物联网信息采集与处理

物联网信息采集与处理第一页，共一百一十页，2022年，8月28日2023/2/152一、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。三、教学学时4学时2第二页，共一百一十页，2022年，8月28日2.1传感器传感器的组成：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。第三页，共一百一十页，2022年，8月28日44

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：

2.1.2传感器的分类4第四页，共一百一十页，2022年，8月28日55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

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5第五页，共一百一十页，2022年，8月28日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。6第六页，共一百一十页，2022年，8月28日3.1电阻应变式传感器

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。2/15/20237第七页，共一百一十页，2022年，8月28日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。2/15/20238第八页，共一百一十页，2022年，8月28日

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

9第九页，共一百一十页，2022年，8月28日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

金属箔式

金属薄膜式金属应变片2/15/202310第十页，共一百一十页，2022年，8月28日1.电阻应变片的类型结构

（1）金属丝式11第十一页，共一百一十页，2022年，8月28日（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。12第十二页，共一百一十页，2022年，8月28日箔式应变片的外形2/15/202313第十三页，共一百一十页，2022年，8月28日（3）金属薄膜式应变片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0.1μm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。第十四页，共一百一十页，2022年，8月28日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。15第十五页，共一百一十页，2022年，8月28日3.1.3测量转换电路

2/15/202316第十六页，共一百一十页，2022年，8月28日电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

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。

2/15/202317第十七页，共一百一十页，2022年，8月28日①ΔRi<<R时，电桥的输出电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。2023/2/1518第十八页，共一百一十页，2022年，8月28日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。⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。2023/2/1519第十九页，共一百一十页，2022年，8月28日单臂电桥

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。2023/2/1520第二十页，共一百一十页，2022年，8月28日双臂电桥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。2/15/202321第二十一页，共一百一十页，2022年，8月28日U0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2R1R2F电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用。2023/2/1522第二十二页，共一百一十页，2022年，8月28日四臂全桥

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。2/15/202323第二十三页，共一百一十页，2022年，8月28日U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3电桥灵敏度是单臂时的四倍温度补偿作用。2023/2/1524第二十四页，共一百一十页，2022年，8月28日单臂电桥时实际输出与电阻变化值及应变之间存在一定的非线性关系。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。第二十五页，共一百一十页，2022年，8月28日（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。电阻应变片的温度误差及补偿：敏感栅材料的电阻温度系数

:分别为电阻丝和被测物体线膨胀系数，

第二十六页，共一百一十页，2022年，8月28日（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。第二十七页，共一百一十页，2022年，8月28日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：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。第二十八页，共一百一十页，2022年，8月28日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。292/15/202329第二十九页，共一百一十页，2022年，8月28日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，欲使不受Δt的影响，需满足

第三十页，共一百一十页，2022年，8月28日1.应变式荷重传感器FR1R2R43.1.4电阻应变式传感器的应用第三十一页，共一百一十页，2022年，8月28日应变片在等截面圆柱展开图上的位置第三十二页，共一百一十页，2022年，8月28日应变式荷重传感器外形及受力位置（续）F第三十三页，共一百一十页，2022年，8月28日FF第三十四页，共一百一十页，2022年，8月28日

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第三十五页，共一百一十页，2022年，8月28日2023/2/1536第三十六页，共一百一十页，2022年，8月28日汽车衡称重系统第三十七页，共一百一十页，2022年，8月28日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—壳体第三十八页，共一百一十页，2022年，8月28日

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。

2023/2/1539第三十九页，共一百一十页，2022年，8月28日第四十页，共一百一十页，2022年，8月28日小型压阻式固态压力传感器高压进气口2023/2/1541低压进气口绝对压力传感器第四十一页，共一百一十页，2022年，8月28日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2023/2/1542p1进气管p2进气管固态压力传感器第四十二页，共一百一十页，2022年，8月28日4.生物医学的应用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43第四十三页，共一百一十页，2022年，8月28日

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44第四十四页，共一百一十页，2022年，8月28日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45第四十五页，共一百一十页，2022年，8月28日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。46第四十六页，共一百一十页，2022年，8月28日2023/2/1547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物质的电阻率随温度变化而变化的现象称为热电阻效应。第四十七页，共一百一十页，2022年，8月28日2023/2/15483.2.1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。第四十八页，共一百一十页，2022年，8月28日取一只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

