模块2 电阻式传感器

模块2电阻式传感器本模块学习的主要内容：1、电阻应变式传感器3、热电阻传感器4、热敏电阻传感器5、气敏电阻传感器6、湿敏电阻传感器2、电位器式传感器单元1电阻应变式传感器弹性敏感元件（或试件）电阻应变式传感器是一种电阻传感器。→电阻应变片→测量转换电路材料应变的测量一、应变效应导体或半导体材料受力→机械变形→电阻值发生变化由电工学知，有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，阻值为:（2-1）

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。实验证明K—灵敏度，其中金属在2～3.6；半导体在100上下。应变片原理动画演示（2-2）二、应变片的结构类型与粘贴金属应变片半导体应变片金属丝式箔式薄膜式1．应变片的结构类型l－称应变片的标距或工作基长B－称应变片的工作宽度b×l－称应变片的规格（1）金属丝式应变片电阻丝应变片结构示意图1－引线；2、3－基底；4－敏感元件（2）金属箔式应变片

通过光刻、腐蚀而成

散热条件好

电流密度、灵敏度高

可制任意形状。箔式应变片结构及实物图（3）金属薄膜式应变片

真空蒸镀技术制成，在薄的绝缘基片上蒸镀金属材料薄膜，最后加保护层形成。硅薄膜式测风传感器实物图或者：根据半导体硅制成的薄膜在受应变时其电阻改变的原理制作并封装后形成的相应物理量的薄膜式应变电阻传感器。（4）半导体应变片半导体应变片外形应变片主要性能指标一览表参数名称电阻Ω灵敏度电阻温度系数1/0C极限工作温度0C最大工作电流mAPZ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020PJ-120型1201.9～2.120×10-6-10～4020BX-200型2001.9～2.2—-30～6025BA-120型1201.9～2.2—-30～20025BB-350型3501.9～2.2—-30～17025PBD-1K型1000±10%140±5%<0.4%<6015PBD-120型120±10%120±5%<0.2%<6025应变片粘贴过程动画演示2．应变片的粘贴①应变片的检查与选择步骤：②试件的表面处理③底层处理④贴片⑤固化⑥粘贴质量检查⑦引线焊接与组桥连线应变片的粘贴位置1.桥式电路得三、测量转换电路（2-3）

为了使电桥在测量前的输出为零，应该选择四个桥臂电阻使或，通常情况下<<，电桥负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似用下式表示：

通常采用全等臂形式工作，即初始值R1=R2=R3=R4。这样上式可变为

当各桥臂应变片的灵敏度K都相同时，应变片的应变为ε及下标（2-4）（2-5）（2-6）2.电桥分类电压源电流源按电源分类单臂桥

半桥

按工作桥臂分类全桥

第一类差动桥

第二类差动桥对臂桥交流直流交流直流（1）单臂电桥

此时有R1=R0+ΔR1

，R2=R3=R4

=R0，代入式（2-6）可得：3.电桥特性分析（2-7）（2）半桥

①第一类差动桥此时R1=R0+ΔR1

，R2=R0+ΔR2

，R3=R4

=R0，ΔR1

=-ΔR2=ΔR（2-8）②第二类差动桥此时有R1=R0+ΔR1

，R4=R0

+

ΔR4

，R2=R3=R0【思考】此时电桥灵敏度和非线性误差如何？取ΔR1=－ΔR4=ΔR

③对臂差动桥此时有R1=R0+ΔR1

，R3=R0

+ΔR3

，R2=R4=R0取ΔR1=ΔR3=ΔR

【思考】此时电桥灵敏度和非线性误差又如何？（3）全桥

此时R1=R3=R0+ΔR，R2=R4=R0－ΔR

，各类电桥性能比较表电桥类型灵敏度非线性误差各桥臂典型电阻值单臂桥UI

/4R1=R0+△RR2=R3=R4=R0半桥第一差动桥UI

/20R1=R0+△R，R2=R0－△RR3=R4=R0第二差动桥UI

/2R1=R0+△R，R4=R0－△RR2=R3=R0对臂桥UI

/2R1=R3=R0+△RR2=R4=R0全桥UI0R1=R3=R0+△RR2=R4=R0－△R

当采用交流电作为桥路电源时，由于应变片引线电缆分布电容的不一致性导致电桥不平衡。所以还需增设RP2及C1来平衡电容的容抗，这称为交流平衡或电容平衡。4、电桥的调零

