第二章电阻传感器

1、 定义: 将被测非电量（如位移、应变、振动、温度、湿度、气体浓度等）的变化转换成导电材料的电阻变化的装置，称为电阻式传感器。 它是将非电量的变化量，利用电阻元件，变换成有一定关系的电阻值的变化，再通过电子测量技术对电阻值进行测量，从而达到对上述非电量测量的目的。特点: 电阻式传感器具有结构简单，输出精度高，线性和稳定性好等优点，因此，它在非电量检测中应用十分广泛。2.1.1 电位器传感器概述定义: 被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。特点: 由于它的结构简单、价格便宜，且有一定的可靠性，输出功率大，所以至今在某些场合下还在使用。结构类型: 它由电阻元件和电刷（活动触头）两

2、个基本部分组成。 按结构形式可分为线绕式和非线绕式电位器. 工作原理:如图2-1所示: 图中当电刷在电阻元件上滑动时，引起ROA变化 ,则iOBOAoURRU 2.1.2 线性线绕电位器的空载特性若电位器为空载（RL=）时 ,即空载特性为: =R/L，Ku=Ui/L分别为线性电位器的电阻和电压灵敏度，它们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量。 xKxLRRRxxKxLURRUUuixiosthbK)(2R说明: 电位器空载时，其电阻值 Rxx和输出电压Uox的关系特性 为线性特性（见图2-3中的“理论特 性”）。但是由于制造工艺等各种因素的限制，线性电位器的实际特性并非线

3、性，而是带有一定的非线性。非线性误差为: 增加电位器的线圈匝数，可以使 L减 小。 L越小，表示实际特性与理论特性越吻合，即电位器的线性度越高。%10021%100)21(omomLnUnU2.1.3 电位器的负载特性 电位器负载运行的特性称为电位器的负载特性。由图2-2（b）可知，当电位器的负载电阻RL（带负载时），则输出电压Uo应为: 令: 则: m电位器的负载系数； nx电阻的相对变化； A电位器相对输出电压 2xxLLxiLxLxxLxLxio)(RRRRRRRURRRRRRRRRRUURRnxxLRRm ioUUA )1 (1xxxnmnnA 图2-4给出了电位器的负载特性曲线。 由

4、图可知，电位器负载越 重（RL越小），负载系数m越大，相对输出电压A越小，输 出电压Uo越低，则非线性误差越大；反之，Uo越高，非线性误差越小。2.1.4 非线性线绕电位器 非线性线绕电位器是指其输出电压（或电阻）与电刷行程x之间具有非线性关系的电位器。 理论上讲，这种电位器可以实现任何函数关系，故又称其为函数电位器。 概念： 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电

5、阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。2.2.1电阻应变式传感器的工作原理 1.应变效应 导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。 导体或半导体的阻值随其机械应变而变化的道理很简单，因为导体或半导体的 电阻 R= 与电阻率及其几何尺寸（其 中L 为长度，S为截面积）有关，当导体或半导体受到外力作用时，这三者都会发生变化，从而引起电阻的变化。因此通过测量阻值的大小，就可以反映外界作用力的大小。SL.如图 2- 6所示,设有一圆形截面的金属丝，长度为l，截面积为S

6、，材料的电阻率为，这段金属线的电阻值R为 r 金属丝半径SL.2 rlSlR 当金属丝受拉力作用时，其长度L，截面积S（=r2），电阻率 的相应变化为dL，dS， d ，因而引起电阻变化dR。对式上式全微分可得: 以R除左式， 除右式，得电阻相对变化量:式中 金属丝的轴向应变； 金属丝的径向应变； 电阻率的相对变化量。dddd2SlSSllSRSldd2ddrrllRRxdllydrrd 由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为: 金属丝材料的泊松系数。 综合以上两式可得: 令: Ks称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单位应变

7、时，电阻相对变化的大小。显然，Ks越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，故越灵敏。xyd)21 (dxRRxxs/d)21 (/dRRK说明: 从上式可以看出，金属丝的灵敏系数Ks受两个因素影响： 第一项（1+2），它是由于金属丝拉伸后，材料的几何尺寸发生变化而引起的； 第二项 ，是由于材料发生变形时，其电阻发生变化而引起 由于项目前还不能用解析式来表示，所以Ks只能靠实验求得。实验证明，在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化dR/R与应变是成正比的，因而Ks为一常数，因此以增量表示为:该式即为电阻丝的应变效应数学表达式. x/dxsKRR2.2.2 电阻应变片1.电阻应变片的结构 电阻应变