。

2023/2/1549第四十九页，共一百一十页，2022年，8月28日2.金属热电阻的分类和结构1）金属热电阻的分类目前使用最广泛的金属热电阻材料是铜和铂.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50第五十页，共一百一十页，2022年，8月28日在铂、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。第五十一页，共一百一十页，2022年，8月28日表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•m9.81×10-8～10.6×10-81.7×10-8特性近似于线性、性能稳定、精度高线性较好、价格低、体积大52第五十二页，共一百一十页，2022年，8月28日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第五十三页，共一百一十页，2022年，8月28日当温度在0~850内时，铂热电阻与温度的关系为：铂热电阻：当温度t在-200~0内时，铂热电阻与温度的关系为：分度号：的铂电阻值为第五十四页，共一百一十页，2022年，8月28日图3-8铜热电阻的结构1—骨架2—漆包铜线3—引出线55第五十五页，共一百一十页，2022年，8月28日分度号：

的铜电阻值为

铜热电阻：

第五十六页，共一百一十页，2022年，8月28日第五十七页，共一百一十页，2022年，8月28日薄膜型及普通型铂热电阻

2/15/202358第五十八页，共一百一十页，2022年，8月28日小型铂热电阻

2/15/202359第五十九页，共一百一十页，2022年，8月28日学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表2023/2/1560第六十页，共一百一十页，2022年，8月28日3.金属热电阻式传感器的测量转换电路工业热电阻多采用三线制接法。即从金属热电阻引出三根导线，这三根导线粗细相同，长度相等，且电阻值均为。当热电阻和电桥配合使用时，采用这种引出线方式可以较好地消除引出线电阻的影响，提高测量精度。图2-9热电阻的三线制接法第六十一页，共一百一十页，2022年，8月28日3.2.2半导体热敏电阻式传感器1.半导体热敏电阻式传感器的特性半导体的电阻值随度的升高而急剧减小，并呈现非线性关系。第六十二页，共一百一十页，2022年，8月28日半导体的这种温度特性是因为它的导电方式是载流子（电子、空穴）导电。由于半导体中载流子的数目远比金属中的自由电子少得多，因而它的电阻很大。随着温度的升高，半导体中参加导电的载流子数目会增多，因此，它的电阻率减小，电阻降低。第六十三页，共一百一十页，2022年，8月28日2.半导体热敏电阻的分类与结构半导体热敏电阻按温度系数可分为正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻NTC与CTR，三者的温度特性曲线如图2-11所示。第六十四页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻的分类温度系数负指数型负突变型（CTR）负温度系数热敏电阻（NTC）正温度系数的热敏电阻（PTC）线性型突变型(1)热敏电阻负温度系数（NTC）（金属氧化物）正温度系数（PTC）（钛酸钡）第六十五页，共一百一十页，2022年，8月28日PTC也可分为两大类：第一类为线性型，它的电阻值与温度之间呈线性关系；第二类为突变型。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然上升。主要用于温控。NTC可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。主要用于温控。66第六十六页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻2/15/202367第六十七页，共一百一十页，2022年，8月28日其他形式的热敏电阻

玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻2/15/202368第六十八页，共一百一十页，2022年，8月28日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2/15/202369第六十九页，共一百一十页，2022年，8月28日其他形式的热敏电阻（续）

贴片式NTC热敏电阻2/15/202370第七十页，共一百一十页，2022年，8月28日MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻MF5A-3型热敏电阻（参考深圳科蓬达电子有限公司资料）2/15/202371第七十一页，共一百一十页，2022年，8月28日非标热敏电阻（续）

2/15/202372第七十二页，共一百一十页，2022年，8月28日非标热敏电阻（续）

2/15/202373第七十三页，共一百一十页，2022年，8月28日3.2.3热电阻式传感器和热敏电阻式传感器的应用1.热电阻式传感器的应用1）温度测量图2-25热电阻的温度测量电路第七十四页，共一百一十页，2022年，8月28日2）流量测量图2-26利用铂热电阻测量气体流量的电路原理图75第七十五页，共一百一十页，2022年，8月28日2.热敏电阻式传感器的应用1）温度补偿仪表中通常用的一些零件多数是金属丝做成的，如线圈、线绕电阻等。金属一般具有正温度系数，采用负温度系数热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。76第七十六页，共一百一十页，2022年，8月28日2）电动机的过热保护控制（a）连接示意图（b）电动机定子上热敏电阻的连接方式图2-28电动机的过热保护电路77第七十七页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻温度面板表

热敏电阻

LCD2/15/202378第七十八页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻体温表

2/15/202379第七十九页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻用于CPU的温度测量

（参考小熊在线公司资料）2/15/202380第八十页，共一百一十页，2022年，8月28日热敏电阻用于电热水器的温度控制

2/15/202381第八十一页，共一百一十页，2022年，8月28日3.3气敏电阻式传感器

现代社会中，人们在生产与生活中往往会接触到各种各样的气体，由于这些气体有许多是易燃、易爆的，如氢气、一氧化碳、氟利昂、煤气瓦斯、天燃气、液化石油气等，因而就需要对它们进行检测和控制。气敏电阻式传感器就是一种将检测到的气体成分与浓度转换为电信号的传感器。人们根据这些信号的强弱就可以获得气体在环境中存在的信息，从而进行监控或报警。82第八十二页，共一百一十页，2022年，8月28日3.3.1气敏电阻式传感器的工作原理

