传感器与检测技术第02章 电阻式传感器

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第2章 电阻式传感器
电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的
变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械
量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得
到了广泛应用。
目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电
阻和湿敏电阻等几大类。
2.1 电阻应变片
电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，
主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。
2.1.1 电阻应变效应
2.1.1.1 概念
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，
这一物理现象称为电阻应变效应。
2.1.1.2 电阻的应变灵敏系数
根据电阻的定义式 :R= ；
当有变化量∆ρ 、∆l 、∆A 时，其相对变化率为：
（ 2-1-1 ）
对于直径为 d 的圆柱形截面电阻丝，因为 A=лd2/4 ；故：
A
l
A
A
l
l
R
R
∆A=A‘-A=л[ （ d- d∆）2-d2]/4=2 d/d (∆略去高阶无穷小）。再引进力学中的泊
松比
；
故 ；最后得： ；
K
0：应变灵敏系数。其中：（ 1+2µ ）是由几何尺寸改变引起的，金属导体以此为主；
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。

2

0
)
/
/
21()21( K
l
l
lll
l
R
R
ll /
/
2.1.2 电阻应变片的类型及常用材料
根据应变片的质地，主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。
2.1.2.1 金属电阻应变片
此类应变片的结构形式有丝式、箔式和薄膜式三种。
1) 丝式应变片
如图 2.1.1a 所示，它是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，胶基和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片
贴于弹性体上就可构成应变式传感器。它结构简单，价格低，强度高，但允许通过
的电流较小，测量精度较低，适用于测量要求不很高的场合使用。
2) 箔式应变片
该类应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在 0.003-0.01mm
之间，它的结构如图 2.1.1b 所示。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，
允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔
式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。
3) 金属薄膜应变片
它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以
形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。
a) 丝式 b) 箔式
图2.1.1 金属电阻应变片结构
1
1
2
2
3
3
图2.1.2 体型半导体应变片
2.1.2.2 半导体应变片
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。
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
称为半导体的压阻效应。
半导体应变片有以下几种类型：
1 ）体型半导体应变片
这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴
在基片上而成的应变片，其结构如图 2.1.2 所示。
2 ）薄膜型半导体应变片
这种应变片是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，
其结构示意图见图2.1.3 。
3 ）扩散型半导体应变片
将 P型杂质扩散到 N型硅单晶基底上，形成一层极薄的 P型导电层，再通过超声波
和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。图 2.1.4 为扩散型半导体应变片示意图。
这是一种应用很广的半导体应变片。
1
2
3
4
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
2 1
345
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
2.1.2.3 应变片的常用材料及粘贴技术
1) 常用材料
I. 4YC3 ： 4YC3 是Fe-Cr-Al 系 550℃高应变电阻合金，其电阻率高，电阻温度系数低，
热稳定性好，主要用于工作温度≦ 550℃的电阻应变计。
II. 4YC4 ： 4YC4 是 Fe-Cr-Al 系 750℃高温应变电阻合金，其电阻率高、电阻温度系数
低，尤其是在 600℃以上有较好的热输入和重现性低的零飘。合金主要用作工作温度≦ 75
0℃的电阻应变计，用于大型汽轮机、航空、原子反应堆等领域中静态和准静态测量。
III. 4YC8 ： 4YC8 铜镍锰钴合金精密箔材，专用于高精度箔式电阻应变计，其温度自补
偿性能及其它技术指标符合《电阻应变计》标准规定的 A 级产品质量要求。箔材平均热输
出系数 ct<1με ／℃，用它制成箔式应变计可以在钛合金、普通钢、不锈钢、铝合金、镁
合金等多种材料制成的试件上达到良好的温度自补偿效果，优于国外同类合金箔材，技术
性能达到国外先进水平。
4YC9 ：4YC9 是Ni-Mo 系500℃ 自补偿应变电阻合金，它的 ρ 值高，电阻温度系数
小，热输出、热稳定性好，适用于制作在≦500℃工作的自补偿电阻应变计。
2) 应变片的粘贴工艺步骤
I. 应变片的检查与选择 首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是
否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测
量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。
