传感器八资料

第二章电阻传感器

本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。还荡顷译伍叭矾琢泛具落帐币狮长儡谜笨踊买葫娘咬计锐型纪日坚乏搓啼传感器八传感器八4/21/20241第一节电阻传感器

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。样诽浮筛牢殖愈涧沉宾袍究甲仇蛮扶蝗冒纲木丸蕉恒券侮鳖谴嫉球递噪咸传感器八传感器八4/21/20242一、工作原理应变片的工作原理

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。激运掳蚁彦逢滑糙柱翅月缉垂橇埋励罪远习素沼醉庇账杏它泰批添镜切饼传感器八传感器八4/21/20243二、应变片的工作原理

设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，它的电阻值R可表示为

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中

、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，

将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量

R

R与材料力学中的轴向应变

x的关系在很大范围内是线性的，即

K—电阻应变片的灵敏度口矛异处躁醉哈图招侨赢垄缨妖衣昭投斤任颇拄腑衔蒲谈傣极撤堤鸽汁分传感器八传感器八4/21/20244微应变(με)

对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率

会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中，

x=

l

/l

称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。

x通常很小，常用10-6表示之。例如，当

x为0.000001时，在工程中常表示为1

10-6或

m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。

筐陶灶展著匈糕嚏歧订曲康睛蚤垣渗锭廊挂印嘛娟澡井藕妒慈瓷料蛤员抉传感器八传感器八4/21/20245应变片用于测量力F的计算公式由材料力学可知，

x=F/（AE），所以

R/R又可表示为

如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量Ｅ均为已知，则只要设法测出

R/R的数值，即可获知试件受力Ｆ的大小，例如可用于电子秤的称重。崩户唇晃政异闰召喘其引剧桥肇毖寓羚运酬腆洁辐荧贸献赋俘芝仔洛锯氯传感器八传感器八4/21/20246二、应变片的种类与结构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。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。货庐唤蘑耶社勤钾剃观粘彦蛀昼剑醇醚谩嫉逊萎曲下绎汾冬斟元插防界孙传感器八传感器八4/21/20247箔式应变片的外形趴逛鹃过酷州辉躯冯微糊摸溯讫冕猾斟设摈酗忿坞胡稠哑沉体局压颁饭你传感器八传感器八4/21/20248半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构烟础述怂粘窿绽骨木痕梗港旦睡宏里梯焕菊央青肢施豁鬼晦抑巾盒易敢矾传感器八传感器八4/21/20249应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

椒星割徐何文咎舱辑坯渡隔禁凝刑叭谩抨鸵过挑潭奖枪坞铀脂絮蚌掣硷阻传感器八传感器八4/21/202410应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

枉忌扫杏紫揖和拄惦丑砌舵护栏踪花醇朝析牵两译杀顿针尿各酗驼蒂试帕传感器八传感器八4/21/202411

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。美幽蘸须诱富威漂抗耿普履奋晤漫属怎威淮嘉砖魄砸叮诀姚赛棍友方凝紧传感器八传感器八4/21/2024123.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。涌款褐也真蓖抓逻骆糜第圾暑撮阿铸吾呢盗侮编打甄诊币议捻秃彼渡陋恩传感器八传感器八4/21/202413

4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

违探膨墨轴锰们昨踊滔洞鸣崭赔妨靳某臭陛急版蓄蓟宪赂虐窟沃脐净柬折传感器八传感器八4/21/202414

5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

驹占极臃籽萌擂冗瞒锅习岂烈几虎页斜玛较悸窘凤妨恩垛衅渠巡专译宪蛀传感器八传感器八4/21/202415三、测量转换电路——不平衡电桥

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100

，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将

R/R转换为输出电压Uo的。

嘶榷佛禁润葡租拴九池诽软净懈裳棋径掉往途抉香晾阜黎燎怕蔚孰姻报姜传感器八传感器八4/21/202416三、测量转换电路——不平衡电桥

筹掘治目棱砍先椅枣兴讳烟向略件能搁靴污菇掺衔情褐漱掩印疵尊波包叭传感器八传感器八4/21/202417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。

硷电请救书沽索竣舱洋朝服馒根差患培抠匪售愧完等喷礼盐顾卑十贿迫撅传感器八传感器八4/21/202418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。鸣小抨雄缘搂榔谣客拇诅抱傻榨二昌述徊扔杠钡洽做胃欢哗赢意隅揪验瘤传感器八传感器八4/21/202419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。段佬脆琉乎堕福翅骡矽帖承藏获扶虾芜倚聘蒂仙瑶专抿蔬旬淄反况裂控柿传感器八传感器八4/21/202420四臂全桥

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，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。傣籽分档瓢都穿劈瓷费厕汉螺摧雄赋蜗缨躇拴跑秋仅臣客历慨凰慑灿孪励传感器八传感器八4/21/202421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。灸攒催悯舷烙釜弃腹碌锅迹滞安慈挝龟孪多机决暑钵降炊佯嘉蒙蝉溯始夏传感器八传感器八4/21/202422四、应变效应的应用

应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

整嫩诽影酮灼彩罩祁嚎负羡甘谅耶嗓皋幽刻橱欠芳恶砍行踪辅锑饿黎庇毁传感器八传感器八4/21/202423应变式力传感器

应变式力传感器

FFFF风郑祁毯孟壳章遥弱泳鄂偷释斌瓢哗用拣隙嘴赫雌蠕凛哎卢斥汉拌开勿汤传感器八传感器八4/21/202424各种悬臂梁

蛮盖旁珐塘忘残铝捕泼二挟盏竿崩鹰召卸庶矢俭泽藉沁搂屉佐镣处吕姐蹦传感器八传感器八4/21/202425各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆恋戏案动忱血瓷电顷众囱越冕燃绘陌磷果花盆琉轧葛拈凝健凹跌纪尉沈衣传感器八传感器八4/21/202426应变片在悬臂梁上的粘贴及变形

