可以用于测量压力和液位，具有测量范围广 、精度高的优点。
详细描述
在压力和液位检测领域，热电阻式传感器常用于测量液体或 气体的压力和液位。通过测量压力或液位对传感器的影响， 可以计算出压力或液位的大小，广泛应用于工业自动化控制 和流体动力学研究等领域。
03 陶瓷热电阻
利用陶瓷的电阻随温度变化的特性，常用材料如 钛酸钡、氧化锌等。
制造工艺与流程
材料制备
根据所选材料，通过 熔炼、粉末冶金、化 学气相沉积等方法制 备敏感元件材料。
加工成型
将制备好的材料加工 成所需的形状和尺寸 ，如薄膜、棒材、管
材等。
热处理与稳定化
通过热处理使材料达 到一定的机械性能和 稳定性，并进行必要
安装要求高
热电阻式传感器的安装位 置和方式对测量结果有一 定影响，需要专业人员进 行安装和调试。
改进方向与技术发展
新材料研发
研究新型的热电阻材料，以提高传感 器的测量精度和稳定性。
智能化技术应用
利用人工智能和大数据技术对热电阻 式传感器进行数据处理和分析，以提
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热敏电阻分类
NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数
主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧 化物 混合烧结而成，改变混合物的成分和配比 就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的 NTC热敏电阻。 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路
2. 热敏电阻的结构
构成：热敏探头、引线、壳体 二端和三端器件： 为直热式，即热敏电阻直接由连 接的电路获得功率； 四端器件：旁热式 体积达到小型化与超小型化。
⑵ 温度控制
简 易 温 度 控 制 器
加热指 示灯
由VR设定动作温度。如下：实际温度低时， R t 大，VT1的be之间电压 大于导通电压，VT1导通，相继VT2也导通，继电器吸合，电热丝加热。 当实际温度达到要求控制的温度时，由于R t（NTC型）的阻值降低，使 VTl的be电压过低 (< 0.6V) , VTl截止，相继VT2截止，继电器断开，电热 丝断电而停止加热。这样便达到控制温度的目的。
将B值及R0=R20 代入式就确定了热敏电阻的温度特性:
热敏电阻的电阻温度系数
热敏电阻在其本身温度变化1℃时，电 阻值的相对变化量 1 dRT B 2 RT dT T B和α值是表征热敏电阻材料性能的两个重要 参数，热敏电阻的电阻温度系数比金属丝的电 阻温度系数高很多，所以它的灵敏度很高。
4. 热敏电阻的主要参数
⑴ 标称电阻值RH : 在环境温度为25±0.2℃时测得的电阻 值，又称冷电阻。其大小取决于热敏电阻的材料和几 何尺寸。 ⑵ 材料常数B(K)：描述材料特性的一个常数，取决于热 敏电阻材料的激活能力，值大，灵敏度高。 (3)电阻温度系数 α：指温度升高 1℃时，电阻值的相对变 化量。电阻率越高，温度系数也越大。 (4)耗散系数H 指热敏电阻的温度与周围介质的温度相差 1℃时热敏电阻所耗散的功率，单位为mW /℃； (5) 热容量C 热敏电阻的温度变化1℃所需吸收或释放的 热量，单位为J／℃；
1. 热敏电阻特点与类型
正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 临界温度系数(CTR)
热敏电阻典型特性
热敏电阻分类
PTC热敏电阻－正温度系数
钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途： 各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。
CTR热敏电阻－临界温度系数
以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧 化物在弱还原气氛中混合烧结而成。在某个温度 上电阻值急剧变化,具有开关特性。 用途：温度开关
2 半导体热敏电阻传感器
应用范围很广，可在宇宙航船、医学、工业及 家用电器等方面用作测温、控温、温度补偿、 流速测量、液面指示等。
1. 金属热电阻传感器
工业广泛使用，－ 200 ～ +500℃范围温度测量。 在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至 更低，1K左右。高温端可测到1000℃。 温度测量的特点：精度高、适于测低温。 传感器的测量电路：经常使用电桥，精度较高 的是自动电桥。 为消除由于连接导线电阻随环境温度变化而造 成的测量误差，常采用三线制和四线制连接法。
热电阻结构
小型铂热电阻
汽车用水温传感器及水温表源自铜热电阻7.3.2 半导体热敏电阻
利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成 由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结 优 点： 热敏电阻的温度系数比金属大（4～9倍） 电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、 表面温度及快速变化的温度。 结构简单、机械性能好。 缺点：线性度较差，复现性和互换性较差。
2. 半导体热敏电阻传感器
⑴ 温度测量 ⑵ 温度控制 ⑶ 温度补偿 ⑷ 流量测量