8、片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。 其中，敏感栅是应变片的核心部分，它是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的电阻值，电阻丝排列成栅网状，故称为敏感栅。将敏感栅粘贴在绝缘的基片上，两端焊接引出导线，其上再粘贴上保护用的覆盖层，即可构成电阻丝应变片。如图2-7所示. 2.电阻应变片的种类 电阻应变片品种繁多, 形式多样。 但常用的应变片可分为两类: 金属电阻应变片和半导体电阻应变片。具体分类如图分类图所示. .电 阻 应 变 片金 属 应 变 片 半 导 体 应 变 片丝式箔式薄膜式半导体敏感条电阻应变的分类图.图2-9 箔式应变片. 金属应变片 金属电阻应变

9、片主要有丝式应变片和箔式应变片两种结构形式。 其中，丝式又有回丝式和短接式两种形式。短接式应变片是将敏感栅平行安放，两端用直径比栅丝直径大510倍的镀银丝短接起来而构成的，其突出优点是克服了回丝式应变片的横向效应，但由于焊点多，在冲击、振动试验条件下，易在焊接点处出现疲劳破坏，丝式应变片的结构如图2-8所示。 箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材制成各种图形而成的应变片。箔材厚度多在（0.0010.01）mm之间。利用光刻技术，可以制成适用各种需要的形状美观的，称为应变花的应变片。 图2-9为常见的几种箔式应变片构造形式。它们的优点是敏感栅的表面积和应变片的使用面积之比大，散热

10、条件好，允许通过的电流较大，灵敏度高，工艺性好，可制成任意形状，易加工，适于成批生产，成本低。由于上述优点，箔式应变片在测试中得到了日益广泛的应用，在常温条件下，有逐步取代丝式应变片的趋势。 图2-9箔式应变片 半导体应变片 常见的半导体应变片是用硅或锗等半导体材料作为敏感栅，一般为单根状，如图2-10所示。根据压阻效应，半导体同金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。 半导体应变片的优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。它们的缺点是电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉力或压力而变

11、，且分散度大，一般在（35）%之间，因而使测量结果有（35）%的误差。2.2.3 电阻应变片的工作原理1.应变片的工作原理 由金属或半导体应变效应可知,将应变片粘贴于被测试件上,在一定方向的应力作用下,应变片产生应变,引起其自身电阻值的变化,该变化满足应变效应数学表达式.xKRR 式中K为应变片的应变灵敏系数,区别于电阻丝的Ks,应变片的灵敏系数K恒小于同一材料金属丝的灵敏系数Ks，其原因是由于横向效应的影响。 关于横向效应将在下面介绍. 对于金属应变片: K主要由变形引起的; 对于半导体应变片: K主要由电阻率的变化引起的.因此:可见,只要测出应变片的电阻值变化即可知道应变片的应变变化.XB

12、KERRx 2. 应变片的测试原理 用应变片测量应变或应力时，是将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。当测得应变片电阻值变化量R时，根据应变片的工作原理的数学表达式, 便可得到被测对象的应变值，而根据应力应变关系，得到应力值 式中 试件的应力； 试件的应变； E试件的弹性模量（Pa）。 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变又正比于电阻值的变化量R，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量应变的基本原理。 E2.2.4 应变片的横向效应 当将图 2 - 11 所示的应变片粘贴在

13、被测试件上时, 由于其敏感栅是由n条长度为L1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变, 圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。综上所述, 将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但由于应变片敏感栅的电阻变化较小, 因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数K0小, 这种现象称为应变片的横向效应。 .应变片的使用说明: (1) 当实际使用应变片的条件与其灵敏系数K的标定条件不同时, 如0.285或受非单向应力状态, 由于横向效应的影响, 实际

