模塊2電阻式傳感器本模塊學習的主要內容：1、電阻應變式傳感器3、熱電阻傳感器4、熱敏電阻傳感器5、氣敏電阻傳感器6、濕敏電阻傳感器2、電位器式傳感器單元1電阻應變式傳感器彈性敏感元件（或試件）電阻應變式傳感器是一種電阻傳感器。→電阻應變片→測量轉換電路材料應變的測量一、應變效應導體或半導體材料受力→機械變形→電阻值發(fā)生變化由電工學知，有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，阻值為:（2-1）

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。實驗證明K—靈敏度，其中金屬在2～3.6；半導體在100上下。應變片原理動畫演示（2-2）二、應變片的結構類型與粘貼金屬應變片半導體應變片金屬絲式箔式薄膜式1．應變片的結構類型l－稱應變片的標距或工作基長B－稱應變片的工作寬度b×l－稱應變片的規(guī)格（1）金屬絲式應變片電阻絲應變片結構示意圖1－引線；2、3－基底；4－敏感元件（2）金屬箔式應變片

通過光刻、腐蝕而成

散熱條件好

電流密度、靈敏度高

可制任意形狀。箔式應變片結構及實物圖（3）金屬薄膜式應變片

真空蒸鍍技術制成，在薄的絕緣基片上蒸鍍金屬材料薄膜，最后加保護層形成。硅薄膜式測風傳感器實物圖或者：根據(jù)半導體硅制成的薄膜在受應變時其電阻改變的原理制作并封裝后形成的相應物理量的薄膜式應變電阻傳感器。（4）半導體應變片半導體應變片外形應變片主要性能指標一覽表參數(shù)名稱電阻Ω靈敏度電阻溫度系數(shù)1/0C極限工作溫度0C最大工作電流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應變片粘貼過程動畫演示2．應變片的粘貼①應變片的檢查與選擇步驟：②試件的表面處理③底層處理④貼片⑤固化⑥粘貼質量檢查⑦引線焊接與組橋連線應變片的粘貼位置1.橋式電路得三、測量轉換電路（2-3）

為了使電橋在測量前的輸出為零，應該選擇四個橋臂電阻使或，通常情況下<<，電橋負載電阻為無限大時，電橋輸出電壓可近似用下式表示：

通常采用全等臂形式工作，即初始值R1=R2=R3=R4。這樣上式可變?yōu)?/p>

當各橋臂應變片的靈敏度K都相同時，應變片的應變?yōu)棣偶跋聵耍?-4）（2-5）（2-6）2.電橋分類電壓源電流源按電源分類單臂橋

半橋

按工作橋臂分類全橋

第一類差動橋

第二類差動橋對臂橋交流直流交流直流（1）單臂電橋

此時有R1=R0+ΔR1

，R2=R3=R4

=R0，代入式（2-6）可得：3.電橋特性分析（2-7）（2）半橋

①第一類差動橋此時R1=R0+ΔR1

，R2=R0+ΔR2

，R3=R4

=R0，ΔR1

=-ΔR2=ΔR（2-8）②第二類差動橋此時有R1=R0+ΔR1

，R4=R0

+

ΔR4

，R2=R3=R0【思考】此時電橋靈敏度和非線性誤差如何？取ΔR1=－ΔR4=ΔR

③對臂差動橋此時有R1=R0+ΔR1

，R3=R0

+ΔR3

，R2=R4=R0取ΔR1=ΔR3=ΔR

【思考】此時電橋靈敏度和非線性誤差又如何？（3）全橋

此時R1=R3=R0+ΔR，R2=R4=R0－ΔR

，各類電橋性能比較表電橋類型靈敏度非線性誤差各橋臂典型電阻值單臂橋UI

/4R1=R0+△RR2=R3=R4=R0半橋第一差動橋UI

/20R1=R0+△R，R2=R0－△RR3=R4=R0第二差動橋UI

/2R1=R0+△R，R4=R0－△RR2=R3=R0對臂橋UI

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

當采用交流電作為橋路電源時，由于應變片引線電纜分布電容的不一致性導致電橋不平衡。所以還需增設RP2及C1來平衡電容的容抗，這稱為交流平衡或電容平衡。4、電橋的調零

