第4章 电阻式传感器

传感器技术与应用2第4章电阻式传感器4.1电阻式传感器概述4.2电阻应变式传感器4.3压阻式传感器第4章知识目标（1）掌握电阻应变式传感器的材料构成、类型划分与工作原理；（2）掌握压阻式传感器的材料构成、类型划分与工作原理；（3）掌握电阻式传感器典型的电桥测量转换电路的结构构成特点。3第4章能力目标（1）准确理解应变效应与压阻效应的区别；（2）掌握三种结构直流电桥的工作原理及其特性分析方法，并且能够根据实际工程测量需要，合理选择电桥结构；（3）理解并掌握电阻应变式传感器进行温度补偿的必要性及其常用补偿方法。454.1电阻式传感器概述

通过敏感元件感受被测非电量的变化，并将被测量的变化先转换为电阻值的变化，进而通过测量转换电路，再转换成电压、电流、频率等电参量的变化。后续可根据需要配置信号调理电路，送至微处理器进行数据的进一步分析处理。1.基本测量原理与结构构成：电阻式传感器包括：金属热电阻、热敏电阻、光敏电阻、磁敏电阻、湿敏电阻、电阻应变式传感器和压阻式传感器等。64.2电阻应变式传感器（1）应变效应：导体在力的作用下产生机械形变，材料的电阻值发生变化的现象。2.应变效应及其相关名词术语（2）应变：即变形，物体在受到外力的作用下产生的形状变化。

包括拉伸应变、压缩应变、剪切应变和弹性应变等。（4）弹性元件：具有弹性应变特性的物体。（3）弹性应变：是指当外力去除后，受力物体能完全恢复到原有形态的应变。与电阻应变式传感器配合的敏感元件即为弹性元件。73.应变效应解析——以金属导体应变效应为理论分析对象8对电阻值的表达式进行全微分，可以得到各个参量相对变化率的关系式：金属电阻丝的纵向应变（轴向应变）金属电阻丝的横向应变（径向应变）金属电阻丝电阻率的相对变化率9根据材料力学的知识，可知金属电阻丝的横向应变与纵向应变，以及泊松比之间存在如下关系：将此两表达式代入各个参量相对变化率关系式，整理可得：104.电阻应变片材料、结构与类型

电阻应变片是电阻应变式传感器的核心构成元件，是传感器的转换元件，将敏感元件感受的被测非电量的变化转换成电阻阻值的变化。

主要由金属材料构成。（2）电阻应变片材料性能要求：①

电阻率高；②

电阻温度系数小；③

灵敏系数大；

④

线膨胀系数高。（1）电阻应变片基本特性常用的金属应变片材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铂和铂钨合金等。11（3）电阻应变片一般结构构成

电阻应变片不直接受力的作用，而是粘贴在弹性敏感元件表面。当测量力等非电量时，弹性敏感元件感受力的作用产生应变，并通过粘合剂传递给电阻应变片。12（4）电阻应变片类型

根据制作工艺的不同，金属电阻应变片分为三种类型：

丝式电阻应变片、箔式电阻应变片、薄膜式电阻应变片。金属电阻丝被制作成栅状，粘贴在绝缘基片上。金属栅线的直径通常为0.015mm~0.05mm。栅线形状主要有U、V、H型三种。采用光刻腐蚀等制作工艺，将金属箔制作成各种形状的敏感栅（也称为应变花），金属箔的厚度通常为0.003mm~0.01mm。采用真空蒸镀、沉积等方法在绝缘基片上制作一定形状、厚度小于0.1μm的金属薄膜敏感栅。13

我国现行标准《金属粘贴式电阻应变计》（GB/T13992-2010）规定了金属电阻应变片在不受外力作用时对应的标称电阻阻值：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中以120Ω和350Ω最常见。（5）电阻应变片标称电阻阻值145.弹性敏感元件弹性敏感元件是电阻应变片传感器的重要构成部分对弹性敏感元件的基本性能要求是：能够准确传递受力信息，并保持在受力不变时的形变一致性好，复位性能好。弹性敏感元件在实际工程应用中，大多数为铝合金、合金钢和不锈钢等材质。弹性敏感元件的结构与外形需要满足实际应用场景的安装需要，结构形状丰富：15以悬臂梁为弹性敏感元件的电阻应变式传感器构建示意图166.测量转换电桥电路17（1）直流单臂电桥向上的箭头表示工作时，电阻应变片的弹性敏感元件将受到拉力的作用（箭头反向表示受到压力的作用）①

