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兰州石化职业技术学院
• 电阻式传感器是指将各种被测非电量（如 力、位移、形变、速度和加速度等）的变 化量，转换成与其有一定关系的电阻值的 变化，通过对电阻值的测量达到对非电量 测量的目的。
• 电阻式传感器包括电阻应变式传感器、热 电阻式传感器、气敏电阻式传感器和湿敏 电阻式传感器等几种。
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3.1 电阻应变式传感器
热电阻 传感器
金属热电阻
半导体热电阻 （热敏电阻）
普通型 铠装型 薄膜型
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3.2.1 金属热电阻式传感器
1.原理：
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧， 从而使金属内部的自由电子通过金属导体 时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大， 电阻值增加，我们称其为正温度系数，即 电阻值与温度的变化趋势相同。
传感器是物联网信息采集的第一道环节， 也是决定整个系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器，首先要明确所设计的系统 需要什么样的传感器，系统对传感器的技术 要求；其次是挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。传感器的分类如下：
4
4
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1）按转换原理分类 ：
物理传感器和化学传感器 物理传感器：应用压电、热电、光电、磁电等 物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号 特点：可靠性好、应用广泛 化学传感器：应用化学吸附、电化学反应等现 象将被测信号转换成电信号 特点：可靠性、规模生产的可能性、价格等因 素的影响
到的应变1~4）正负号相间，就
可以使输出电压Uo成倍地增大。 上述三种工作方式中，全桥四臂
工作方式的灵敏度最高，双臂半
桥次之，单臂电桥灵敏度最低。
采用全桥（或双臂半桥）还能实
现温度自补偿。
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R1＋ ⊿R1
R2－
⊿R2
U0
U0
U
R R
R3－
R4＋
⊿R3
U ⊿R4
电桥灵敏度是单臂时的四倍温度补偿作用。
• l l 为电阻丝长度的相对变化量，
也可称为电阻丝的轴向应变，用 表示，
即 R K
R
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3.1.2 电阻应变片的类型结构、黏贴与特性
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。 前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前 箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早， 有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较 大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。 但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一 次性试验。 金属丝式
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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 。
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2.金属热电阻的分类和结构
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1）金属热电阻的分类
电阻温度系数大且稳定；电阻率高;易提纯、 复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
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1—引出线 2—25号注射针 3—硅膜 片 4—绝缘材料 图3-8 注射针型压阻式压力传感器
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1—引出线 2—硅橡胶导管 3—圆 形金属外壳 4—硅梁
5—塑料壳 6—金属插片 7—金属 波纹膜片 8—推杆
图3-9 心内导管中的压阻式压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器
兰州石化职业技术学院
低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器（续）
呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器
固态压力 传感器
p1进气管
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p2进气管
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4. 生物医学的应用
金属应变片 金属箔式
金属薄膜式
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1.电阻应变片的类型结构 （1）金属丝式
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（2）金属箔式应变片
• 是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属 箔栅，其横向部分特别粗，可大大减小横向效应， 且敏感栅的黏贴面积大，能更好地随同被测物体 变形。此外与金属丝式应变片相比，它还具有散 热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所 需的形状，便于批量生产等优点，所以其使用范 围日益扩大，已逐渐取代金属丝式应变片。
分度号： Pt100 Pt50
t=0oC 的铂电阻值为 R0
图3-8 铜热电阻的结构 1—骨架 2—漆包铜线 3—引出
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②电阻应变片的自补偿法。 当温度发生变化时，电阻应变片自身的阻值为 零，这种特殊的电阻应变片称为自补偿电阻应 变片。
由式(2-12)可知，欲使 Rt / R0 不受Δt的影响 ，需满足
k( g s)
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3.1.4 电阻应变式传感器的应用