气敏电阻式传感器是利用气体在半导体表面的氧化还原反应导致敏感元件电阻值变化而制成的。83第八十三页，共一百一十页，2022年，8月28日气敏传感器工作原理当半导体表面被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在半导体表面扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分分子固定在吸附处。第八十四页，共一百一十页，2022年，8月28日

氧化型气体（电子接受型气体）如：吸附分子（气体）从半导体中夺得电子而形成负离子吸附，从而导致半导体表面呈现电荷层。半导体还原型气体（电子供给型气体）如：吸附分子（气体）将向半导体中释放出电子而形成正离子吸附。半导体第八十五页，共一百一十页，2022年，8月28日为提高气体灵敏度，一般需加热以加快被测气体的化学吸附氧化还原反应（到200～450℃），同时加热还能使附着在测控部分上的油雾、尘埃烧掉。第八十六页，共一百一十页，2022年，8月28日3.3.2气敏电阻式传感器的

结构和分类

气敏电阻式传感器一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。气敏电阻烧结型气敏电阻式传感器薄膜型气敏电阻式传感器厚膜型气敏电阻式传感器按结构分按加热方式分直热型气敏电阻式传感器旁热型气敏电阻式传感器。87第八十七页，共一百一十页，2022年，8月28日

（a）烧结型气敏电阻（b）薄膜型气敏电阻（c）厚膜型气敏电阻图3-13气敏电阻式传感器的结构88第八十八页，共一百一十页，2022年，8月28日图3-14直热型气敏电阻式传感器89第八十九页，共一百一十页，2022年，8月28日图3-15旁热型气敏电阻式传感器90第九十页，共一百一十页，2022年，8月28日气敏电阻外形酒精传感器

其他可燃性气体传感器2/15/202391第九十一页，共一百一十页，2022年，8月28日酒精测试仪呼气管2/15/202392第九十二页，共一百一十页，2022年，8月28日一氧化碳传感器2/15/202393第九十三页，共一百一十页，2022年，8月28日其他气体传感器NH3传感器甲烷传感器2/15/202394第九十四页，共一百一十页，2022年，8月28日氧浓度传感器外形

汽车尾气测量-氧化钛氧气多，电阻大2/15/202395第九十五页，共一百一十页，2022年，8月28日3.3.3气敏电阻式传感器的应用气敏电阻式传感器广泛应用于防灾报警，如可制成液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等方面的报警器，也可用于对大气污染进行监测以及在医疗上用于对氧气和一氧化碳等气体的测量，在日常生活中则可用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等方面。第九十六页，共一百一十页，2022年，8月28日1.简易家用气体报警器图2-29家用气体报警器的内部电路第九十七页，共一百一十页，2022年，8月28日2.酒精检测报警器图2-30酒精检测报警器的内部电路第九十八页，共一百一十页，2022年，8月28日3.4湿敏电阻式传感器

湿敏电阻式传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，能感受外界湿度(通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度)的变化，并通过湿敏电阻式传感器的物理或化学性质的变化，将环境湿度变换为电信号的装置。99第九十九页，共一百一十页，2022年，8月28日3.4.1大气湿度与露点1.绝对湿度和相对湿度1）绝对湿度绝对湿度用每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量表示。一般用符号AH表示，单位为g/m3或mg/m3，其表达式为

(2-27)式中，mv为待测空气中的水蒸气的质量（g）；V为待测空气的总体积（m3）。100第一百页，共一百一十页，2022年，8月28日2）相对湿度

在许多与大气湿度相关的现象中，都与大气的绝对湿度没有直接的关系，而与大气中的水蒸气离饱和状态的远近程度有关。相对湿度是指被测气体中的水蒸气的气压与该气体在相同温度下饱和水蒸气的气压的百分比。用符号RH表示，其表达式为

(2-28)式中，PV为在t℃时被测气体中的水蒸气的气压（Pa）；PW为待测空气在温度t℃下的饱和水蒸气的气压（Pa）。101第一百零一页，共一百一十页，2022年，8月28日t/℃Pw/Pat/℃Pw/Pat/℃Pw/Pat/℃Pw/Pa－200.77－92.1325.292219.83－190.85－82.3235.692321.07－180.94－7