结构特点将一个电阻应变片接入直流电桥的一个桥臂在电阻应变片没有外力施加作用时，直流电桥处于平衡状态，UO=018②

工作原理分析金属电阻应变片灵敏系数电阻丝轴向应变19

（2）直流双臂电桥①

结构特点半桥将两个电阻应变片接入电桥的相邻桥臂中，并且令两个电阻应变片在测量过程中，一个受拉力、一个受压力，阻值变化大小相等，方向相反。当两个电阻应变片不受外力作用时，直流双臂电桥处于平衡状态，UO=020②

工作原理分析当两个电阻应变片受到外力作用时，R1=R2=R3=R4=RΔR1=ΔR2=ΔR21（3）直流全桥①

结构特点将电桥的四个桥臂电阻全部以电阻应变片替代注意：◆保证电桥邻臂位置上的电阻应变片在测量的过程中一个受拉力、一个受压力；◆对臂位置上的两个电阻应变片在测量的过程中同受拉力或同受压力。22②

工作原理分析当四个电阻应变片受到外力作用时，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔRR1=R2=R3=R4=R23思考：直流单臂电桥、双臂电桥、全桥测量灵敏度对比？247.电阻应变片的温度补偿

实际工程应用中的电阻应变片的阻值会受到环境温度的影响，导致较大的数据测量误差，称为应变片的温度误差，需要进行温度补偿。

常用的温度补偿方法：双丝组合式自补偿应变片法和桥式电路补偿法。（1）

双丝组合式自补偿应变片法

选择温度系数正、负相反的两种电阻丝材料，将两者串联绕制成敏感栅。两者处于相同的温度场中，同样的温度变化，两个电阻丝产生的电阻值变化一个是增量，一个是减量，从而实现了温度补偿。25（2）桥式电路补偿法安装在与被测对象材料相同的材料上（补偿件），称为补偿应变片，不承受应力。安装在被测对象的表面，承受应力。26注意：

双臂电桥、全桥电路本身就可以在一定程度上实现温度补偿，分析原因。274.3压阻式传感器1.压阻效应压阻式传感器的转换元件由半导体材料构成对力的测量基于压阻效应半导体材料的压阻效应：当半导体材料受到应力作用时，改变了材料的晶格结构，使内部电子运动受到阻碍，迁移率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。半导体应变片半导体应变片在实际工程应用中，可以粘贴在被测对象上，直接感受应力变化，也可以粘贴在弹性敏感元件上，间接感受应力变化。282.压阻效应解析设半导体材料受到轴向外力作用，则：半导体材料的纵向压阻系数半导体材料的弹性模量半导体材料的轴向应变29借助金属电阻丝的应变效应解析思路：半导体材料的电阻率的相对变化率：半导体材料的灵敏系数:303.半导体应变片材料与类型应用（1）半导体应变片材料制作半导体应变片的材料通常有单晶硅、扩散掺杂硅和多晶硅，其中以单晶硅为主。

半导体应变片具有温漂小，灵敏度高，工作稳定，体积小巧，性价比高等优势，特别是灵敏度系数要比电阻应变式约高50~100倍。31（2）半导体应变片类型根据敏感栅制造工艺的不同分为三类：①

体型半导体应变片②

扩散型半导体应变片③

薄膜型半导体应变片

将硅或锗半导体材料按一定晶轴方向切成薄片，经过研磨、腐蚀、压焊引线，粘贴在基片上。利用固体扩散技术将某种杂质元素扩散到半导体材料上制成。以真空蒸镀、沉淀等方法制作硅、锗等半导体材料的薄膜敏感栅。32（3）半导体应变片典型应用（1）测量高频动态压力：

典型应用