⑴ 温度测量
热 敏 电 阻 点 温 计
开关S旋到1处接通校正电路，调节R6使显示仪表的指针转至测量 上限，用以消除由于电源E电压变化产生的误差。 当热敏电阻感温元件插入被测介质后，再将切换开关旋到2处， 接通测量电路，这时显示仪表的示值即为被测介质的温度值。
⑶ 温度补偿
仪 表 中 的 电 阻 温 度 补 偿 电 路
改善温度系数非线性
金属一般具有正的温度系数， 采用负温度系数的热敏电阻进行补偿， 可以抵消由于温度变化所产生的误差
(4) 流量测量
热式质量流量计
– 原理：流体中热传递与热转移与流体质量的关系。 – 利用外热源对被测流体加热，测量因流体流动造成 的温度场变化，从而测得流体的质量流量。 P – 流量方程式：
使用最广泛的热电阻材料是铂和铜
1. 常用热电阻
铂热电阻 主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度 基准、标准的传递。
铜热电阻
测量精度要求不高且温度较低的场合，测量 范围一般为―50～150℃。
⑴ 铂热电阻 目前最好材料
长时间稳定的复现性可达10-4 K ，是目前测温 复现性最好的一种温度计。
热敏电阻的结构形式
热敏电阻外形
MF12型 NTC热敏电阻
聚脂塑料封装 热敏电阻
其他形式的热敏电阻
玻璃封装NTC 热敏电阻
MF58 型热敏电阻
其他形式的热敏电阻
带安装孔的热敏电阻
大功率PTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻
贴片式NTC热敏电阻
其他形式的热敏电阻
MF5A-3型热敏电阻
MF58型（珠形）高精 度负温度系数热敏电阻
(6) 能量灵敏度G （W） 使热敏电阻的阻值变化1％所需耗散的功率。
G ( H / ) 100
(7) 时间常数τ 温度为T0的热敏电阻突然置于温 度为 T 的介质中，热敏电阻的温度增量 ΔT= 0.63 (T－T0) 时所需的时间。
C/H
(8) 额定功率PE 在标准压力（750mmHg）和规 定的最高环境温度下，热敏电阻长期连续使用 所允许的耗散功率，单位为W。在实际使用时， 热敏电阻所消耗的功率不得超过额定功率。
非标热敏电阻
3. 热敏电阻的主要特性
⑴ 温度特性
RT R0 e
1 1 B T T0
R0 e
1 1 B 273 t 273 t 0
NTC型热敏电阻，在较小的温度范围内，电阻-温度特性 式中 RT , R0——热敏电阻在绝对温度T，T0时的阻值( Ω )； T0, T ——介质的起始温度和变化温度（K）； t0 , t ——介质的起始温度和变化温度（℃）； B ——热敏电阻材料常数，一般为2000～6000K， 其大小取决于热敏电阻的材料。
RT 1 1 B ln R0 T T0
若已知两个电阻值以及相应的温度值，就可求得B值。 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 ln R100
两线制
Es
R2
R1
A
R3
r Rt
图9.17 两线制
这种引线方式简单、费用低，
但是引线电阻以及引线电阻
的变化会带来附加误差。
r
两线制适于引线不长、测温
精度要求较低的场合。
2r/R≤10-3时，
误差才可忽略
三线制
工业用热电阻一般采用三线制，消除引线电阻影响，提高测量精度
G——检流计，R1 ，R2 ，R3——固定电阻， R a——零位调节电阻， R t ——热电阻 热电阻测温电桥的三线制接法
铂丝的电阻值与温度之间的关系，即特性方程如下: 当温度t 在－200℃≤ t ≤0℃时：
Rt R0[1 At B t C ( t 100) t ]
2 3
当温度 t 在0℃≤ t ≤650℃时：
Rt R0[1 At B t ]
2
国内统一设计的工业用标准铂电阻，W（100）≥1.391， R0分为10Ω和100Ω两种，分度号分别为Pt10和Pt100， 并给出其分度表（给出阻值和温度的关系）
2. 热电阻的结构
普 通 工 业 用 热 电 阻 式 温 度 传 感 器
热电阻的结构
电阻丝采用无感绕法（两线圈电流流向相反，电感互相 抵消）绕在绝缘支架上，图b所示。
1—电阻体；2—瓷绝缘套管；3—不锈钢套管；4—安装固定件；5—引线口； 6—接线盒；7—芯柱；8—电阻丝；9—保护膜；10—引线端
四线制接法
精密测量中，采用四线制接法 ，有效消除线路寄生电势。
调零电位器
热电阻测温电桥的四线制接法
四线制
r4
实验室用，高精度测量 四根导线引到现场温度 计。
Rt
r3
V
I
r2 r1
恒流源供电
当压表测量电流很小时， 可完全消除引线电阻影 响。
铂测温电阻传感器
铂测温电阻缺点：响应速度慢、容易破损、 难于测定狭窄位置的温度。
⑵ 伏安特性
在稳态情况下，通过热敏电阻的电流I与其两端的电压 U之间的关系。 当流过热敏电阻的电流很小时:不足以使之加热。电阻 值只决定于环境温度，伏安特性是直线，遵循欧姆定 律。主要用来测温。 当电流增大到一定值时：流过热敏电阻的电流使之加 热，本身温度升高，出现负阻特性。因电阻减小，即 使电流增大，端电压反而下降。其所能升高的温度与 环境条件 ( 周围介质温度及散热条件 ) 有关。当电流和 周围介质温度一定时，热敏电阻的电阻值取决于介质 的流速、流量、密度等散热条件。可用它来测量流体 速度和介质密度。
现逐渐使用能大幅度改善上述缺点的极细型铠 装铂测温电阻，因而使应用领域进一步扩大。
主要应用：钢铁、石油化工的各种工艺过程； 纤维等工业的热处理工艺；食品工业的各种自 动装置；空调、冷冻冷藏工业；宇航和航空、 物化设备及恒温槽 。