调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3，电桥趋于平衡，实现调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。电桥调零原理电路图四、温度补偿1．补偿块补偿法补偿块温度补偿示意图1—试件2—补偿块ΔR1ε—试件受力后应变片R1产生的电阻增量；ΔR1t、ΔR2t—由温度变化引起的R1、R2的电阻增量。试件与补偿块必须同质同温（2-9）全桥电路同样能克服温漂。2．桥路自补偿R1=R0+ΔR1+ΔRt

，R2=R0+ΔR2+ΔRt

，R3=R4=R0，ΔR3=ΔR4=0而ΔR1=-ΔR2=ΔR代入式（2-5）可得：

以第一类差动桥为例形式：电阻应变式传感器主要包括：弹性敏感元件、应变片和测量电路，其形式可分为两大类：第一类，粘贴式第二类，非粘贴式

用途：①测力②测压力③测加速度④测扭矩⑤测位移五、电阻应变式传感器的应用1．形式与用途应变片

测力动画演示（1）力和扭矩的测量2．应用举例粘贴式应变片力和扭矩传感器简图悬臂梁称重动画演示各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2

R4汽车衡汽车衡称重系统电子天平人体秤应变式数显扭矩扳手

用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。（2）压力的测量组合式压力传感器示意图组合式压力传感器压力测量动画演示筒式压力传感器1－工作应变片2－补偿应变片小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器（3）加速度的测量加速度测量动画演示加速度传感器示意图1－应变片2－基座3－质量块4－悬梁臂六、信号调制与解调及电阻应变式传感器的应用案例1.信号调制的概念信号调制调制解调：从已被放大和传输的，且有原来信号信息的高频信号中，把原来信号取出的过程调幅AM：高频振荡的幅度受缓变信号控制。调频FM：高频振荡的频率受缓变信号控制。调相PM：高频振荡的相位受缓变信号控制。调幅AM原理动画演示调频FM原理动画演示调相PM原理动画演示

控制高频振荡的缓变信号称为调制信号；载送缓变信号的高频振荡信号称为载波；已被缓变信号调制的高频振荡称为调制波，调制波相应地有调幅波，调频波和调相波三种，常见的是调幅和调频两种。Y6D-3型动态应变仪调制过程各环节的波形

2.电阻应变式传感器应用案例

由于电位器式传感器具有结构简单、输出信号大、使用方便、价格低廉、测量位移范围适中、测量精度尚可、动态响应一般等特点，因而被大量的用于普通机械、注塑机等行程测量与控制中。单元2电位器式传感器一、电位器式传感器的工作原理空载特性空载电压（2-11）U0与x的非线性关系完全是由负载电阻RL的接入而引起的。二、电位器式传感器的应用场合

电位器式传感器常常应用在注塑机、压铸机、吹瓶机、制鞋机、木工机械、印刷机械、包装机械、纸品机械、机械手、飞机操舵、船舶操舵、IT设备等自动化控制领域。一般此类传感器行程从10mm至2500mm。

根据使用场合电位器式传感器可分为：（1）KTC是一般通用型，适合各类型设备的位置检测，如：注塑机、压铸机、橡胶机、鞋机、木工机械、液压机械等。（2）KTF是通用型的安装小型化，特别适应减少机械长度方向的安装尺寸，适合于较大行程的应用，如：大型注塑机合模行程、橡胶机合模行程、木工机械、液压机械等。