14、K值要改变, 如仍按标称灵敏系数来进行计算, 可能造成较大误差。当不能满足测量精度要求时, 应进行必要的修正, 为了减小横向效应产生的测量误差, 现在一般多采用箔式应变片。 (2)应变片的灵敏系数K是通过抽样测定得到的，因为应变片粘贴到试件上以后，就不能取下再用，所以只能在每批产品中提取一定比例（一般为5%）的应变片，测定灵敏系数K值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，这就是产品包装盒上注明的“标称灵敏系数”。 (3)用应变片构成应变式传感器，如何将应变栅粘贴在基片上是能否将其应用于测量的关键之一，因此对粘合剂有苛刻的要求。常用的粘合剂为有机粘合剂，如硝化纤维粘合剂，用于粘合纸质基底；酚醛

15、类粘合剂，常用于粘合酚醛胶膜玻璃纤维布、胶膜玻璃纤维布等。粘贴必须遵循粘贴工艺，才有可能使应变片正常工作。 (4)由于应变片敏感栅是对温度变化敏感的材料,因此选用时应注意温度的影响.有关温度的问题下面介绍.2.2.5电阻应变片的温度误差1.温度误差产生的原因 产生应变片温度误差的主要因素有二：一是由于电阻丝温度系数的存在，当温度改变时，应变片自身的标称电阻值发生变化；二是当电阻丝与试件材料的线膨胀系数不同时，温度改变将引起附加变形，使应变片产生附加电阻。(1)温度系数产生的误差当环境温度变化t时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 ，0则敏感栅电阻丝电阻的变化值为 :tRR00式

16、中 温度为t时电阻丝电阻的变化值； R0 温度为t0时的电阻值； 电阻丝的电阻温度系数，表示温度变化1时，电阻的相对变化； t温度变化值，t =tt0。R0(2)不同线膨胀系数产生的温度误差 由于敏感栅材料和被测试件材料两者线膨胀系数不同，当环境温度变化t时，将引起应变片的附加应变，其值为:tsg式中 试件材料的线膨胀系数； 敏感栅电阻丝的线膨胀系数。相应的电阻变化值为:gstKRKRRsg00总的温度误差: 可得由于温度变化而引起应变片总的电阻相对变化量为 :式中 电阻应变片的电阻温度系数 上式表明，因环境温度改变而引起的附加电阻的相对变化量除与环境温度变化有关外，还与应变片自身的性能参数以

17、及被测试件线膨胀系数有关。 ttKtRRRRRsg000t2.电阻应变片的温度补偿方法 1）单丝自补偿应变片。 制造单丝温度自补偿应变片的基本依据为总的温度误差的表达式，由该式不难看出，实现温度自补偿的条件是： 补偿原理： 当被测试件的线膨胀系数已知时，如果合理选择敏感栅材料，即合理选择敏感栅材料的电阻温度系数、灵敏系数K和线膨胀系数，使式上成立，则不论温度如何变化，均有 ， 从而达到温度自补偿的目的。sg0K00tRR 2）双丝复合型自补偿应变片。 它是用两种温度系数不同的电阻丝串联制成的复合型应变片。如图2-12所示，若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化R1t和R2t大小相等

18、、符号相反，就可以实现温度补偿。电阻R1与R2的比值关系可以由下式确定：1t 12t221RRRRRR 。 3）电路补偿法。 补偿电路（1） 利用电桥相邻相等二臂同时产生大小相等、符号相同的电阻量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的，如图2-13所示。 测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，如图2-13中R1称为工作应变片，另一片贴在与被测试件材料相同并处于同一温度场中的补偿块上，如图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零。补偿条件：在应变过程中，保证R3R4；

19、 R1和R2须属于同一批号，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都应相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，即要求两者的线膨胀系数相同 两应变片应处于同一温度场。补偿电路（2） 补偿电路（1）方法的优点是简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是上述条件有时很难完全满足，尤其是第四个条件，在测试环境温度梯度变化较大的情况下，R1和R2很难处于同一温度场。 根据被测试件承受应变的情况，有时也可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，也能提高输出的灵敏度，如图2-14所示的贴法。 图2-14（

20、a）为一悬臂梁，当悬臂梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。 图2-14（b）是受单向应力的轴试件，将工作应变片R1的轴线顺着应变方向，补偿应变片R2的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，此时电桥的输出电压： 可见该电路可自动补偿温度误差。具体计算方法见下一内容。1o14KUU2.2.6 应变传感器的测试电路 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