調節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3，電橋趨于平衡，實現(xiàn)調零。圖中的R5是用于減小調節(jié)范圍的限流電阻。電橋調零原理電路圖四、溫度補償1．補償塊補償法補償塊溫度補償示意圖1—試件2—補償塊ΔR1ε—試件受力后應變片R1產生的電阻增量；ΔR1t、ΔR2t—由溫度變化引起的R1、R2的電阻增量。試件與補償塊必須同質同溫（2-9）全橋電路同樣能克服溫漂。2．橋路自補償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：

以第一類差動橋為例形式：電阻應變式傳感器主要包括：彈性敏感元件、應變片和測量電路，其形式可分為兩大類：第一類，粘貼式第二類，非粘貼式

用途：①測力②測壓力③測加速度④測扭矩⑤測位移五、電阻應變式傳感器的應用1．形式與用途應變片

測力動畫演示（1）力和扭矩的測量2．應用舉例粘貼式應變片力和扭矩傳感器簡圖懸臂梁稱重動畫演示各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2

R4汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)電子天平人體秤應變式數(shù)顯扭矩扳手

用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。（2）壓力的測量組合式壓力傳感器示意圖組合式壓力傳感器壓力測量動畫演示筒式壓力傳感器1－工作應變片2－補償應變片小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器p1進氣管p2進氣管固態(tài)壓力傳感器（3）加速度的測量加速度測量動畫演示加速度傳感器示意圖1－應變片2－基座3－質量塊4－懸梁臂六、信號調制與解調及電阻應變式傳感器的應用案例1.信號調制的概念信號調制調制解調：從已被放大和傳輸?shù)模矣性瓉硇盘栃畔⒌母哳l信號中，把原來信號取出的過程調幅AM：高頻振蕩的幅度受緩變信號控制。調頻FM：高頻振蕩的頻率受緩變信號控制。調相PM：高頻振蕩的相位受緩變信號控制。調幅AM原理動畫演示調頻FM原理動畫演示調相PM原理動畫演示

控制高頻振蕩的緩變信號稱為調制信號；載送緩變信號的高頻振蕩信號稱為載波；已被緩變信號調制的高頻振蕩稱為調制波，調制波相應地有調幅波，調頻波和調相波三種，常見的是調幅和調頻兩種。Y6D-3型動態(tài)應變儀調制過程各環(huán)節(jié)的波形

2.電阻應變式傳感器應用案例

由于電位器式傳感器具有結構簡單、輸出信號大、使用方便、價格低廉、測量位移范圍適中、測量精度尚可、動態(tài)響應一般等特點，因而被大量的用于普通機械、注塑機等行程測量與控制中。單元2電位器式傳感器一、電位器式傳感器的工作原理空載特性空載電壓（2-11）U0與x的非線性關系完全是由負載電阻RL的接入而引起的。二、電位器式傳感器的應用場合

電位器式傳感器常常應用在注塑機、壓鑄機、吹瓶機、制鞋機、木工機械、印刷機械、包裝機械、紙品機械、機械手、飛機操舵、船舶操舵、IT設備等自動化控制領域。一般此類傳感器行程從10mm至2500mm。

根據(jù)使用場合電位器式傳感器可分為：（1）KTC是一般通用型，適合各類型設備的位置檢測，如：注塑機、壓鑄機、橡膠機、鞋機、木工機械、液壓機械等。（2）KTF是通用型的安裝小型化，特別適應減少機械長度方向的安裝尺寸，適合于較大行程的應用，如：大型注塑機合模行程、橡膠機合模行程、木工機械、液壓機械等。