1—压阻芯 2—硅橡胶 3—玻 璃底座 4—不锈钢加固板
图3-10 脑压传感器原理图
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3.2 热电阻式传感器
• 热电阻式传感器是利用导体或半导体的阻 值随温度变化而变化的原理进行测温的。
• 它可分为金属热电阻式传感器和半导体热 敏电阻式传感器。
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物质的电阻率随温度变化而变化的现象称为 热电阻效应。
出线等部件组成。
图3-7 铂热电阻的结构 1—铆钉 2—电阻丝 3—银质引脚
53
铂热电阻：
当温度t在-oC200~0 内时，铂热电阻与温 度的关系为：
Rt R0 1 At+Bt2 +Ct3 t-100 0C
当温度在0~850 oC 内时，铂热电阻与温
度的关系为： Rt R0
1 At+Bt2
应变或压应变时，输出电压为两者之差；若 相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为 两者之和。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压 为两者之和；反之则为两者之差。
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④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。 但是，当U大时，电阻应变片通过的电流
也大，若超过电阻应变片所允许通过的最 大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。
i）两个应变片应具有相同的电阻温度系数、膨胀 系数β、灵敏度和初始电阻。 ii）黏贴补偿应变片的补偿块材料和黏贴工作应变 片的被测物体材料必须一样，两者的膨胀系数必 须相同。
iii）两个应变片应处于同一温度场中。
全桥的温度补偿原理
当环境温度升高 时，桥臂上的应变片 温度同时升高，温度 引起的电阻值漂移数 值一致，可以相互抵 消，所以全桥的温漂 较小；半桥也同样能 克服温漂。
三、教学学时
4学时
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2
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2.1 传感器
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传感器的组成：传感器一般由敏感元件、变换 元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集 成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路 也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集 成在同一芯片上。
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2.1.2 传感器的分类
产生的电阻增量正
负号相间，可以使
输出电压Uo成倍地 增大。
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F R1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R2
U
＝
0
U 2
R R
R1＋ ⊿R1
R2－ ⊿R2 U0
R3 R4
U
电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用。
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四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片，
如果设法使试件受力后，应变片
R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受
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 片及测量转换电路等组成。
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3.1.1 应变片的工作原理
金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。
R
l A
l
r2
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⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高
电桥的输出电压。
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单臂电桥
全桥四臂工作方式 的灵敏度最高，双 臂半桥次之，单臂 半桥灵敏度最低。
U
＝
0
U 4
R R
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双臂电桥
R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。 应变片R1 、R2 感受
到的应变1~2以及
电阻应变片的温度误差及补偿
（1）产生温度误差的原因。
• 因环境温度改变而引起电阻变化主要有两 个因素：其一是电阻应变片的电阻丝具有 一定温度系数；其二是电阻丝材料与被测 物体的线膨胀系数不同。
Rt Rtα Rtβ t k( g s)t
R0
R0
：敏感栅材料的电阻温度系数
s g :分别为电阻丝和被测，物体线膨胀系数
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• 单应臂变电之桥间时存实 在际 一输 定出 的U非o 线与性电关阻系变。化值及
• 对于半桥工作方式和全桥工作方式，两应 变片处于差分工作状态，即一个应变片感 受正应变，另一个应变片感受负应变，经 推导可证明理论上不存在非线性关系。
• 采用恒流源作为桥路电源也能减小非线性 误差。
F
1.应变式荷重传感器
R4
R
R1
2
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应变片在等截面圆柱展开图上的位置
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F 应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
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F
F
荷重传感器原理演示
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。
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目前使用最广泛的金属热电阻材料是铜和铂.