21、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, 通常采用直流电桥和交流电桥。 1. 直流电桥直流电桥 (1). 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 电桥如图应变片测量电桥在工作前应使电桥平衡（称为预调平衡），以使在工作时电桥输出电压只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。设初始条件为 4321RRRR .单臂工作情况 即只有一个应变片接入电桥。设R1为接入的应变片，测量时的变化为R。则其输出电压为: URRRRRU)2(2o通常情况下，R R，所以:由电阻应变效应，则上式可写成:xo4KUURRUU4o.双臂（半桥）工作情况 图2-

22、16（a）所示的这种桥路结构称为半桥差动电路，是传感器中常用的桥路形式。有两个应变片接入电桥的相邻两个桥臂，且两个桥臂的应变片的电阻值变化大小相等，方向相反，即两个应变片一个受拉，一个受压。 输出电压为 :xo22KURRUU.全桥工作情况 如图2-16（b）所示，称为全桥差动电路。有四个应变片接入电桥，两个受拉，两个受压，接入桥路时，将两个变形符号相同的应变片接在相对臂内，符号不同的接在相邻臂内，输出电压为:UKURRUxo总结: (1)对比电桥的三种工作方式可见，用直流电桥作应变片的测量电路时，电桥输出电压与被测应变量成线性关系；在相同条件下（供电电源和应变片的型号不变），差动工作比单臂工

23、作输出信号大，半桥差动输出是单臂输出的二倍，全桥差动输出是单臂输出的四倍。因此，全桥差动工作时输出电压最大，检测的灵敏度最高。 (2)除单臂电桥外,其余电桥都可以补偿温度误差,且减少非线性误差. .补偿电桥如图2-14(温度补偿电桥)补偿半桥: 输出电压:补偿全桥: 输出电压:总结:可见补偿电桥可以补偿温度误差,减少非线性误差.UKUxo)21 (41UKUxo)21 (21直流电桥运算通用公式: 若电桥初始平衡，N个臂工作(N为1,2或4)，各臂应变片电阻变化分别为R1，R2，R3，R4，且RiRi， 输出电压:说明: 在使用上面公式时，应注意电阻变化和应变值的符号。如果是压应变，则用负的应

24、变值代入；拉应变则用正的应变值代入。有几个工作臂则取其中几项即可.432144332211o44KURRRRRRRRUU2.交流电桥 电阻应变式电桥大都采用交流电桥，理由有二：其一，应变电桥输出极弱，需要加放大器，而直流放大器容易产生零点漂移，故目前多采用交流放大器；其二，由于应变片与桥路采用电缆连接，当引线分布电容的影响不能被忽略时，也需要采用交流电桥。 图 3 - 7 为交流电桥, U 为交流电压源, 开路输出电压为U0 由于供桥电源为交流电源, 引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性, 即相当于二只应变片各并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗分别为.11111CjwRRRZ22222

25、CjwRRRZ33RZ 44RZ 式中C1、C2表示应变片引线分布电容, 由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件,即U0=0, 则有: Z1 Z4 = Z2 Z3)()(43213241ZZZZZZZZUU取Z1= Z2 = Z3 = Z4，则有:整理式得:其实部、 虚部分别相等, 并整理可得交流电桥的平衡条件为: 和3222411111RCjwRRRCjwRR24241313CjwRRRCjwRRR3412RRRR2112CCRR 对这种交流电容电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。电桥平衡调节电路如图 2- 18 所示。

26、图2-18 交流电桥平衡调节2.2.7应变式传感器的应用 电阻应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 应变式传感器包括三个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值。二是应变片作为转换元件，将应变转换为电阻的变化。三是测量转换电路，将电阻值变化转换为相应的电信号输出给后续环节 1.应变式力传感器（1）柱式力传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种，如图2-19（a）、（b）所示。实心圆柱可以承