（3）KPC是兩端帶絞接安裝方式，適用于較大機械行程且有擺動的位置檢測，對安裝的對中性無任何要求，如：機器人、陶瓷機械、木工機械等。

（4）KPM是微型絞接式結構，適合于較小機械行程且有擺動的位置檢測，如：機器人、陶瓷機械、水閘控制、木工機械、液壓機械等。

（5）KTM是微型拉桿系列，特別適合空間狹小的應用場合，如：飛機操舵、船舶操舵、制鞋機械等。

（6）KTR是微型自恢復式，特別適合空間狹小安裝不便的場合，如：真空吹瓶機、IT設備、張力調節(jié)、速度調節(jié)、印刷機械、紙品包裝機械等。

（7）KFM是微型滑塊式，是最小尺寸的最小型化結構，特別適合安裝空間狹小、不便于對中的場合，如：醫(yī)療設備、大廈自動門、列車自動門、輕工設備等。三、電位器式傳感器的應用案例1.電子油門控制系統(tǒng)主要由油門踏板、踏板電位器角位移傳感器、ECU（電控單元）、數(shù)據(jù)總線、伺服電動機、節(jié)氣門執(zhí)行機構組成。位移傳感器安裝在油門踏板內部，隨時檢測油門踏板的位置。當檢測到油門踏板高度位置有變化時，會瞬間將此信息送往ECU，ECU對信息進行運算處理，產生控制信號，通過伺服電動機驅動節(jié)氣門執(zhí)行機構。通過ECU來調整節(jié)氣門，電子油門系統(tǒng)可以設置各種功能來改善駕駛的安全性、舒適性、油耗及尾氣排放質量。電子油門控制系統(tǒng)2.電位器式壓力傳感器線繞電位器式壓力傳感器是利用彈性元件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點的移動，從而引起輸出電壓或電流相應的變化。YCD-150型遠程壓力傳感器原理圖1-電位器；2-電刷；3-輸出端子

右圖所示由一個彈簧管和線繞電位器組成。被測壓力變化時，彈簧管自由端移動，通過傳動機構，帶動壓力表指針轉動和電刷在線繞電位器上滑動，從而將被測壓力值轉換為電阻變化，輸出與被測壓力成正比的電壓信號。（1）YCD-150型遠程壓力表膜盒電位器式壓力傳感器原理圖1-杠桿；2-電位器；3-膜盒

右圖所示為另一種繞線電位器式壓力傳感器的工作原理。彈性敏感元件膜盒的內腔，通入被測流體壓力，在此壓力作用下，膜盒產生位移，推動連桿上移，使曲柄軸帶動電刷在電位器電阻絲上滑動，同樣輸出一個與被測壓力成正比的電壓信號。（2）膜盒電位器式壓力傳感器單元3熱電阻傳感器熱電阻傳感器主要用于對溫度或和溫度有關的參量進行檢測。在工業(yè)上被廣泛用來測量-200℃～+500℃范圍內的溫度。金屬熱電阻（熱電阻）半導體熱電阻（熱敏電阻）按性質分類

本單元介紹金屬熱電阻，熱敏電阻將在下一單元中介紹。一、熱電阻的測溫原理絕大部分金屬熱電阻阻值是隨溫度升高而增大的。【例】取一只100W/220V

燈泡，計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484

，而用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆。

熱電阻是利用金屬材料電阻隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度的。

1．熱電阻的材料

要求有大的、穩(wěn)定的溫度系數(shù)，線性好，性能穩(wěn)定，便于生產。如銅、鉑、鎳。材料鉑（WZP）銅（WZC）使用溫度范圍(oC)-200～＋960-50～+150電阻率(Ω·m×10-6)0.0981～0.1060.0170℃～100℃間電阻溫度系數(shù)平均值(1/℃)0.00392～0.003980.00425～0.00428化學穩(wěn)定性在氧化性介質中較穩(wěn)定，不能在還原性介質中使用，尤其在高溫下超過100℃易氧化特性特性近于線性、性能穩(wěn)定，精度高線性較好，價格低廉應用可作標準測溫裝置適于測量低溫、無水分、無侵蝕性介質的溫度熱電阻的主要技術性能對照表2．熱電阻的特點：▽測溫精度較高，▽范圍廣（－200～6000C），▽穩(wěn)定性、重復性好，▽熱慣性大，靈敏度低。（1）公式法3．熱電阻的計算方法①銅電阻適用范圍：－50～1500C，精度要求不高的場合。其中α＝４.25～４.28×10-3/0C阻值與溫度的函數(shù)關系為:②鉑電阻純度以R100/R0來表示，國際標準R100/R0≥1.3925

（99.995%），其阻值與溫度的函數(shù)關系為:其中：A,B,C

為常數(shù)（2）查表法鉑熱電阻分度表小型鉑熱電阻

4．各類熱電阻防爆型鉑熱電阻

汽車用水溫傳感器銅熱電阻可設定溫度的溫度控制箱旋轉式機械設定開關撥碼式設定開關二、熱電阻的接線方式工業(yè)用熱電阻安裝生產現(xiàn)場與控制室之間存在一定的距離，由于測溫的金屬熱電阻本身阻值很小，因此熱電阻的引線電阻對測量結果會有較大的影響。熱電阻的接線方式二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導線來引出電阻信號。三線制：在熱電阻的根部一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式。四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導線。1.二線制接線方式

由于連接導線必然存在引線電阻，其大小與導線材質和長度等因素有關，該方式只適用于引線很短或測量精度較低的場合。2.三線制接線方式

如右圖這種方式與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。其中

為引線電阻3.四線制接線方式這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于引線較長的高精度溫度檢測。三、熱電阻溫度變送器模塊

