沈航传感与测试技术31;321电参量型-电阻式

2024/6/281常用传感器

传感器定义、组成及分类

电参量型传感器电量型传感器光电式传感器光纤传感器简单的测试举例ΩV敏感元件测量电路R阻值发生变化温度的变化转换为电阻值的变化，实现了物理量到电参量的转换过程各种传感器图片光电传感器各种传感器图片温度传感器压力传感器各种传感器图片2024/6/286传感器的定义及组成传感器是能感受被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。实现自动检测和自动控制的首要环节。一种输入量，是被测量的、特殊的测量变换器。——指能将一种信号按照某种规律变换成另外一种信号输出的器件或装置。传感器定义、组成及分类2024/6/287传感器的定义及组成传感器的组成

——敏感元件、转换元件、转换电路传感器定义、组成及分类敏感元件转换元件转换电路直接感受（接触）被测量，并输出一个随被测量成确定关系变化的某一物理量（位移量、形变量等）●被测量→物理量●物理量→电路参量将敏感元件输出的物理量转换成随之变化的电路参量（电感、电容、电阻等）●电路参量→电量此电路产生一个随电路参量变化的电量（电压、电流等）输出非电物理量被测量电路参数或电量电量p差动变压器式传感器铁芯膜盒

转换电路输出2024/6/288传感器的分类按工作机理：物理型、化学型、生物型。按构成原理：结构型、物性型。传感器定义、组成及分类物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。例如：水银温度计、半导体应变片、压电传感器，以及各种半导体传感器等。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。例如：金属应变片、电容式和电感式传感器等。物理型传感器是利用被测量物质的某些物理性质发生明显变化的特性制成的。化学型传感器是利用能把化学物质的成分、浓度等化学量转化成电学量的敏感元件制成的。生物型传感器是利用各种生物或生物物质的特性做成的，用以检测与识别生物体内化学成分的传感器。2024/6/289传感器的分类按能量转换：能量控制型、能量转换型。传感器定义、组成及分类能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，又称为自源型。主要由能量变换元件构成，例如:压电式传感器、热电偶温度计、光电池等。能量控制型:从外部供给能量，并由被测量控制外部供给能量的变化，又称为外源型

。例如:电阻应变片、电容传感器等。2024/6/2810传感器的分类按工作原理：机械式、电气式、光学式、流体式等。按输出信号：电参量型、电量型。电参量型：传感器输出信号是电路参数，包括电阻、电容和电感(自感)，如电阻应变计、压阻传感器、光敏电阻、电容式传感器、自感式传感器和反射式电涡流传感器等。电参量型传感器由于需要外部激励电源，故都属于能量控制型传感器。

传感器定义、组成及分类2024/6/2811传感器的分类按输出信号：电参量型、电量型。电量型：传感器输出是电荷、电流或电压等电量，常见的电压输出型有磁电传感器、压磁式传感器、霍尔传感器、热电偶和光电池，还有差动变压器式传感器和透射式电涡流传感器等。有些电量型传感器不需外界电源，是典型的能量转换型传感器，如热电偶、光电池和压电传感器。有些电量型传感器需要外接辅助电源或磁源(带激励源型，又称为辅助能源型)，如磁电式传感器、差动变压器式传感器、透射式电涡流传感器、压磁传感器、霍尔传感器等。

传感器定义、组成及分类2024/6/2812传感器的分类按被测量：位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器等等。按输出信号：模拟传感器、数字传感器。按传感器转换过程可逆与否：可逆传感器和不可逆传感器。

按传感器有反馈回路与否：开环传感器、闭环传感器。传感器定义、组成及分类2024/6/2813对传感器的基本性能要求基本性能要求：稳定、准确、快速。即：足够的容量。良好的动静态测量特性。精度适当，工作稳定、可靠。适用性和适应性强。使用经济。