27、受较大的负荷。我国BLR-1型电阻应变式拉压力传感器、BHR型荷重传感器都采用这种结构，其量程在（102105）kg之间。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。 设圆筒的有效截面积为S、泊松比为、弹性模量为E，四片相同特性的应变片贴在圆筒的外表面并接成全桥形式。如外加荷重为F，则传感器输出为式: 4321o4KUUSEFKEKEU1212xo 图2-20、2-21所示为电子吊车秤的示意图。电子吊车秤是在吊运物体的过程中就可以进行称量的装置。 图2-20为荷重传感器安装在吊钩上的方式。这是一种简单的方式，此时传感器将承受全部载荷，在起吊过程中由于载荷的转动

28、，使传感器受扭力而产生误差。为了克服此扭力，在吊环与吊钩之间加了一副防扭转臂。此防扭转臂对被测力无影响，而扭力的作用通过吊钩、转臂而作用在吊环上，使吊环、吊钩一起扭转，对传感器的作用就减小了。荷重传感器安装在吊钩上，使得连接传感器的信号线也要随吊钩上下运动，因此需要设计一套电缆收放装置。同时，这种安装方式在被测物料是高温物料时（如钢水）是不能采用的。 图2-21为荷重传感器被安装在钢丝绳固定端的方式。这种安装方式也比较简单，而且传感器远离被吊物体，这对吊装炽热物体尤为有利。但采用这种方式，传感器受力大小与起吊高度和摩擦力有关。.（2）梁式力传感器 常用的梁式力传感器有等截面梁应变式力传感器、等

29、强度梁应变式力传感器以及一些特殊梁式力传感器（如双端固定梁、双孔梁、单孔梁应变式力传感器等）。 图2-22所示为等截面梁结构示意图应变片组成差动电桥，则电桥的灵敏度为单臂电桥工作时的四倍，粘贴应变片处的应变为: 由等截面梁弹性元件制作的力传感器适于测量500kg以下的载荷，最小的可测几十克重的力。这种传感器具有结构简单、加工容易、应变片容易粘贴、灵敏度高等优点。EbhFlE206.等强度梁 :如图2-23 这种梁的优点是对在l方向上粘贴应变片位置的要求不严格。设计时应根据最大载荷F和材料允许应力选择梁的尺寸。EhbFlE2062电阻应变式压力传感器 以板式压力传感器为例 (如图2-24,2-2

30、5) 径向和切向应变和的表达式分别为: 2222r3183xREhP2222t183xREhPP圆板上均匀分布的压力；R圆板的半径；h圆板的厚度；x离圆心的径向距离。讨论: 当x=0时，即在圆板中心位置处rmax= tmax ； 当x=R时，即在圆板边缘处， t=0，r=-2 rmax 。 由应变分布规律可找出贴片的方法，由于切向应变全是正的，中间最大；径向应变沿圆板分布，有正有负，在中心处和切向应变相等，而在边缘处最大，是中心处的二 倍，在 处为零，故在贴片时要避开r=0处。maxtmaxr0t3/Rx 3电阻应变式加速度传感器 它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基

31、座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。如图2-27。 测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度a沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。 。 应变式加速度传感器的缺点是频率范围有限，一般不适用于高频以及冲击、宽带随机振动等测量。 如：国产电阻应变式加速度传感器BAR-6型（电阻应变片，悬臂梁式），其灵敏度为0.30.4（mV/V），频率范围为090HZ，可测最大加速度为150g。 国产BG-100-1型（半导体应变片，悬臂梁式

32、簧片）加速度传感器，其灵敏度为50（mV/V），频率范围为080HZ，可测最大加速度为100g。 固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽等特点，因此获得广泛的应用，而且发展非常迅速。同时由于它易于批量生产，能够方便地实现微型化、集成化，甚至可以在一块硅片上将传感器和计算机处理电路集成在一起，制成智能型传感器，因此这是一种具有发展前途的传感器。 2.3.1 半导体压阻效应 固体材料受到压力后，它的电阻率将发生一定的变化，所有的固体材料都有这个特点，其中以半导体最为显著。当半导体材料在某一方向上承受应力时，

