传感器与检测技术第二版陈洁黄鸿电阻传感器

1、第一节 概 述 1. 1. 传感器定义传感器定义 传感器（传感器（Sensor/Transducer）是是借助于检测元件接收一种形式的信息，借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，为电信号。因而从狭义上讲，传感器传感器是把外界输入的非电信号转换成电信是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置号的装置。2. 传感器的构成 传感器一般由敏感元件与转换元件组成。被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息敏感元件(

2、Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。敏感元件转换元件 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变 应变式压力传感器结构简图3. 传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类: :(2)(2)按工作原理分类按工作原理分类: :(3)(3)按信号变换特征按信号变换特征: :(4)(4)按被测量与输出电量之间的关系按被测量与输出电量之间的关系: :(5)(5)按输出信号分按输出信号分: :位移位移, ,力力, ,温度等温度等. .电阻式、

3、电容式、磁电式等电阻式、电容式、磁电式等. .物性型物性型, ,结构型结构型. .能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .开关型（二值型）、模拟型和数字型开关型（二值型）、模拟型和数字型. .A 物性型与结构型传感器物性型: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,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型（有源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型（无源传感器）:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如

4、:电阻式、电容式、电感式.4. 传感器的基本特性1）灵敏度2）线性度3）重复性4）稳定性5）精确度6）动态特性7）环境参数电阻传感器电阻传感器-电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器 第二节 电阻式传感器 把被测量转换为电阻变化的一种传把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器感器，是一种能量控制型传感器被测信息敏感元件转换元件辅助电源信号调理电路输出信息电阻元件电阻元件传感元件为电阻元件 其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，应用广泛。1 电位器式传感器例题例题1：演示位移传感器的工作原理如右图示，物体演示位移传感器的工作原理

5、如右图示，物体M在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆在导轨上平移时，带动滑动变阻器的金属滑杆p，通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小通过电压表显示的数据，来反映物体位移的大小x。假设电压表是理想的，则下列说法正确的是假设电压表是理想的，则下列说法正确的是( )A 物体物体M运动时，电源内的电流会发生变化运动时，电源内的电流会发生变化B 物体物体M运动时，电压表的示数会发生变化运动时，电压表的示数会发生变化C 物体物体M不动时，电路中没有电流不动时，电路中没有电流D 物体物体M不动时，电压表没有示数不动时，电压表没有示数 优点：优点：结构简单、性能稳定，输出结构简单、性能稳定，输出信号

6、大信号大 缺点：缺点： 分辨力不高分辨力不高。因受到电阻丝直径的。因受到电阻丝直径的限制。限制。 噪声大噪声大。电刷和电阻元件之间接触。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、面的变动和磨损、 尘埃附着等，尘埃附着等，都会使电刷在滑动过程中的接触电都会使电刷在滑动过程中的接触电阻发生不规则变化，产生噪声。阻发生不规则变化，产生噪声。 动态响应较差动态响应较差，适合于测量变换较，适合于测量变换较慢的量。慢的量。重量设定原材料应用：重量的自动检测应用：重量的自动检测-配料设备配料设备原理原理用弹簧将力转换为位移用弹簧将力转换为位移; ;再再用变阻器将位移转换为电用变阻器将位移转换为电阻的变化阻的变化

7、煤气包储量检测煤气包钢丝原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化钢丝-收线圈数 -电位器-电阻主要优点主要优点：精度高，测量范围广、使用寿命长，性能稳定可靠、精度高，测量范围广、使用寿命长，性能稳定可靠、结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应时间约为结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应时间约为1010-7-7秒、可在各种恶劣条件下工作、应变片种类繁多，价格便宜秒、可在各种恶劣条件下工作、应变片种类繁多，价格便宜 常用的应变片可分为两类常用的应变片可分为两类: : 金属电阻应变金属电阻应变片片和和半导体电阻应变片半导体电阻应变片。其中金属应变片。其中金属应变片有有

8、丝式电阻应变片丝式电阻应变片和和箔式应变片。箔式应变片。 半导体应变片使用半导体材料制成，其工半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其电阻率作用时，其电阻率发生变化的现象。发生变化的现象。半导体应变片与金属丝式应变半导体应变片与金属丝式应变片的比较：片的比较：优点：灵敏系数高，可比金属优点：灵敏系数高，可比金属丝高丝高5080倍，频率相应范围倍，频率相应范围宽，横向效应小等。宽，横向效应小等。缺点：温度系数大，应变时非缺点：温度系数大，应变时非线

9、性比较严重，应用范围有限线性比较严重，应用范围有限。一、应变式传感器一、应变式传感器我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，两端接上一台数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应, 即在导体产生机械变形时, 它的电阻值相应发生变化。 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为 R=式中: 电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。 SL.（3 -1）应变效应应变效应SSKl

10、lKRR金属应变片由敏感栅、金属应变片由敏感栅、 基片、基片、 覆盖层和引线等部分覆盖层和引线等部分组成组成, , 如图所示如图所示 箔式应变片箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种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很薄的金属箔栅, 其厚度一般在其厚度一般在0.0030.01mm。其。其优点是散热条件好优点是散热条件好, 允许通过的电流较大允许通过的电流较大, 可制成各种可制成各种所需的形状所需的形状, 便于批量生产便于批量生产。 敏感栅是应变片的核心部分敏感栅是应变片的核心部分, , 它粘贴在绝缘它粘贴在绝缘的基片上的基片上, , 其上再粘贴起保护作用的

11、覆盖层其上再粘贴起保护作用的覆盖层, , 两两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、式、 箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一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种很薄的金属箔栅, , 其厚度一般在其厚度一般在0.0030.0030.01mm0.01mm。其优点是其优点是散热条件好散热条件好, , 允许通过的电流较大允许通过的电流较大, , 可制可制成各种所需的形状成各种所需的形状, , 便于批量生产便于批量生产。 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方薄膜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法在薄的绝缘基片上形成0.1m0.1m以下的金属电阻薄以下的金属电阻薄膜的敏感栅膜的敏感栅, , 最后再加上保护层。最后再加上保护层。悬臂梁实物悬臂梁实物 FF固定点固定点固定点固定点电缆测量电路 由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来, 同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或电流的变化。因此, 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路, 通