传感器定义、组成及分类2024/6/2814电参量型传感器是输出为电路参数，即电阻、电容和电感(自感)的传感器的总称，即将被测物理量变化转换为电参数的变化，再配以适当的转换电路，将输出的电参数转变为电量输出。

电参量型传感器都属于能量控制型传感器。典型的电参量型传感器，包括电阻输出型、电容输出型、电感输出型三类电参量型传感器。电参量型传感器2024/6/2815电阻式传感器电感式传感器电容式传感器电参量型传感器测量电路电参量型传感器被测量——--电阻变化转化为电阻传感器

变阻器式

电阻应变式

直线位移型传感器

角位移型传感器

非线性型

金属电阻应变片

半导体应变片

丝式

箔式

电阻式传感器变阻器式

电阻式传感器直线位移型传感器

角位移型传感器

非线性型

2024/6/2818被测量变化能引起传感器输出电阻值变化的传感器统称为电阻输出型传感器，简称电阻式传感器。电阻式传感器电阻应变式传感器热电阻传感器电阻输出型半导体传感器2024/6/2819电阻应变片(ResistanceStrainSensor)是应变测量的关键元件，电阻应变片的工作原理是基于应变电阻效应。根据制作材料不同，电阻应变片通常分为金属应变片和半导体应变片两大类。(1)应变电阻效应电阻应变式传感器应变电阻效应即在导体发生机械变形时，导体电阻值相应发生变化的效应。

2024/6/2820(1)应变电阻效应电阻应变式传感器材料不同，电阻变化的主要来源不同。因此，电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体电阻应变片两大类。2024/6/28211)金属应变片的应变电阻效应电阻应变式传感器金属应变片的电阻变化主要由其结构尺寸变化所致，故金属应变片属于结构型传感器。

2024/6/28222)半导体应变片的应变电阻效应压阻效应：指半导体材料在某一轴向受外力时，其电阻率发生变化的现象

。电阻应变式传感器半导体应变片工作原理：半导体应变片是利用半导体材料的物理效应——压阻效应工作的，因此半导体应变片属于物性型传感器。

2024/6/2823电阻应变片工作原理总结：电阻应变片工作原理基于应变电阻效应，感受灵敏栅轴向线应变，输出电阻应变，即：电阻应变式传感器金属材料：K0=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致;后部分为电阻率随应变而变的部分。金属应变片的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，属于结构型传感器。半导体材料：K0=KS=(1+2μ)+πE前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。半导体应变片的压变电阻效应主要基于压阻效应，属于物性型传感器。2024/6/2824(2)电阻应变式传感器的结构与类型

应变计的结构利用导电材料的应变电阻效应，可以制成测量试件表面应变的敏感元件，即：电阻应变计（片），简称应变计（片）

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。电阻应变式传感器应变计的结构型式及其组成敏感栅、基底、引线、盖层、粘结剂。2024/6/2825(3)电阻应变传感器的应用

电阻应变式传感器有以下两种应用方式：直接用来测定结构的应变和应力。

将应变片粘贴于弹性元件上，作为力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。

电阻应变式传感器电阻应变传感器的应用特性：属于接触式测量。电阻应变计测量时必须粘贴在试件或弹性元件上才能工作，因此粘贴剂和粘贴技术对测量结果有着直接影响。一般适用于中、低频率范围。温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。电阻应变式传感器的应用实例电阻应变式传感器的应用实例

——电子秤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。

2024/6/2829热电阻传感器热电传感器利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测。热电阻传感器是热电传感器的一种，能将温度变化转换为电阻变化的热电传感器。将温度变化转换为热电势变化的热电传感器称为热电偶传感器。（将在电量型传感器中介绍）材料不同可分为金属热电阻式（简称热电阻）和半导体热电阻式（简称热敏电阻）两大类。2024/6/2830热电阻传感器(1)

金属热电阻传感器多数金属导体的电阻率随着温度升高而增大，具有正的温度系数——热电阻测温的基础。常见的热电阻材料是铂和铜，并已做成标准测温热电阻。铂热电阻及其特性铂电阻温度计的使用范围是-200℃～850℃：