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• 在铂、铜、镍中,铂的性能最好，采用特 殊结构可制成标准温度计,它的适用温度 范围为(-200～+960)℃。铜电阻价廉并 且线性好,但温度高了易氧化,故只适用于 温度较低(-50～+150)℃的环境中。表 3—1列出了热电阻的主要技术性能。
半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发
生变化的现象。它的突出优点是灵敏度高、尺寸小、 横向效应小、动态响应好。但它有温度系数大，应 变时非线性关系比较严重等缺点。
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3.1.3 测量转换电路
UO
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) R4
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电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
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汽车衡称重系统
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2. 应变式加速度传感器
图2-22 应变式加速度传感器的结构 1—惯性质量块； 2—悬臂梁； 3—腔体；
4—应变片； 5—壳体
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3. 压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个半导体应变 电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵 敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小， 动态响应快。
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表3-1 铜热电阻和铂热电阻的 主要技术性能
材料
铂
铜
测温范围/℃ －200～850 －50～150
电阻率/Ω•m 9.81×10-8～ 1.7×10-8
10.6×10-8
特性 近似于线性、 线性较好、
性能稳定、精 价格低、体
度高
积大
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2）金属热电阻的结构 • 金属热电阻主要由热电阻丝、绝缘骨架、引
调节RP，最终可以
使R1/R2=R4/R3（ R1、 R2是R1、R2并联RP后的
等效电阻），电桥趋于
平衡，Uo被预调到零位，
这一过程称为调零。图
中的R5是用于减小调节
范围的限流电阻。
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①
U0
ΔRi<<
UR4时K ，1电 桥 2 的 输3 出电4 压与应变成线
性关系。
② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉
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箔式应变片的外形
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（3）金属薄膜式应变片
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• 金属薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀 等方法在薄的绝缘基片上形成0.1 μm以下的
金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。
它的优点是应变灵敏度系数大、允许电流密度 大、工作范围广。
2.半导体应变片
• 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理 是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指
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第3章 电阻式传感器
本章内容
3.1 电阻式传感器的定义和结构。 3.2 电阻式传感器的工作原理
3.3 电阻式传感器的应用
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一、教学目标
（1）了解电阻式传感器的定义和结构。 （2）掌握电阻式传感器的工作原理。 （3）掌握电阻式传感器的应用。
二、教学重点和难点
1、重点：电阻式传感器的工作原理。 2、难点：电阻式传感器的应用。
• （2）温度补偿方法。
• ①线路补偿法。电桥补偿法是最常用的且效 果较好的线路补偿法。
UO
U
4
( R1 R1
RB ) RB
UO
U 4
( R（1 1 t）
R1
R（B 1 t）)
RB
• 电桥的输出电压仅与被测物体的应变有关，而与
环境温度无关。
若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下 三个条件：
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• 电阻式传感器是指将各种被测非电量（如 力、位移、形变、速度和加速度等）的变 化量，转换成与其有一定关系的电阻值的 变化，通过对电阻值的测量达到对非电量 测量的目的。
• 电阻式传感器包括电阻应变式传感器、热 电阻式传感器、气敏电阻式传感器和湿敏 电阻式传感器等几种。
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3.1 电阻应变式传感器
热电阻 传感器
金属热电阻
半导体热电阻 （热敏电阻）
普通型 铠装型 薄膜型
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3.2.1 金属热电阻式传感器
1.原理：
温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧， 从而使金属内部的自由电子通过金属导体 时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大， 电阻值增加，我们称其为正温度系数，即 电阻值与温度的变化趋势相同。
传感器是物联网信息采集的第一道环节， 也是决定整个系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器，首先要明确所设计的系统 需要什么样的传感器，系统对传感器的技术 要求；其次是挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。传感器的分类如下：
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1）按转换原理分类 ：
物理传感器和化学传感器 物理传感器：应用压电、热电、光电、磁电等 物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号 特点：可靠性好、应用广泛 化学传感器：应用化学吸附、电化学反应等现 象将被测信号转换成电信号 特点：可靠性、规模生产的可能性、价格等因 素的影响
到的应变1~4）正负号相间，就
可以使输出电压Uo成倍地增大。 上述三种工作方式中，全桥四臂
工作方式的灵敏度最高，双臂半
桥次之，单臂电桥灵敏度最低。
采用全桥（或双臂半桥）还能实
现温度自补偿。
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R1＋ ⊿R1
R2－
⊿R2
U0
U0
U
R R
R3－
R4＋
⊿R3
U ⊿R4
电桥灵敏度是单臂时的四倍温度补偿作用。
• l l 为电阻丝长度的相对变化量，
也可称为电阻丝的轴向应变，用 表示，
即 R K
R
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3.1.2 电阻应变片的类型结构、黏贴与特性
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。 前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前 箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早， 有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较 大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。 但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一 次性试验。 金属丝式
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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 。
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2.金属热电阻的分类和结构