（3）KPC是两端带绞接安装方式，适用于较大机械行程且有摆动的位置检测，对安装的对中性无任何要求，如：机器人、陶瓷机械、木工机械等。

（4）KPM是微型绞接式结构，适合于较小机械行程且有摆动的位置检测，如：机器人、陶瓷机械、水闸控制、木工机械、液压机械等。

（5）KTM是微型拉杆系列，特别适合空间狭小的应用场合，如：飞机操舵、船舶操舵、制鞋机械等。

（6）KTR是微型自恢复式，特别适合空间狭小安装不便的场合，如：真空吹瓶机、IT设备、张力调节、速度调节、印刷机械、纸品包装机械等。

（7）KFM是微型滑块式，是最小尺寸的最小型化结构，特别适合安装空间狭小、不便于对中的场合，如：医疗设备、大厦自动门、列车自动门、轻工设备等。三、电位器式传感器的应用案例1.电子油门控制系统主要由油门踏板、踏板电位器角位移传感器、ECU（电控单元）、数据总线、伺服电动机、节气门执行机构组成。位移传感器安装在油门踏板内部，随时检测油门踏板的位置。当检测到油门踏板高度位置有变化时，会瞬间将此信息送往ECU，ECU对信息进行运算处理，产生控制信号，通过伺服电动机驱动节气门执行机构。通过ECU来调整节气门，电子油门系统可以设置各种功能来改善驾驶的安全性、舒适性、油耗及尾气排放质量。电子油门控制系统2.电位器式压力传感器线绕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）把被测的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的变化。YCD-150型远程压力传感器原理图1-电位器；2-电刷；3-输出端子

右图所示由一个弹簧管和线绕电位器组成。被测压力变化时，弹簧管自由端移动，通过传动机构，带动压力表指针转动和电刷在线绕电位器上滑动，从而将被测压力值转换为电阻变化，输出与被测压力成正比的电压信号。（1）YCD-150型远程压力表膜盒电位器式压力传感器原理图1-杠杆；2-电位器；3-膜盒

右图所示为另一种绕线电位器式压力传感器的工作原理。弹性敏感元件膜盒的内腔，通入被测流体压力，在此压力作用下，膜盒产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，同样输出一个与被测压力成正比的电压信号。（2）膜盒电位器式压力传感器单元3热电阻传感器热电阻传感器主要用于对温度或和温度有关的参量进行检测。在工业上被广泛用来测量-200℃～+500℃范围内的温度。金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）按性质分类

本单元介绍金属热电阻，热敏电阻将在下一单元中介绍。一、热电阻的测温原理绝大部分金属热电阻阻值是随温度升高而增大的。【例】取一只100W/220V

灯泡，计算得到的额定热态电阻值应为484

，而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。

热电阻是利用金属材料电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。

1．热电阻的材料

要求有大的、稳定的温度系数，线性好，性能稳定，便于生产。如铜、铂、镍。材料铂（WZP）铜（WZC）使用温度范围(oC)-200～＋960-50～+150电阻率(Ω·m×10-6)0.0981～0.1060.0170℃～100℃间电阻温度系数平均值(1/℃)0.00392～0.003980.00425～0.00428化学稳定性在氧化性介质中较稳定，不能在还原性介质中使用，尤其在高温下超过100℃易氧化特性特性近于线性、性能稳定，精度高线性较好，价格低廉应用可作标准测温装置适于测量低温、无水分、无侵蚀性介质的温度热电阻的主要技术性能对照表2．热电阻的特点：▽测温精度较高，▽范围广（－200～6000C），▽稳定性、重复性好，▽热惯性大，灵敏度低。（1）公式法3．热电阻的计算方法①铜电阻适用范围：－50～1500C，精度要求不高的场合。其中α＝４.25～４.28×10-3/0C阻值与温度的函数关系为:②铂电阻纯度以R100/R0来表示，国际标准R100/R0≥1.3925