2024/6/2831热电阻传感器铂热电阻及其特性特点是精度高、稳定性好、性能可靠。铂电阻主要作为标准电阻温度计使用，也常被用温度的基准、标准的传递。但价格昂贵。

铜热电阻及其特性-200℃～0℃温度范围内，铜电阻的阻值与温度之间的关系为：铜容易提纯，价格便宜，在-50℃~150℃范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出-输入特性接近线性关系。不足是测量精度较铂电阻稍低、电阻率小。2024/6/2832热电阻传感器(2)

半导体热敏电阻传感器（热敏电阻）利用半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性。

热敏电阻按电阻值随温度变化的特性可分为三种类型：正温度系数(PTC)04080120160200100102104106温度/℃电阻/Ω负温度系数(NTC)正温度系数(PTC)临界温度系数(CTR)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)PTC型主要用于过热保护，定温控制，或作限流元件使用。NTC型具有很高的负温度系数和较大的温度敏感范围，既可用作温度测量，也可作温控器件。CTR型热敏电阻具有开关特性，因而主要用作温控开关。在温度测量中，主要采用NTC和PTC型热敏电阻，其中NTC型热敏电阻应用最普遍。

热敏电阻与金属热电阻比较的特点：电阻温度系数大，灵敏度高，约为热电阻的10倍；结构简单，体积小，可以测量点温度；电阻率高，热惯性小，适宜动态测量；电阻值与温度变化呈非线性关系，需进行线性化处理；稳定性与互换性差。2024/6/2833电阻输出型半导体传感器利用半导体材料的各种物理效应可以把一些物理量、化学量和生物量的变化转换为便于处理的电信号，从而制成各种半导体式传感器。半导体传感器都是物性型传感器。下面介绍几种典型的电阻输出型半导体传感器：扩散硅压阻式传感器磁敏电阻电阻型气敏器件湿敏电阻2024/6/2834电阻输出型半导体传感器扩散硅压阻式传感器利用半导体工艺中的扩散技术，将敏感元件（半导体应变片）和应变材料（基底）合二为一，制成扩散型压阻式传感器。这类传感器的应变电阻与基底是同一块材料，通常是半导体硅，因此统称为扩散硅压阻式传感器。扩散硅压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。2024/6/2835电阻输出型半导体传感器扩散硅压阻式传感器扩散硅压阻式传感器是典型的物性型传感器。压阻式传感器与半导体应变片的异同点：相同点：都是基于半导体材料的压阻效应，都属于物性型传感器。不同点：安装方式不同：半导体应变片通过粘贴的方式将灵敏栅贴于被测试件（弹性体），因此其高频特性较差，不适于高频的动态检测；压阻传感器是通过扩散技术将灵敏栅和弹性体融为一体。这种传感器灵敏度、分辨力高，因无需胶接，因此其动态性能较半导体应变片大大改善，可用于加速度和振动检测。应用：用于静、动态压力测量，或可以转化为压力监测的其他物理量的测量。2024/6/2836电阻输出型半导体传感器磁敏电阻磁敏电阻是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。

磁阻效应：将一载流导体置于外磁场中，其电阻值随磁场而变化的现象称为“磁敏电阻效应”，简称“磁阻效应”。

2024/6/2837电阻输出型半导体传感器磁敏电阻磁阻效应与材料性质、几何形状有关。若考虑形状的影响，其长宽比(L/b)越小，则磁阻效应也越明显。

圆盘形磁敏电阻的磁敏效应最强，圆盘的中间和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫做科尔比诺圆盘，这时的效应叫做科尔比诺效应。磁敏电阻可以探测各种磁场外，还可制成各种位移检测器、角度检测器、功率计、安培计、交流放大器和振荡器等。