將被測溫度經熱電阻轉換為電阻信號，再由熱電阻溫度變送器模塊將其轉換為直流標準電流輸出信號。熱電阻溫度變送模塊有Pt100，Pt1000，Cu50，Cu100溫度傳感器配套的4～20mA直流輸出模塊或0～5V電壓輸出型模塊。溫度變送器安裝示意圖熱電阻溫度變送器模塊四、熱電阻傳感器的應用案例——火藥燃燒氣體溫度的測量溫度傳感器選用Pt100熱電阻。為防止燃燒氣體損壞傳感器，傳感器應予以良好的固定并距氣體噴口有一定的距離。傳感器測試前應進行標定。由振子示波器測得的燃燒氣體的溫度曲線。燃燒氣體溫度曲線燃燒氣體溫度測量原理單元4熱敏電阻傳感器熱敏電阻是利用半導體電阻與溫度存在著某種關系的一種新型半導體測溫元件。通常環(huán)境溫度檢測、體溫檢測許多場合等均用熱敏電阻進行測量的。（a）電子體溫計（b）紅外線額溫槍c）紅外線耳溫槍（d）醫(yī)用紅外熱像儀醫(yī)療領域中應用的體溫計及熱成像儀

熱敏電阻主要具有以下特點：①靈敏度較高，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃；③體積小；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。一、熱敏電阻的基本特點二、熱敏電阻的分類

熱敏電阻可按電阻的溫度特性、結構、形狀、用途、材料及測量溫度范圍等進行分類。1.按溫度特性分NTC：具有負溫度系數(shù)，阻值隨溫度升高而下降，一般－50～300℃；PTC：具有正溫度系數(shù)，阻值隨溫度升高而升高；CTR：具有臨界溫度系數(shù)，溫度變化具有突變性。是一種具有開關特性的負溫度系數(shù)熱敏電阻。各種熱敏電阻的典型特性2.按工作溫度范圍分類常溫熱敏電阻（-55～+315℃）；高溫熱敏電阻（>315℃）；低溫熱敏電阻（<315℃）三類。3.按外形結構形式分類熱敏電阻按外形結構形式可分為體型、薄膜型、厚薄型三種。熱敏電阻可根據(jù)使用要求封裝加工成各種形狀的探頭，如珠狀、片狀及桿狀、錐狀、針狀等。熱敏電阻的結構外形及符號1-熱敏電阻；2-玻璃外殼；3-引出線熱敏電阻的外形、結構及符號

聚脂塑料封裝熱敏電阻實物圖玻璃封裝NTC熱敏電阻實物圖帶安裝孔的熱敏電阻實物圖大功率PTC熱敏電阻實物圖4.其他分類熱敏電阻還可按工作方式分為直熱式、旁熱式、延遲電路三種；按使用的材料分為陶瓷、塑料：金剛石、單晶、非晶熱敏電阻等。其它熱敏電阻實物圖測量儀由探針、電橋及電源組成。熱敏電阻裝在探針的頭部，由銅保護帽將被測谷物的溫度傳給熱敏電阻，為保證測量的精度，在探針的頭部還裝有絕熱套。熱敏電阻通過引線和插接件與測溫直流電橋進行電路連接。谷物溫度測量儀實物圖三、熱敏電阻的應用案例——谷物溫度測量儀谷物溫度測量儀電路谷物溫度測量儀外形結構熱敏電阻溫度面板表熱敏電阻LCD

熱敏電阻的應用場合很多，如數(shù)字溫度計、體溫表、熱水器測溫、芯片測溫等。熱敏電阻體溫表熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制熱敏電阻用于CPU的溫度測量單元5氣敏電阻傳感器功用：檢測環(huán)境氣體成分及濃度并對其進行控制和顯示的重要器件。應用領域：在環(huán)境保護、家用電器、消防和安全生產等方面。家庭用煤氣報警器一、氣敏電阻傳感器的工作原理

氣敏電阻傳感器以下簡稱氣敏電阻。主要可分為：測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。

氣體的成分、濃度等參數(shù)變化電阻發(fā)生變化轉換為電流、電壓信號↓↓氣敏電阻工作原理動畫演示所謂還原性氣體就是在化學反應中能給出電子，化學價升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體等。測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結而成的半導體器件。氣敏電阻使用時應盡量避免置于油霧、灰塵環(huán)境中，以免老化。