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1）金属热电阻的分类
电阻温度系数大且稳定；电阻率高;易提纯、 复现性好的金属材料才可用于制作热电阻
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1—引出线 2—25号注射针 3—硅膜 片 4—绝缘材料 图3-8 注射针型压阻式压力传感器
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1—引出线 2—硅橡胶导管 3—圆 形金属外壳 4—硅梁
5—塑料壳 6—金属插片 7—金属 波纹膜片 8—推杆
图3-9 心内导管中的压阻式压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器
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低压进气口
高压进气口
绝对压力传感器
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小型压阻式固态压力传感器（续）
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固态压力 传感器
p1进气管
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p2进气管
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4. 生物医学的应用
金属应变片 金属箔式
金属薄膜式
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1.电阻应变片的类型结构 （1）金属丝式
11
（2）金属箔式应变片
• 是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属 箔栅，其横向部分特别粗，可大大减小横向效应， 且敏感栅的黏贴面积大，能更好地随同被测物体 变形。此外与金属丝式应变片相比，它还具有散 热条件好，允许通过的电流较大，可制成各种所 需的形状，便于批量生产等优点，所以其使用范 围日益扩大，已逐渐取代金属丝式应变片。
分度号： Pt100 Pt50
t=0oC 的铂电阻值为 R0
图3-8 铜热电阻的结构 1—骨架 2—漆包铜线 3—引出
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②电阻应变片的自补偿法。 当温度发生变化时，电阻应变片自身的阻值为 零，这种特殊的电阻应变片称为自补偿电阻应 变片。
由式(2-12)可知，欲使 Rt / R0 不受Δt的影响 ，需满足
k( g s)
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3.1.4 电阻应变式传感器的应用
1—压阻芯 2—硅橡胶 3—玻 璃底座 4—不锈钢加固板
图3-10 脑压传感器原理图
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3.2 热电阻式传感器
• 热电阻式传感器是利用导体或半导体的阻 值随温度变化而变化的原理进行测温的。
• 它可分为金属热电阻式传感器和半导体热 敏电阻式传感器。
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物质的电阻率随温度变化而变化的现象称为 热电阻效应。
出线等部件组成。
图3-7 铂热电阻的结构 1—铆钉 2—电阻丝 3—银质引脚
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铂热电阻：
当温度t在-oC200~0 内时，铂热电阻与温 度的关系为：
Rt R0 1 At+Bt2 +Ct3 t-100 0C
当温度在0~850 oC 内时，铂热电阻与温
度的关系为： Rt R0
1 At+Bt2
应变或压应变时，输出电压为两者之差；若 相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为 两者之和。
③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压 为两者之和；反之则为两者之差。
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④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。 但是，当U大时，电阻应变片通过的电流
也大，若超过电阻应变片所允许通过的最 大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。
i）两个应变片应具有相同的电阻温度系数、膨胀 系数β、灵敏度和初始电阻。 ii）黏贴补偿应变片的补偿块材料和黏贴工作应变 片的被测物体材料必须一样，两者的膨胀系数必 须相同。
iii）两个应变片应处于同一温度场中。
全桥的温度补偿原理
当环境温度升高 时，桥臂上的应变片 温度同时升高，温度 引起的电阻值漂移数 值一致，可以相互抵 消，所以全桥的温漂 较小；半桥也同样能 克服温漂。
三、教学学时
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2.1 传感器
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传感器的组成：传感器一般由敏感元件、变换 元件和其他辅助元件组成。但是随着传感器集 成技术的发展，传感器的信号调理与转换电路 也会安装在传感器的壳体内或者与敏感元件集 成在同一芯片上。
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2.1.2 传感器的分类
产生的电阻增量正
负号相间，可以使
输出电压Uo成倍地 增大。
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F R1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R2
U
＝
0
U 2
R R
R1＋ ⊿R1
R2－ ⊿R2 U0
R3 R4
U
电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用。
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四臂全桥
全桥的四个桥臂都为应变片，
如果设法使试件受力后，应变片
R1 ~ R4产生的电阻增量（或感受
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 片及测量转换电路等组成。
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3.1.1 应变片的工作原理
金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。
R
l A
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⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高
电桥的输出电压。
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单臂电桥
全桥四臂工作方式 的灵敏度最高，双 臂半桥次之，单臂 半桥灵敏度最低。
U
＝
0
U 4
R R
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双臂电桥
R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。 应变片R1 、R2 感受
到的应变1~2以及
电阻应变片的温度误差及补偿
（1）产生温度误差的原因。
• 因环境温度改变而引起电阻变化主要有两 个因素：其一是电阻应变片的电阻丝具有 一定温度系数；其二是电阻丝材料与被测 物体的线膨胀系数不同。
Rt Rtα Rtβ t k( g s)t
R0
R0
：敏感栅材料的电阻温度系数
s g :分别为电阻丝和被测，物体线膨胀系数
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• 单应臂变电之桥间时存实 在际 一输 定出 的U非o 线与性电关阻系变。化值及
• 对于半桥工作方式和全桥工作方式，两应 变片处于差分工作状态，即一个应变片感 受正应变，另一个应变片感受负应变，经 推导可证明理论上不存在非线性关系。
• 采用恒流源作为桥路电源也能减小非线性 误差。
F
1.应变式荷重传感器
R4
R
R1
2
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应变片在等截面圆柱展开图上的位置
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F 应变式荷重传感器外形及受力位置（续）
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F
F
荷重传感器原理演示
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。
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目前使用最广泛的金属热电阻材料是铜和铂.