33、它的电阻率将发生显著的变化，这种现象称为半导体压阻效应。 用这种效应制成的电阻称为固态压敏电阻，也叫力敏电阻。用压敏电阻制成的器件有两种类型：一种是利用半导体材料制成粘贴式的应变片，它已在上一节中介绍过；另一种是在半导体的基片上用集成电路的工艺制成扩散型压敏电阻，用它作传感元件制成的传感器，称为固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器。 原理表达式： ERR说明： 在弹性变形限度内，硅的压阻效应是可逆的，即在应力作用下硅的电阻发生变化，而当应力除去时，硅的电阻又恢复到原来的数值。硅的压阻效应因晶体的取向不同而不同，即对不同的晶轴方向其压阻系数不同。虽然半导体压敏电阻的灵敏系数比金属高很多，但有

34、时还觉得不够高，因此，为了进一步增大灵敏度，压敏电阻常常扩散（安装）在薄的硅膜上，压力的作用先引起硅膜的形变，形变使压敏电阻承受应力，该应力比压力直接作用在压敏电阻上产生的应力要大得多，好像硅膜起了放大作用一样。2.3.2 扩散硅压阻器件 扩散型硅压阻器件有两种结构：一种是圆形硅膜片，它的周边用硅杯环支撑固定，实际上硅杯环与膜片合为一体，称为圆形硅杯膜片结构，如图2-28所示。另一种也是支撑用的硅杯与膜片合为一体，区别是方形或矩形，称为方形或矩形硅杯膜片结构。 在膜片上适当位置扩散出四个阻值相等的压敏电阻后，将四个压敏电阻接成桥路就构成了扩散硅压阻器件（图2-29）。四个压敏电阻在膜片上的位置

35、应满足两个条件：一是四个压敏电阻组成桥路的灵敏度最高，二是四个压敏电阻的灵敏系数相同。2.3.3固态压阻式传感器的应用 利用扩散硅压阻器件可制成各种小型压力传感器和加速度传感器。这种传感器中的敏感元件和弹性元件合为一体，避免了粘接，显得更可靠。压力传感器采用硅杯膜片结构，加速度传感器采用硅梁结构。1压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器主要由外壳、硅杯膜片和引线组成，其结构如图2-30所示。 压阻式压力传感器的核心部分是一块方形的硅膜片，在硅膜片上，利用集成电路工艺制作了四个阻值相等的电阻。硅膜片的表面用SiO2薄膜加以保护，并用铝质导线做全桥的引线。硅杯膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）

36、，周边厚（起支撑作用），硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘贴在热胀冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板紧密地安装到壳体中，就制成了压阻式压力传感器。图2-30 压阻式压力传感器 测量原理： 当硅杯两侧存在压力差时，硅膜片产生形变，四个压敏电阻在应力的作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，按照全桥的工作方式输出的电压Uo与膜片两侧的压差p成正比。 Uo=K（p1-p2）=Kp 当p2进气口向大气敞开时，输出电压对应于“表压” Uo=K（p1-p2）= K（p1-p0）= Kp表 当p2进气口处于真空时，输出电压对应于“绝对压力” Uo=K（p1-p2）= K（p1-0）= Kp绝 特点：（1）由于四

37、个应变电阻是直接制作在同一硅片 上，所以工艺一致性好，温度引起的电阻值漂移能互相抵消。（2）由于半导体压阻系数很高，所以构成的压力传感器灵敏度高，输出信号大。（3）又由于硅膜片本身就是很好的弹性元件，而四个扩散型压敏电阻又直接制作在硅片上，所以迟滞、蠕变都非常小，动态响应快。2压阻式加速度传感器（1）结构原理 压阻式加速度传感器，它采用硅悬臂梁结构。在硅悬臂梁的自由端装有敏感质量块，在梁的根部，扩散四个性能一致的压敏电阻，四个压敏电阻连接成电桥，构成扩散硅压阻器件，见图2-31。当悬臂梁自由端的质量块受到加速度作用时，悬臂梁受到弯矩的作用产生应力，该应力使扩散电阻阻值发生变化，使电桥产生不平衡

38、，从而输出与外界的加速度成正比的电压值。（2）特点 在制作压阻式加速度传感器时，若恰当地选择尺寸和阻尼系数，可以用它测量低频加速度和直线加速度，这是它的一个优点。 由于固态压阻式传感器具有频率响应高、体积小、精度高、灵敏度高等优点 。（3）应用 压阻式加速度传感器在航空、航海、石油、化工、动力机械、兵器工业以及医学等方面得到了广泛的应用。 在机械工业中，压阻式压力传感器可用于测量冷冻机、空调机、空气压缩机的压力和气流流速，以监测机器的工作状态。 在航空工业上，压阻式压力传感器用来测量飞机发动机的中心压力。 在进行飞机风洞模型试验中，可以采用微型压阻式传感器安装在模型上，以取得准确的实验数据。