氣敏電阻形式繁多，可以檢測各種特定對象的氣體。氣敏電阻按被測氣體性質可分為還原性氣體傳感器和氧氣傳感器。MQN型氣敏電阻結構及測量電路1－引腳2－塑料底座3－燒結體4－不銹鋼網罩5－加熱電極6－工作電極7－加熱回路電源8－測量回路電源加熱、工作回路工作回路基本測量轉換電路NH3傳感器甲烷傳感器酒精傳感器一氧化碳檢測儀二、礦燈瓦斯報警器

瓦斯探頭由QM-N5型氣敏元件RQ及4V礦燈蓄電池等組成。RP為瓦斯報警設定電位器。當瓦斯超過某一設定點時，RP輸出信號通過二極管VD1加到VT2基極上，VT2導通，VT3、VT4開始工作，VT3、VT4組成互補式自激多諧振蕩器，使繼電器吸合與釋放，信號燈閃光報警。工作時開關S1、S2合上。1.酒精測試儀酒精測試儀可用于交通中酒駕事故認定，也可以用在其他場合檢測人體呼出氣體中的酒精含量，或使用于高危領域禁止酒后上崗的特殊作業(yè)。（a）酒精傳感器（b）酒精測試儀酒精傳感器、酒精測試儀三、氣敏電阻傳感器應用案例手持數(shù)字酒精測試儀呼氣管酒精傳感器的選擇性曲線圖2.煤氣泄漏報警器

煤氣泄漏報警器由探測器與報警控制主機構成，用以檢測室內外危險場所的泄漏情況。當被測場所存在可燃性氣體時，探測器將氣信號轉換成電壓信號或電流信號傳送到報警儀表，儀器顯示出有可燃性氣體爆炸下限的百分比濃度值。當有可燃性氣體濃度超過報警設定值時，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報警信號或執(zhí)行關閉燃氣閥門等動作。煤氣泄漏報警器控制器與探測器連接示意圖家庭用液化氣泄露報警器

探測可燃性氣體的敏感元件主要有：氧化物半導體型；催化燃燒型；熱線型氣體傳感器

還有少量的其他類型，如化學電池類傳感器。單元6濕敏電阻傳感器人們都有體會，在夏季的梅雨季節(jié)空氣濕度大，抑制人體散熱，人感覺悶熱和煩躁。在秋冬季空氣干燥，人感覺口干舌燥、易上火，甚至產生咽喉腫痛、鼻出血等現(xiàn)象。相對濕度是日常生活中常用來表示濕度大小的方法。當相對濕度達100%時，稱飽和狀態(tài)。濕度絕對濕度：指大氣中水汽的密度，即每一立方米大氣中所含水汽的質量（克數(shù)）相對濕度：大氣中實有水汽壓與當時溫度下飽和水汽壓的百分比一、濕敏電阻及濕度檢測原理1.濕度檢測方法（1）傳統(tǒng)濕度測量方法與儀器①干濕球法：利用干濕球溫度之差與環(huán)境空氣的相對濕度之間的關系，達到測量相對濕度的目的。②伸縮法：利用毛發(fā)等材料的長度與相對濕度變化的關系來測量相對濕度。

另外還有重量法、冷凝露點法和氯化鋰露點法。干濕球濕度計毛發(fā)濕度計露點濕度計（2）現(xiàn)代濕度測量方法與傳感器①電容法：是利用濕敏元件的電容值隨環(huán)境濕度變化的特性進行濕度測量的。②電阻法：是利用濕敏元件的電阻值和電阻率隨環(huán)境濕度變化的特性進行濕度測量的。

另外還有重量型諧振法、光學法和微波法。微波濕度計電阻法濕度計電容法濕度計濕敏電阻外形圖濕敏電阻工作過程：水分子極易吸附于固體表面→滲透到固體內部→半導體的電阻值降低可以利用多孔陶瓷、三氧化二鋁等吸濕材料制作濕敏電阻。2.陶瓷濕敏電阻的工作原理陶瓷濕敏電阻傳感器的核心部分是用鉻酸鎂－氧化鈦（MgCr2O4－TiO2）等金屬氧化物以高溫燒結工藝制成的多孔陶瓷半導體。它的氣孔率高達25％以上，孔徑1μm以下。濕度傳感器結構、外形及測量轉換電路框圖1－引線；2－多孔性電極；3－多孔陶瓷；4－加熱絲；5－底座；6－塑料外殼；7－引