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• 在铂、铜、镍中,铂的性能最好，采用特 殊结构可制成标准温度计,它的适用温度 范围为(-200～+960)℃。铜电阻价廉并 且线性好,但温度高了易氧化,故只适用于 温度较低(-50～+150)℃的环境中。表 3—1列出了热电阻的主要技术性能。
半导体材料在某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发
生变化的现象。它的突出优点是灵敏度高、尺寸小、 横向效应小、动态响应好。但它有温度系数大，应 变时非线性关系比较严重等缺点。
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3.1.3 测量转换电路
UO
Ui 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 ) R4
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电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3
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汽车衡称重系统
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2. 应变式加速度传感器
图2-22 应变式加速度传感器的结构 1—惯性质量块； 2—悬臂梁； 3—腔体；
4—应变片； 5—壳体
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3. 压阻式固态压力传感器
利用扩散工艺制作的四个半导体应变 电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵 敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小， 动态响应快。
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表3-1 铜热电阻和铂热电阻的 主要技术性能
材料
铂
铜
测温范围/℃ －200～850 －50～150
电阻率/Ω•m 9.81×10-8～ 1.7×10-8
10.6×10-8
特性 近似于线性、 线性较好、
性能稳定、精 价格低、体
度高
积大
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2）金属热电阻的结构 • 金属热电阻主要由热电阻丝、绝缘骨架、引
调节RP，最终可以
使R1/R2=R4/R3（ R1、 R2是R1、R2并联RP后的
等效电阻），电桥趋于
平衡，Uo被预调到零位，
这一过程称为调零。图
中的R5是用于减小调节
范围的限流电阻。
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①
U0
ΔRi<<
UR4时K ，1电 桥 2 的 输3 出电4 压与应变成线
性关系。
② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉
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箔式应变片的外形
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（3）金属薄膜式应变片
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• 金属薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空沉淀 等方法在薄的绝缘基片上形成0.1 μm以下的
金属电阻薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。
它的优点是应变灵敏度系数大、允许电流密度 大、工作范围广。
2.半导体应变片
• 半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理 是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指
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第3章 电阻式传感器
本章内容
3.1 电阻式传感器的定义和结构。 3.2 电阻式传感器的工作原理
3.3 电阻式传感器的应用
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一、教学目标
（1）了解电阻式传感器的定义和结构。 （2）掌握电阻式传感器的工作原理。 （3）掌握电阻式传感器的应用。
二、教学重点和难点
1、重点：电阻式传感器的工作原理。 2、难点：电阻式传感器的应用。
• （2）温度补偿方法。
• ①线路补偿法。电桥补偿法是最常用的且效 果较好的线路补偿法。
UO
U
4
( R1 R1
RB ) RB
UO
U 4
( R（1 1 t）
R1
R（B 1 t）)
RB
• 电桥的输出电压仅与被测物体的应变有关，而与
环境温度无关。
若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下 三个条件：