电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力

1、n电阻式传感器是一种将非电量参数电阻式传感器是一种将非电量参数( (如压力、拉力、权如压力、拉力、权力、位移等力、位移等) )的变化转变为电阻值变化的传感器。的变化转变为电阻值变化的传感器。n电阻式传感器按工作原理可分为电位器式电阻传感器、电阻式传感器按工作原理可分为电位器式电阻传感器、应变式电阻传感器应变式电阻传感器、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。q应变式电阻传感器是一种能将机械构件上应变的变化应变式电阻传感器是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。引起机械构件应变的可转换为电阻变化的传感元件。引起机械构件应变的可以是压力、荷重、扭力等。以

2、是压力、荷重、扭力等。 4.1 4.1 电阻式传感器电阻式传感器12/19/20211第四章 非电量的电测技术1 1、概念、概念n导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，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其电阻值也将随着发生变化应变效应应变效应。n电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路电阻应变片及测量转换电路等等组成。组成。一、应变片的工作原理一、应变片的工作原理n设有一金属设有一金属圆导线，受拉圆导线，受拉时，时，l l变长、变长、r r变小，导致电变小，导致电阻值阻值r r变大变大2llrar12/19/202

3、12第四章 非电量的电测技术2 2、电阻的应变灵敏系数、电阻的应变灵敏系数n当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中上式中、r r、l l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值r r发发生变化。生变化。adaldldrdr2llrar当有变化量当有变化量、l l、a a时，其相对变化率为：时，其相对变化率为：对于直径为对于直径为d d的圆柱形截面电阻丝，因为的圆柱形截面电阻丝，因为a=da=d2 2/4/4；故：故：dddada2引进力学中的泊松比：引进力学中的泊松比：ldldddrlnlnlnlnalr12/19/2

4、0213第四章 非电量的电测技术n=dl/l=dl/l电阻丝长度得相对变化量，纵向应变量电阻丝长度得相对变化量，纵向应变量nr r= =dddd/d/d横向应变横向应变n材料得泊松系数，不同金属的材料得泊松系数，不同金属的不同，不同，0.30.30.50.5之间，纵向应变和横向应变之间的比例系数；之间，纵向应变和横向应变之间的比例系数；n得到下式：得到下式：ldldddr)/21 ()/21 ()21 (dldlldlddldlrdr定义灵敏系数：定义灵敏系数：drdrk121/012/19/20214第四章 非电量的电测技术u（1+21+2）是由几何尺寸改变引起，金属导体以此为主）是由几何尺

5、寸改变引起，金属导体以此为主u 表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化，表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化，半导体材料以此为主。半导体材料以此为主。/ )/(ddrdrk121/012/19/20215第四章 非电量的电测技术二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构1、金属应变片、金属应变片 金属丝式、箔式金属丝式、箔式、薄膜式、薄膜式金属丝式：使用最早，金属丝式：使用最早，将金属丝按图示形状弯曲后将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基用粘合剂贴在衬底上而成，基底可分为纸基，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使

6、用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。q结构简单结构简单（下页图）（下页图）q价格低价格低q强度高强度高q允许通过的电流较小允许通过的电流较小q测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。用。12/19/20216第四章 非电量的电测技术 箔式应变片箔式应变片n电阻敏感元件不是金属丝而是用光刻、腐蚀等工艺制成电阻敏感元件不是金属丝而是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在的一种很薄的金属箔栅，箔栅厚一般在0.0030.01mm之间，箔材表面积大，散热条件好。之间，箔材表面积大，

7、散热条件好。q允许通过较大的电流允许通过较大的电流q灵敏度系数较高灵敏度系数较高q可根据需要制成任意形状，适合批量生产可根据需要制成任意形状，适合批量生产12/19/20217第四章 非电量的电测技术2 2、半导体应变片、半导体应变片n半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。种纯电阻性元件。n对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称为半导体的压阻效应。体的压阻效应。a) 丝式b)

8、 箔式图2.1.1 金属电阻应变片结构112233图2.1.2 体型半导体应变片a a）体型半导体应变片：）体型半导体应变片：将半导体材料硅或锗晶将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应粘贴在基片上而成的应变片。变片。12/19/20218第四章 非电量的电测技术nb)b)薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片: :利用真空沉积技术将半导体材利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。nc)c)扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片: :将将p p型杂质扩散到型杂质扩散

