传感器基础教程第2章电阻式传感器

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第 2 章电阻式传感器

第

第2

2章电阻式传感器

章电阻式传感器

电阻式传感器是将非电量的变化量，变换成与之有一定

关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量达到对上述非

电量测量的目的。

电阻式传感器主要分为：应变式电阻传感器（金属、半

导体）和电位计（器）式电阻传感器以及热敏式电阻传感器、

光敏式电阻传感器、磁敏式电阻传感器、气敏式电阻传感器

等。

前两种属于力敏传感器。

2.1 金属电阻应变式传感器

2.2 半导体应变片及压阻式传感器

2.3 电位计（器）式传感器

第 2 章电阻式传感器

2.1 金属电阻应变式传感器

电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位

移、应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。

它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现。主要

用于测量变化量相对较小的情况，其灵敏度较高。

 工作原理：基于材料的应变效应。

一、应变效应

二、电阻应变片的工作原理

三、电阻应变片的结构

四、测量电路

五、电阻应变式传感器的应用

第 2 章电阻式传感器

一、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”。

导体或半导体的电阻

导体或半导体在受外力作用时会产生

机械变形，从而使电阻率 ρ

、

长度 l 和截面积 S 这三者都发生变化，

所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力

的大小。





 当受到拉力 F 作用时，将伸长 Δl ，横截面积相应减小 ΔS ，电

阻率将因晶格发生变形等因素而改变 Δρ，故引起电阻值相对变化量为

















第 2 章电阻式传感器

式中，l / l =ε为金属导体电阻丝的轴向应变，

常用单位



（1



= 1×10-6 mm/mm ）。

由于 S =



d 2 / 4 ，则S / S = 2 d / d, 其中d / d 为径向应变；

且由材料力学知， d / d = 



，式中



为金属材料的泊松比。

 



/21 



















 









/





RR

其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。

灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的

变化，即（ 1+2μ）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即







。

应变灵敏系数：

第 2 章电阻式传感器

对于金属材料，



较小，可以略去；且



= 0.2 ～0.4 （弹性

范围），

K ≈ 1+2



= 1.4 ～1.8 ，实际测得 K ≈ 2.0 ，说明





项对 K 还是有一

定影响。

一般情况下，在应变极限内（弹性范围），金属材料电阻的相对

变化与轴向应变成正比

 









/





RR



R



第 2 章电阻式传感器

在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，粘贴在被测对象

上的应变片随其发生相同的机械变形，同时，应变片电阻也发生相

应变化。当测得应变片电阻值变化量 ΔR 时，便可得到被测对象

的应变值

，根据应力和应变的关系，得到应力值

式中

σ—— 试件的应力；

ε—— 试件的应变；

E—— 试件材料的弹性模量（ kg / mm2）。

由此可知，应力值

正比于应变 ε，而试件应变又正比于电

阻值的变化 ΔR ，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。

外力→变形→应力→应变→电阻值变化→电压变化



E

二、电阻应变片的工作原理

第 2 章电阻式传感器

三、金属电阻应变片的结构

 基本结构

金属电阻应变片种类繁多，但其基本结构大体相似，现以金

属丝绕式应变片结构为例加以说明。

将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们变成

一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。

1－基底 2－敏感栅 3－覆盖层 4－引线，用以和外接导线连

接

L－敏感栅长度 b－敏感栅的宽度

第 2 章电阻式传感器

敏感栅是应变片最重要的组成部分根据敏感栅形状和制造工艺

的不同，金属应变片主要分为丝式、箔式和膜式三种类型。它们根据需

要可以制作成各种形状。

（ 1 ）丝式应变片：

丝式应变片有回线式和短接式两种。丝式应变片制作简单、性

能稳定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效

应较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大 5～

10 倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在

冲击或振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。目前大都

采用箔式应变片。

a) 回线式丝式应变片 b)

短接式丝式应变片

1. 敏感栅

第 2 章电阻式传感器

箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为 0.003

~ 0.01 mm 的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅。有时称为应变

花。

（2）箔式应变片：

第 2 章电阻式传感器

优点：

 制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形

状，其栅长可做到0.2mm ；

 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好；

 散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；

 横向效应小；

 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。

由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势。

（3）金属薄膜应变片

金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法，在薄的绝缘基

片上形成厚度在 0.1 mm 以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅。

它的优点是应变灵敏系数大，允许工作电流密度大，工作温度范

围宽，可达－197 ～317℃ 。

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摘要：

第2章电阻式传感器第第22章电阻式传感器章电阻式传感器电阻式传感器是将非电量的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。电阻式传感器主要分为：应变式电阻传感器（金属、半导体）和电位计（器）式电阻传感器以及热敏式电阻传感器、光敏式电阻传感器、磁敏式电阻传感器、气敏式电阻传感器等。前两种属于力敏传感器。2.1金属电阻应变式传感器2.2半导体应变片及压阻式传感器2.3电位计（器）式传感器第2章电阻式传感器2.1金属电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。它具有悠久的历史，但新型应...

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