2024/6/2838电阻输出型半导体传感器电阻型气敏器件气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。按照半导体变化的物理特征，可分为电阻型和非非电阻型两类半导体气敏传感器。电阻型气敏传感器是利用敏感元件吸附气体后电阻值随着被测气体的浓度改变来检测气体的浓度或成分。结构：半导体式气敏元件一般由敏感元件、加热器和外壳三部分组成。

分类：按其结构可分成烧结型、薄膜型和厚膜型三类。图3.15

半导体式传感器的器件结构(a)烧结型电极氧化物半导体加热器玻璃（尺寸约1mm，也有全为半导体的）(b)薄膜型3mm0.5mm0.6mm加热器3mm绝缘基片电极(c)厚膜型7330.5（单位mm）样品Pt电极氧化铝基片器件加热用的加热器（印制厚膜电阻）应用：防灾报警，如液化石油气、天然气、城市煤气、煤矿瓦斯以及有毒气体等的报警器；也可用于大气污染监测；以及在医疗上用于对O2、CO等气体的测量；生活中则用于空调机、烹调装置、酒精浓度探测等。2024/6/2839电阻输出型半导体传感器湿敏电阻湿度是指大气中所含水蒸气量。湿度有三种描述方法：绝对湿度（kg/m3

）、相对湿度（%RH

）和露点（℃）。

氯化锂湿敏电阻

利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成。阻值随环境相对湿度的改变而变，实现对湿度的测量。半导瓷湿敏电阻半导瓷材料主要是不同类型的金属氧化物，按其电阻率随湿度的增加是增大或降低，可分为正特性湿敏半导瓷和负特性湿敏半导瓷两大类。典型半导瓷湿敏电阻有烧结型湿敏电阻和涂覆膜型Fe3O4湿敏器件。

小结电阻式传感器电阻应变式（应变电阻效应）金属应变片半导体应变片热电阻金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）电阻输出型半导体传感器（热敏、光敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏）压阻式传感器（压阻效应）磁敏电阻（磁电阻效应）气敏电阻湿敏电阻思考题传感器的定义及组成如何？电参量型传感器有哪些？电阻型传感器有哪些？电阻应变式传感器的原理及应用？（1）电子秤使用的测力装置是什么？

它是由什么元件组成的？（2）简述力传感器的工作原理。（3）应变片能够把什么力学量转化为什么电学量？一、力传感器的应用——电子秤装置:力传感器组成:金属梁和应变片

工作原理:两个应变片的形变引起电阻变化，致使两个应变片的电压差变化

形变（力学量）电压（电学量）转换金属梁U1U2金属梁应变片二、温度传感器的应用——电熨斗铜的膨胀系数大于铁作用：控制电路的通断思考：双金属片温度传感器的作用是什么？双金属片温度传感器电熨斗中的双金属片工作原理熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？根据衣物的不同，调节调温旋钮，使升降螺丝上下移动，带动弹性铜片的升降，从而改变了两触点接触的难易程度，实现控制温度不同的目的。电熨斗中的双金属片工作原理根据热胀冷缩，利用两种金属的膨胀性能的不同，常温下两触点接触，电路连通，电热丝加热。升温后双金属片形状发生变化，上层比下层膨胀大，双金属片向下弯曲，两触点处于分离，电路断开，电热丝停止加热。这样不断循环，实现自动控制温度的目的。常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？双金属片温度传感器在电熨斗中的应用电烫斗的构造：思考与讨论：①常温下，上、下触点应是接触的还是分离的？当温度过高时，双金属片将怎样起作用？②熨烫棉麻衣物和熨烫丝绸衣物需要设定不同的温度，这是如何使用调温旋钮来实现的？1、电饭锅中的温度传感器：主要元件是感温铁氧体2、感温铁氧体是用氧化锰MnO2、氧化锌ZnO和氧化铁Fe2O3粉末混合烧结而成，特点是常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引；升温后，约达103℃

(称为居里温度或居里点)时，就会失去磁性，不能被磁体吸引。3、电饭锅的结构：三、温度传感器的应用——电饭锅思考与讨论(1)开始煮饭