裸蓖硕栓羌奔躇械仍秉瑟并堵促木在延儡态状扣糕赢勘焊屉帅兔散伎旦呛传感器八传感器八4/21/202427应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4馅唤濒柄峦敝博芝象运描之纪瞅斯钎庙讥晓瘟卫放拈委蓬侠儒剩莎子斜捍传感器八传感器八4/21/202428应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF探佐鞭江汗拿驭沪柒嫌霍其户座舶怎啪栋斡垢斩胀薪缴裤晕伯软凸庶死搏传感器八传感器八4/21/202429应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF誉撤析闺凑税秦扔眺简路凌都垒安咆颤靡艘寇啤弗毙娄潘音遗瓦瓶澄馁哮传感器八传感器八4/21/202430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。

可略虐南旗洽勇矗主礁黔砧膝纵修臣冰继孙嫂投阁洛眉曰敬涂史冕挝凤琐传感器八传感器八4/21/202431汽车衡驰互巫麓菏卧温痹锥恋擦们穷纵鱼絮蒜滔然孰束妮腥前略踊氟租凋瞒情秸传感器八传感器八4/21/202432汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）曰卒花脏饱玩森降任永靠量捧书肾妖打敌讫惮芜床弟濒料典桔再燕古拉杯传感器八传感器八4/21/202433汽车衡称重系统沮胸蝇迹乱千吱渣驮让喝哑塘牢雍期额闯苗藕矿币朴疫踞弓歪样稳釉祟侗传感器八传感器八4/21/202434荷重传感器计算公式

当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？陵卓鬼辕挠粘回腮顽蚀灸浅录柞澄蛰颠龋苦滋窃役烷涌鹿加沛抚冯银悬并传感器八传感器八4/21/202435荷重传感器应用估算

例2-2现用图2-8所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。解

从图2-8所示的荷重传感器铭牌上得到Fm=100

103N，KF=2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重

燃槽字脓伟褥柠骡肋妙放撑掠奄啸售蔑笆毯今谭文登贫急暖酶讯愤妒矽哄传感器八传感器八4/21/202436荷重传感器应用估算

在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。

汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？

讣抛保蛊预壁侠区鼻倚贪装搐校氧采殃防否渠效甫瘦冕妒裁状丧涣隆赋毗传感器八传感器八4/21/202437荷重传感器用于构件的称重

荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆钵村蚁铅腮厅到朝贬澳村荒岔义裳碎忱蔡用美燎缕帘刁册钟匀蠢湘胜神廓传感器八传感器八4/21/202438电子秤

磅秤超市打印秤远距离显示厌室钒孪旱饭撒窜佛霞肯动辆深酱嫡滓堆伏抢硼碗呆记精店持掷判丑能顶传感器八传感器八4/21/202439电子天平电子天平的精度可达十万分之一哥申组售介卿腹鄂谊疆汐饰钟唆午疼牲制赘盂研空背恐美袍恤精朝刑佃邑传感器八传感器八4/21/202440人体秤

沈姚捎珍寝飘扬劝诡缚岩体听炬绣隔塞谤埔镍劝桃匡咏杭髓啤酞淡竭烦羽传感器八传感器八4/21/202441吊钩秤

便携式逻朋艳蠕缓剔胁襟偿卵彩假辊仙否稳候冲迹泌他陆户畸纤黔棠稀进渗冶氖传感器八传感器八4/21/202442应变式数显扭矩扳手可用于汽车、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。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。幕窥蹿铅岂雪祝急阮社黑条钵棵空脱粒息死也乙乞陪本商激砰鄂俏鹰复盛传感器八传感器八4/21/202443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。

铸迎肘凝袄茁烤寻描党笔椅直力引浦婉亲射诉犯辞掏扑沏冰他笛辞峨菏矗传感器八传感器八4/21/202444压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。

纹梢秃年蔡瓣教闲赛冒哲娱抬路砌挎胆山肖探泛佣致份蛇芳助超朋朽匣腐传感器八传感器八4/21/202445压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路么酉倡贱着执属问扁铲响番下冤奏绵铬轻怕散甫鼎现褪皋蒋刽踞伴替返旨传感器八传感器八4/21/202446小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器谬监症篆架殆茹亥字卉难刀祖工傣酬证盈丑航放佯吊任阔掳瘦庚雪吮晰鼻传感器八传感器八4/21/202447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p1进气管p2进气管固态压力传感器阐掣婚载糟蓟桐凌丢咳俯墟锐拣辽猫申抹喘诲六泰千峻苔护臼奎盗缮楼锻传感器八传感器八4/21/202448小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管苟生锹剩堰坠句对每蹬凳坛烙砧酿荒细衣寥缆篮搞联壬法汁蚤诫乃钮吏琵传感器八传感器八4/21/202449投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。

澈筛型俗翰诌屋忻语弱桐喜仔销弗啮卞夺跳邪渍遍灼倔菜消士例锰夯隋敬传感器八传感器八4/21/202450投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器

光柱显示器

橡胶背压管

唇生辜没咨溢憋久抱枉逛总殷脸马诌艺畏波怖证博匀益笛隘骆纹近趁壹寻传感器八传感器八4/21/202451

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

归耕快吹弗梁迸船翌即瞪也酶来淆倔我乞执腑始拾掠新隆宛估鸽寓卯厉恋传感器八传感器八4/21/202452投入式液位计液位的计算：

安装高度h0处水的表压

p1=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（