9、到n n型硅单晶基型硅单晶基底上，形成一层极薄的底上，形成一层极薄的p p型导电层，再通过超声波和热型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了。一种应用很广的半导体应压焊法接上引出线就形成了。一种应用很广的半导体应变片。变片。 1234图2.1.3 薄膜型半导体应变片1锗膜 2-绝缘层3金属箔基底 4-引线21345图2.1.4 扩散型半导体应变片1-n型硅 2-p型硅扩散层3-二氧化硅绝缘层 4铝电极 5-引线12/19/20219第四章 非电量的电测技术n半导体应变片特点：半导体应变片特点：q基于半导体的基于半导体的“压阻效应压阻效应”q体积小、灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小体

10、积小、灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小n微应变（微应变（1 1），），=0.000001=0.000001时，工程中常表时，工程中常表示为示为1 110106 6 or 1or 1m/mm/m，在应变测量中常称为一，在应变测量中常称为一个微应变。个微应变。q温度稳定性差、非线性严重温度稳定性差、非线性严重12/19/202110第四章 非电量的电测技术三、三、电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路1 1、电桥测量电路的分析、电桥测量电路的分析 四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻r r1 1r r4 4组成，组成，acac端接直流电压端接直流电压u u，bdbd端输端输出电压出电压u u0 0

11、。若电桥负载。若电桥负载r rl l为无穷大，电桥输出端相当于开为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出：路，只能输出电压信号，称为电压输出：电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常采用采用直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。urrrrrrrru)(432142310当电桥平衡时当电桥平衡时, u, u0 0=0, =0, 则有则有04231rrrr12/19/202111第四章 非电量的电测技术电桥平衡条件电桥平衡条件:n 相邻两臂电阻的比值应相等相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积或相对两臂电阻的乘积相

12、等。相等。04231rrrr4321rrrror电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、对称桥、非对称桥和全等电桥。桥为单臂桥、对称桥、非对称桥和全等电桥。urrrrrrrru)(432142310urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210r rl l,r ri ir ri i12/19/202112第四章 非电量的电测技术（1 1）单臂电桥）单臂电桥nr r1 1r r4 4中只有一个电阻为应变片，例如中只有一个电阻

13、为应变片，例如r r1 1。nr r1 1= =r,r,r r2 2= =r r3 3= =r r4 4=0,=0, 初始初始 r r1 1=r=r2 2=r=r3 3=r=r4 4电桥电压灵敏度kuuku40urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210kurruu440n提高提高k ku u的方法：的方法：q提高电桥电压提高电桥电压u(u(受到应变片允许功耗的限制受到应变片允许功耗的限制) )；q选择选择k(k(灵敏度系数灵敏度系数) )高的应变片。高的应变片。12/19/202113第四章 非电量的电测技术（2）对称电桥（半桥）对称电桥（半桥）nr r1 1=r=r2

14、2；r r3 3=r=r4 4 电源左右两边对称电源左右两边对称n两臂接入应变片，两臂接入应变片，r r1 1纵向应变纵向应变，r r2 2横向应变横向应变r r；r r3 3、r r4 4固定电阻固定电阻urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210)1 (40kuu)1 (40kuukun应变片应变片r r1 1、r r2 2均是纵向应变均是纵向应变；r r3 3、r r4 4固定电阻固定电阻kuu20kuuku20r12/19/202114第四章 非电量的电测技术（3 3）非对称电桥）非对称电桥 应变应变r r1 1=r=r4 4、固定、固定r r2 2=r=r3 3；

15、 且且r r2 2/r/r1 1=r=r3 3/r/r4 4=a=an对称电桥是非对称电桥的特例对称电桥是非对称电桥的特例urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210)1 ()1 (20kaauu)1 ()1 (20kaauuku4)1 (1mukkaaxu时，6 比较对称电桥的电压灵敏度：公式（比较对称电桥的电压灵敏度：公式（4-284-28）12/19/202115第四章 非电量的电测技术（4 4）全等电桥（全桥、）全等电桥（全桥、差动全桥差动全桥） r r1 1=r=r2 2=r=r3 3=r=r4 4（均为应变片）（均为应变片） r r1 1、r r3 3：纵应变；

16、纵应变； r r2 2、r r4 4：r r横应变横应变n全桥时的电压灵敏度最高，为最常用一种桥路。全桥时的电压灵敏度最高，为最常用一种桥路。urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210)1 (2)(40kukuurr)1 (20kuuku12/19/202116第四章 非电量的电测技术 电阻应变器测量电桥的结论电阻应变器测量电桥的结论产生相同应变的应变片，不能接在产生相同应变的应变片，不能接在相邻桥臂相邻桥臂。q例：全桥，例：全桥， r r1 1、r r2 2；r r3 3、r r4 4r r。0)(40rrkuuurrrrrrrrrrrru)()(44332211221