（99.995%），其阻值与温度的函数关系为:其中：A,B,C

为常数（2）查表法铂热电阻分度表小型铂热电阻

4．各类热电阻防爆型铂热电阻

汽车用水温传感器铜热电阻可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码式设定开关二、热电阻的接线方式工业用热电阻安装生产现场与控制室之间存在一定的距离，由于测温的金属热电阻本身阻值很小，因此热电阻的引线电阻对测量结果会有较大的影响。热电阻的接线方式二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号。三线制：在热电阻的根部一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式。四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线。1.二线制接线方式

由于连接导线必然存在引线电阻，其大小与导线材质和长度等因素有关，该方式只适用于引线很短或测量精度较低的场合。2.三线制接线方式

如右图这种方式与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。其中

为引线电阻3.四线制接线方式这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于引线较长的高精度温度检测。三、热电阻温度变送器模块

将被测温度经热电阻转换为电阻信号，再由热电阻温度变送器模块将其转换为直流标准电流输出信号。热电阻温度变送模块有Pt100，Pt1000，Cu50，Cu100温度传感器配套的4～20mA直流输出模块或0～5V电压输出型模块。温度变送器安装示意图热电阻温度变送器模块四、热电阻传感器的应用案例——火药燃烧气体温度的测量温度传感器选用Pt100热电阻。为防止燃烧气体损坏传感器，传感器应予以良好的固定并距气体喷口有一定的距离。传感器测试前应进行标定。由振子示波器测得的燃烧气体的温度曲线。燃烧气体温度曲线燃烧气体温度测量原理单元4热敏电阻传感器热敏电阻是利用半导体电阻与温度存在着某种关系的一种新型半导体测温元件。通常环境温度检测、体温检测许多场合等均用热敏电阻进行测量的。（a）电子体温计（b）红外线额温枪c）红外线耳温枪（d）医用红外热像仪医疗领域中应用的体温计及热成像仪

热敏电阻主要具有以下特点：①灵敏度较高，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃；③体积小；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。一、热敏电阻的基本特点二、热敏电阻的分类

热敏电阻可按电阻的温度特性、结构、形状、用途、材料及测量温度范围等进行分类。1.按温度特性分NTC：具有负温度系数，阻值随温度升高而下降，一般－50～300℃；PTC：具有正温度系数，阻值随温度升高而升高；CTR：具有临界温度系数，温度变化具有突变性。是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻。各种热敏电阻的典型特性2.按工作温度范围分类常温热敏电阻（-55～+315℃）；高温热敏电阻（>315℃）；低温热敏电阻（<315℃）三类。3.按外形结构形式分类热敏电阻按外形结构形式可分为体型、薄膜型、厚薄型三种。热敏电阻可根据使用要求封装加工成各种形状的探头，如珠状、片状及杆状、锥状、针状等。热敏电阻的结构外形及符号1-热敏电阻；2-玻璃外壳；3-引出线热敏电阻的外形、结构及符号

聚脂塑料封装热敏电阻实物图玻璃封装NTC热敏电阻实物图带安装孔的热敏电阻实物图大功率PTC热敏电阻实物图4.其他分类热敏电阻还可按工作方式分为直热式、旁热式、延迟电路三种；按使用的材料分为陶瓷、塑料：金刚石、单晶、非晶热敏电阻等。其它热敏电阻实物图测量仪由探针、电桥及电源组成。热敏电阻装在探针的头部，由铜保护帽将被测谷物的温度传给热敏电阻，为保证测量的精度，在探针的头部还装有绝热套。热敏电阻通过引线和插接件与测温直流电桥进行电路连接。谷物温度测量仪实物图三、热敏电阻的应用案例——谷物温度测量仪谷物温度测量仪电路谷物温度测量仪外形结构热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD

热敏电阻的应用场合很多，如数字温度计、体温表、热水器测温、芯片测温等。热敏电阻体温表热敏电阻用于电热水器的温度控制热敏电阻用于CPU的温度测量单元5气敏电阻传感器功用：检测环境气体成分及浓度并对其进行控制和显示的重要器件。应用领域：在环境保护、家用电器、消防和安全生产等方面。家庭用煤气报警器一、气敏电阻传感器的工作原理

