电阻式传感器
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电阻式传感器
外形图
(8)应变片式传感器应用
(一)柱式力传感器原理
内部 图
外形图 展开图
(8)应变片式传感器应用
(8)应变片式传感器应用
(一)柱式力传感器应用
1、称重式料位计
(8)应变片式传感器应用
(一)柱式力传感器应用
2、电子皮带秤
电子皮带称的称重框架示意图
(8)应变片式传感器应用
(一)柱式力传感器应用
西门子称重传感器（内部结构）
弯曲横梁 （弹性体）
应变片
西门子称重传感器（内部结构）
拉伸
压缩
称重传感器—测量电路
西门子称重传感器(附件)
①支撑件
导向套件
密封圈
自定位螺栓
西门子称重传感器(附件)
②固定支架
西门子称重传感器(附件)
②固定支架
顶板
限制振动，防 举起装置
过载保护
底板
传感器固定 螺丝钉
2、电子吊车秤
卷扬筒 传感器
信号电缆
防扭转臂 定滑轮
传感器
动滑轮
荷重传感器安装在吊车上的方式
荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式
(8)应变片式传感器应用
(二)梁式力传感器原理
梁的固定端宽度为b0，自由端宽度 为 b ，梁长为 L ，梁厚为 h 。这种弹性元 件的特点是，其截面沿粱长方向按一定 规律变化，当囊中力 F 作用在自由端时， 距作用力任何距离z的截面上应力a相等。 因此，沿着这种梁的长度方向上的截面 抗弯模量Ⅳ的变化与弯矩 M 的变化成正 比．即：
二、电阻式传感器
(2)应变效应 金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相
应的应变，其电阻也将随之发生变化，这种物理现象
称为“应变效应”，用来产生应变效应的细导体称为
电阻式传感器的原理和应用
电阻式传感器的原理和应用一、引言电阻式传感器是一种常用的传感器，根据电阻值的变化来检测并测量环境中的物理量。
它可以通过改变电流、电压或物体的位置来改变电阻值，并将这些变化转化为电信号进行测量和控制。
电阻式传感器广泛应用于工业自动化、汽车、电子设备、医疗仪器等领域，本文将介绍电阻式传感器的原理和应用。
二、电阻式传感器的原理电阻式传感器的原理是基于电阻值的变化来测量物理量。
常见的电阻式传感器包括拉压型传感器、温度传感器、位移传感器等。
2.1 拉压型传感器拉压型传感器是通过改变物体所受力大小来改变电阻值。
当物体受到外力作用时，传感器内部的电阻值会随之变化。
利用这种原理，可以测量物体所受的力大小。
拉压型传感器广泛应用于重力感应、压力测量、体重测量等方面。
2.2 温度传感器温度传感器是通过改变物体的温度来改变电阻值。
常见的温度传感器包括热敏电阻、热电偶等。
温度传感器可以根据电阻值的变化来测量物体的温度。
在汽车、电子设备、气象等领域都有广泛的应用。
2.3 位移传感器位移传感器是通过改变物体的位置来改变电阻值。
常见的位移传感器包括线性变阻器、电位器、差分电容传感器等。
位移传感器可以根据电阻值的变化来测量物体的位置，广泛应用于机械控制、自动化等领域。
三、电阻式传感器的应用电阻式传感器具有广泛的应用领域，以下列举了几个常见的应用场景：•工业自动化：电阻式传感器可以用于测量压力、温度、流量等工业参数，实现工业过程的自动化控制。
•汽车行业：电阻式传感器在汽车中的应用十分广泛，用于测量水温、油位、气压等参数，保证汽车的安全运行。
•智能家居：电阻式传感器可以应用于智能家居系统中，通过测量温湿度、烟雾等参数，实现家居设备的智能控制。
•医疗仪器：电阻式传感器在医疗仪器中的应用主要体现在体温计、血压计、心电仪等设备中，实现对人体健康状况的监测和测量。
•环境监测：电阻式传感器可以用于环境监测领域，例如测量大气压力、土壤湿度等参数，用于气象、农业等研究。
电阻式传感器精品PPT课件
6. 理解应变式传感器的结构设计及应用
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
2
3
概述
电阻应变式传感器——利用电阻应变片将应变转换为电阻变
化的传感器。 主要用途——测量力、力矩、压力、加速度、重量等。
4
电阻应变式传感器的工作原理
将电阻应变片粘贴在弹性元件特 定表面上，当力、扭矩、速度、加速度 及流量等物理量作用于弹性元件时，会 导致元件应力和应变的变化，进而引起 电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经 电路处理后以电信号的方式输出。
6
设有一段长为L，截面积为A，电阻率为ρ的导 体(如金属丝)，它具有的电阻为
L
2r 2(r-dr)
F
F
R l
A
L+dL
ρ:电阻系数 l:金属导线长度 A:金属导线截面积
当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其L、A和ρ
均发生变化。
7
R l
A
两边取对数：ln R ln L ln A ln
两边微分：dR d dA dl R Al
16
敏基粘感底结栅—剂——固— —定应 用敏变 粘感片 结栅中剂，最分并重别使要把敏的盖感部层和栅分敏与，感弹由栅性某固种 元结金 件于属 相基细 互底丝 绝；绕 缘在成 ； 栅应使形变用。计应应工变变作计计 时 时中 ， ，实 基 用现底粘应起结变着剂把把-电试应阻件变转应计换变基的准底敏确 再感地 粘元传 贴件递 在。给 试敏敏 件感感 表栅栅 面 合的的金作被材用测料，部的为位选 此 ，择 基 因对 底 此所必粘制须结造很剂的薄也电，起阻一着应般传变为递计应0.0性 变2～能 的0的 作.04好 用m坏 。m起。着常决 定性的作用。
——为金属材料的泊松比
d/ —金属丝电阻率的相对变化量