II.试件的表面处理 为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件
表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无
油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表
面的清洁，可用化学请洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。
值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士
林暂作保护。
III. 底层处理 为了保证应变片能牢固地贴在拭件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶
接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。
Ⅳ. 贴片 将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在拭件表面和应变片底面各涂上一
层薄而均匀的粘合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，
用手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。
Ⅴ. 固化 粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温
度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防
止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防潮层一
般可采用稀释的粘合胶。
Ⅵ. 粘贴质量检查 首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、
破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有断路或短路现象以及测量敏感栅的绝缘电阻。
Ⅶ . 引线焊接与组桥连线 检查合格后既可焊接引出导线，引线应适当加以固定。
应变片之间通过粗细合适的线连接组成桥路。连接度应尽量一，且不过多 。
2.1.3 电阻应变计的型号及选用
2.1.3.1 型号的规
电阻应变计型号的规如下：类、基底材料种类、标准电阻 --- 敏感栅度、敏
感栅结构形式、极工作温度、自补偿号（温度和变补偿）及接线方式。如 F 350
-- 3 AA 80 （ 23） N6 – 的义是：
I. :表示应变计类(: 箔式 :用 :专用 ( 指箔)) ；
II. F:表示基底材料种类 (:玻璃强合成 F: 改性 A:  !" #:
 -$ %: 纸浸胶 &:'( )；
III. 350: 表示应变计标准电阻 ；
I). 3表示敏感栅度（ ** ）；
). AA 表示敏感栅结构形式；
)I. 80表示极工作温度（℃）；
)II. 23表示温度自补偿或弹性+量自补偿号 (,: 用于钛合金 -23: 用于铝合金 11:
用于合金钢、./体不锈钢和沉01化型不锈钢 16: 用于2/体不锈钢和铜基材料 23:
用于铝合金 27: 用于镁合金 )；
)III. N6 表示变自补偿标号 ( 变标
号 :8，6，4 ， 2 ， 0 ， 133353N2 ， N4 ， N6 ，N8 ，N0 ， N1 ， N3 ，N5 ，N
7，N,)；
Ⅸ. X 表示接线方式 (X: 标准引线焊接方式 ;D: 4焊4;C: 焊端56式;U: 完全56式，
焊引线 ;F: 完全56式，不焊引线； X**: 要求焊圆引线， ** 表示引线度；
BX** ：要求焊7引线， ** 表示引线度； Q**: 焊接线， ** 表示引线度；
G**: 焊接高温引线， ** 表示引线度)。
2.1.3.2 应变计的自8补偿及其选用
1) 温度补偿及选用9
应变计:;在具有某一线<=系数的试件上，试件可以自由<=并不>外力作用，在?@
A（或降）温的均匀温度场B，由温度变化引起的指示应变称为热输出。热输出是由应变计
敏感栅材料的电阻温度系数和敏感栅材料与被测试件材料之间线<=系数的CDE同作用、
F加的结果，可由以下G式表示：
H t=[(It/J)+Ke-KL]]Mt (2-1-2)
式中 It、KL 分为应变计敏感栅材料的电阻温度系数 (1/C) 和线<=系数 (1/C)3K 为
应变计的灵敏系数 3Ke为试件的线<=系数 (1/C)3Mt为NOPQ温度的温度变化量
(C) 。热输出是静态应变测量中最大的RCS 3 而且应变计的热输出分散随T热输出值的
大而大 . 当测试环UV在温度W度或X变时 3这种CD就更大。因此，理Y的Z[是应变
计的热输出值超于零，\足这一要求的应变计称为温度自补偿应变计。
通过调整合金成]比，改变^_成型压$率以及适当的热处理，可以使敏感栅材料的B`
晶体结构重a组合，改变其电阻温度系数 3从而使应变计的热输出超过零，b现对弹性元件
的温度自补偿。 一般应从以下cd方面进行选择：
e. 目前应变计常用的温度自补偿系数有 :,、 11 、 16、 23、 27。其中f ,g 用于钛合
金；f11g用于合金铜、./不锈钢和沉01化型不锈钢；f16g用于2/不锈钢和铜基
材料；f23g用于铝合金；f27g用于镁合金。
h. 当温度自补偿应变计与测试件材料i]时，在补偿温度范围B，热输出RC较小。
j. 当温度自补偿应变计所要求使用材料的线<=系数与测试件材料有k小CD时，应选
用两片或c片应变计组成半桥或全桥，以l除热输出带来的影响。
Ⅳ. 采用1/4 桥路进行应力测量时，除:;在试件表面的工作应变计外，还应在与测试
材料相同的补偿块上:;相同批次的应变计作为补偿片，并与工作片处于相同的环U条件下，
这两片应变计分接在mn通电桥的相o桥p，以l除热输出的影响。
摘要：

第2章电阻式传感器电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。可用于各种机械量和热工量的检测，它结构简单，性能稳定，成本低廉，因此，在许多行业得到了广泛应用。目前，常用的电阻传感器主要有电阻应变片、热电阻、光敏电阻、气敏电阻和湿敏电阻等几大类。2.1电阻应变片电阻应变片是利用电阻应变效应原理制成的、应用最为广泛的电阻式传感器，主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测。2.1.1电阻应变效应2.1.1.1概念导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，它的电阻值也相应地发生变化，这一物理现象称为电阻应变效应。2....

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