17、2106 6考虑：考虑： r r1 1、r r4 4；r r3 3、r r2 2r r 又如何？又如何？12/19/202117第四章 非电量的电测技术 r r1 1r r4 4桥臂中串接产生相同的应变片桥臂中串接产生相同的应变片rr1 1rr4 4 ，可提高电桥电压灵敏度。可提高电桥电压灵敏度。urrrrrrrrrrrru)()(44332211221210)1 ()2222(40ukkuurrr r1 1、r r3 3、rr1 1、rr3 3 ：r r2 2、r r4 4、rr2 2、rr4 4 ：r r12/19/202118第四章 非电量的电测技术其他结论其他结论温度补偿温度补偿 半桥

18、、全桥温度自补偿半桥、全桥温度自补偿非线性补偿非线性补偿rl为有限值的输出电压（戴维南定理）为有限值的输出电压（戴维南定理）电桥电源采用直流电源，其优点是电源稳定度高，电桥电源采用直流电源，其优点是电源稳定度高，连接导线要求低，电桥平衡电路简单。缺点是直流连接导线要求低，电桥平衡电路简单。缺点是直流放大器复杂，有零漂，且易引入外界的工频干扰。放大器复杂，有零漂，且易引入外界的工频干扰。应变电桥现在多采用交流电桥。应变电桥现在多采用交流电桥。12/19/202119第四章 非电量的电测技术例例4-2 4-2 额定载荷为额定载荷为4t4t得圆柱形电阻应变传感器，展开图如得圆柱形电阻应变传感器，展开

19、图如图。未受载荷时四片应变片阻值均是图。未受载荷时四片应变片阻值均是120120，允许功耗，允许功耗208.35mw208.35mw，传感器电压灵敏度，传感器电压灵敏度k ku u0.008v/v0.008v/v，应变片灵敏度，应变片灵敏度系数系数k k2 2。1.1.画出桥路接线电路画出桥路接线电路2.2.求桥路供桥电压求桥路供桥电压3.3.载荷载荷4t4t和和2t2t时，桥路输出电压分别是多少？时，桥路输出电压分别是多少？4.4.载荷载荷2t2t时，时， r r1 1r r4 4的阻值分别为多少？的阻值分别为多少？5.5.解：解：1 1）r r1 1r r3 3相同应变，相同应变，r r2

20、 2r r4 4相同应变相同应变相同应变不能接在相邻桥臂相同应变不能接在相邻桥臂12/19/202120第四章 非电量的电测技术2 2）供桥电压）供桥电压u u，每一应变片承受，每一应变片承受u/2u/2。3 3）载荷）载荷4t4t时输出电压时输出电压)194()2(2maxmaxrupvvrpu101201035.208443maxmvvvvukuuo8010/008. 04mvuuuoo4021424 4） f f为拉力，为拉力，r r1 1r r3 3产生纵应变产生纵应变， r r2 2r r4 4产生横应变产生横应变r r5 . 0, 221k62102666)21 (2kuuo68.

21、11910133364.12042631rrrkrrrrkrrr12/19/202121第四章 非电量的电测技术（四）电阻应变传感器的应用（四）电阻应变传感器的应用n应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯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：用可分为两大类：q第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接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

22、一般用应变式传感器。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；路一般为桥路；q第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到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应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。量。 12/19/202122第四章 非电量的电测技术（一）测力传感器（一）测力传感器n测量荷重、拉压力的弹性元件常作成柱形、筒形、环测量荷重、拉压力的弹性元件常作成柱形、筒形、环形及梁形等。形及梁形等。1、柱式弹性元件、柱式弹性元件基本原理：将被测量的

23、变化转换成传感元件电阻值的变化，基本原理：将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。再经过转换电路变成电信号输出。12/19/202123第四章 非电量的电测技术n我国我国blr1型电阻应变式拉压力传感器、型电阻应变式拉压力传感器、bhr型荷型荷重传感器都采用这种结构。其量程在重传感器都采用这种结构。其量程在0.1100吨之间。吨之间。在火箭发动机试验时，台架承受的载荷多用实心结构在火箭发动机试验时，台架承受的载荷多用实心结构的传感器，其额定载荷可达数千吨。的传感器，其额定载荷可达数千吨。火箭发动机火箭发动机12/19/202124第四章 非电量的电测技术2、悬臂

24、梁式弹性元件、悬臂梁式弹性元件n 它适于测量它适于测量500kg500kg以下的载以下的载荷，最小为测几十克重的荷，最小为测几十克重的力，这种传感器具有结构力，这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片简单、加工容易、应变片易粘贴、灵敏度高等特点。易粘贴、灵敏度高等特点。12/19/202125第四章 非电量的电测技术应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用