气敏电阻传感器以下简称气敏电阻。主要可分为：测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。

气体的成分、浓度等参数变化电阻发生变化转换为电流、电压信号↓↓气敏电阻工作原理动画演示所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。气敏电阻使用时应尽量避免置于油雾、灰尘环境中，以免老化。

气敏电阻形式繁多，可以检测各种特定对象的气体。气敏电阻按被测气体性质可分为还原性气体传感器和氧气传感器。MQN型气敏电阻结构及测量电路1－引脚2－塑料底座3－烧结体4－不锈钢网罩5－加热电极6－工作电极7－加热回路电源8－测量回路电源加热、工作回路工作回路基本测量转换电路NH3传感器甲烷传感器酒精传感器一氧化碳检测仪二、矿灯瓦斯报警器

瓦斯探头由QM-N5型气敏元件RQ及4V矿灯蓄电池等组成。RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，RP输出信号通过二极管VD1加到VT2基极上，VT2导通，VT3、VT4开始工作，VT3、VT4组成互补式自激多谐振荡器，使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。工作时开关S1、S2合上。1.酒精测试仪酒精测试仪可用于交通中酒驾事故认定，也可以用在其他场合检测人体呼出气体中的酒精含量，或使用于高危领域禁止酒后上岗的特殊作业。（a）酒精传感器（b）酒精测试仪酒精传感器、酒精测试仪三、气敏电阻传感器应用案例手持数字酒精测试仪呼气管酒精传感器的选择性曲线图2.煤气泄漏报警器

煤气泄漏报警器由探测器与报警控制主机构成，用以检测室内外危险场所的泄漏情况。当被测场所存在可燃性气体时，探测器将气信号转换成电压信号或电流信号传送到报警仪表，仪器显示出有可燃性气体爆炸下限的百分比浓度值。当有可燃性气体浓度超过报警设定值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。煤气泄漏报警器控制器与探测器连接示意图家庭用液化气泄露报警器

探测可燃性气体的敏感元件主要有：氧化物半导体型；催化燃烧型；热线型气体传感器

还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。单元6湿敏电阻传感器人们都有体会，在夏季的梅雨季节空气湿度大，抑制人体散热，人感觉闷热和烦躁。在秋冬季空气干燥，人感觉口干舌燥、易上火，甚至产生咽喉肿痛、鼻出血等现象。相对湿度是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。湿度绝对湿度：指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量（克数）相对湿度：大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比一、湿敏电阻及湿度检测原理1.湿度检测方法（1）传统湿度测量方法与仪器①干湿球法：利用干湿球温度之差与环境空气的相对湿度之间的关系，达到测量相对湿度的目的。②伸缩法：利用毛发等材料的长度与相对湿度变化的关系来测量相对湿度。

另外还有重量法、冷凝露点法和氯化锂露点法。干湿球湿度计毛发湿度计露点湿度计（2）现代湿度测量方法与传感器①电容法：是利用湿敏元件的电容值随环境湿度变化的特性进行湿度测量的。②电阻法：是利用湿敏元件的电阻值和电阻率随环境湿度变化的特性进行湿度测量的。

另外还有重量型谐振法、光学法和微波法。微波湿度计电阻法湿度计电容法湿度计湿敏电阻外形图湿敏电阻工作过程：水分子极易吸附于固体表面→渗透到固体内部→半导体的电阻值降低可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。2.陶瓷湿敏电阻的工作原理陶瓷湿敏电阻传感器的核心部分是用铬酸镁－氧化钛（MgCr2O4－TiO2）等金属氧化物以高温烧结工艺制成的多孔陶瓷半导体。它的气孔率高达25％以上，孔径1μm以下。湿度传感器结构、外形及测量转换电路框图1－引线；2－多孔性电极；3－多孔陶瓷；4－加热丝；5－底座；6－塑料外壳；7－引