39、在兵器工业上，可用压阻式压力传感器测量枪炮膛内的压力，也可对爆炸压力及冲击波进行测量。 压阻式压力传感器还广泛应用于医疗事业中，目前已有各种微型传感器用来测量心血管、颅内、尿道、眼球内的压力。随着微电子技术以及计算机的发展，固态压阻式传感器的应用将会越来越广泛。2.4.1 气敏电阻的检测原理 气敏电阻是一种半导体敏感器件，它是利用气体的吸附而使半导体本身的电阻率发生变化这一机理来进行检测的。 实验证明，当氧化性气体（如O2、NOx等）吸附到N型半导体，还原性气体（如H2、CO、碳氢化合物和醇类等）吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原性气体吸附到N型半导体上，氧化性

40、气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。如图2-32。 若气体浓度发生变化，其阻值将随之发生变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间（响应时间）一般不超过1min。 。 气敏电阻传感器通常由气敏电阻、加热器和封装体等三部分组成。气敏电阻从制造工艺上可分为烧结型、薄膜型和厚膜型三类。图2-30所示为典型的烧结型气敏传感器的结构示意图。它由塑料底座、电极引线、气敏元件（烧结体）、双层不锈钢网（防爆用）以及包裹在烧结体中的两组铂丝（一组为工作电极，另一组为加热电极）组成。2.4.2 气敏电阻传感器的结构说明：（1）气敏电阻的材料不象通常用的硅或

41、锗材料，而是金属氧化物。制作时也不是通过硅或锗材料掺杂形成半导体，而是在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。 金属氧化物半导体也分N型半导体，如SnO2、ZnO、Fe2O3等；P型半导体，如CoO、PbO、NiO等。为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成这些材料时，还掺入催化剂，如钯Pd、铂Pt、钛Ti、银Ag等。（2）加热器的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉，加速气体的吸附，提高其灵敏度和响应速度。加热器的温度一般控制在200400左右，加热方式一般有直热式和旁热式两种，因而形成了直热式和旁热式气敏元件。 *直热式 ： 直热式是将加热丝直接埋入Sn

42、O2、ZnO粉末中烧结而成，因此，直热式常用于烧结型气敏结构，直热式结构如图2-34（a）、（b）所示。 直热式结构的气敏传感器的优点是制造工艺简单，成本低，功耗小，可以在高电压回路中使用。它的缺点是热容量小，易受环境气流的影响，测量回路和加热回路没有隔离，相互影响。*旁热式： 旁热式是将加热丝和敏感元件同置于一个陶瓷管内，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外再涂SnO2等材料，其结构如图2-34（c）、（d）所示。 旁热式结构的气敏传感器克服了直热式结构的缺点，使测量电极和加热电极分离，而且加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路和加热回路的相互影响；器件热容量大，降低了环境温度对器件加热温度

43、的影响，所以这类结构器件的稳定性、可靠性比直热式好。图2-34 气敏电阻传感器的结构符号2.4.3 气敏电阻传感器的应用 气敏电阻传感器主要用于制作报警器及控制器。作为报警器，超过报警浓度时，发出声光报警；作为控制器，超过设定浓度时，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其他元件完成控制动作。1矿灯瓦斯报警器 图2-35为矿灯瓦斯报警器电原理图。瓦斯探头由QM-N5型气敏元件，R1及4V矿灯蓄电池等组成。RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯浓度超过某一设定值时，RP输出信号通过二极管VD1加到三极管VT1基极上，VT1导通，VT2、VT3便开始工作。VT2、VT3为互补式自激多谐振荡器，它们的工作使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。 2简易酒精测试器 如图2-36所示为简易酒精测试器。此电路中采用TGS812型酒精传感器，对酒精有较高的灵敏度（对一氧化碳也敏感）。其加热及工作电压都是5V，加热电流约为1