代入
电阻式传感器
第3章 电阻式传感器
3.1 工作原理 3.2 特性分析 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿 3.4 电阻应变片的测量电路 - 电桥
导学表
3.1 工作原理
应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变
弹性元件 具有弹性应变特性的物体
可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。
注意补偿条件
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 ② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应 变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 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， 两者线膨胀系数相同。 ④ 两应变片应处于同一温度场。
分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：
E 式中：
π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
弹性模量： 单向应力状态下 应力除以该方向的应变。
应变成正比，即K为常数。
3.1.2 电阻应变片种类
常用的电阻应变片有两种： 金属电阻应变片 半导体应变片
金属电阻应变片
电阻丝
衬底
蚀刻箔片 衬底
(a)丝式
引出导线
1 2
(b)箔式
K 1 2
灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）
半导体应变片
1 2
A
受外力作用伸长，长度增加，截面积减少，电阻值会增大。 受外力作用压缩，长度减小，截面增加，电阻值会减小。 电阻率增大，电阻值会增大 电阻率减小，电阻值会减小
3.1 工作原理 3.2 特性分析 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿 3.4 电阻应变片的测量电路 - 电桥
导学表
3.1 工作原理
应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象
弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变
弹性元件 具有弹性应变特性的物体
可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。
注意补偿条件
① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 ② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应 变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 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， 两者线膨胀系数相同。 ④ 两应变片应处于同一温度场。
分析：当半导体应变片受轴向力作用时 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：
E 式中：
π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
弹性模量： 单向应力状态下 应力除以该方向的应变。
应变成正比，即K为常数。
3.1.2 电阻应变片种类
常用的电阻应变片有两种： 金属电阻应变片 半导体应变片
金属电阻应变片
电阻丝
衬底
蚀刻箔片 衬底
(a)丝式
引出导线
1 2
(b)箔式
K 1 2
灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）
半导体应变片
1 2
A
受外力作用伸长，长度增加，截面积减少，电阻值会增大。 受外力作用压缩，长度减小，截面增加，电阻值会减小。 电阻率增大，电阻值会增大 电阻率减小，电阻值会减小
电阻式传感器
结构组成与特点
结构组成
电阻式传感器主要由电阻元件、电极和绝缘体等部分组成。其中，电阻元件是核 心部分，其电阻值随被测量（如温度、压力、位移等）的变化而变化。
特点
电阻式传感器具有结构简单、体积小、重量轻、价格低廉等优点。同时，由于电 阻元件与被测量直接接触，因此响应速度较快，且易于实现小型化和集成化。
性能参数及指标
灵敏度
线性度
电阻式传感器的灵敏度表示为单位被测量 变化引起的电阻值变化量。灵敏度越高， 传感器的测量精度和分辨率就越高。
线性度是指传感器输出量与输入量之间的 线性关系程度。线性度越好，传感器的测 量误差就越小。
稳定性
抗干扰能力
稳定性是指传感器在长时间使用过程中保 持其性能参数不变的能力。稳定性越好， 传感器的使用寿命就越长。
THANKS。
04
电阻式传感器信号处理与接口 电路
信号处理电路设计
01
02
03
放大电路
采用差分放大电路，减小 共模干扰，提高信号放大 倍数。
滤波电路
设计低通滤波器，滤除高 频噪声，保证信号平滑。
A/D转换电路
将模拟信号转换为数字信 号，便于后续数字处理。
接口电路实现方式
线性化接口电路
通过线性化电路将电阻式 传感器的非线性输出转换 为线性输出。
电阻式传感器
汇报人：XX
contents
目录
• 电阻式传感器概述 • 电阻式传感器结构与性能 • 电阻式传感器测量原理与方法 • 电阻式传感器信号处理与接口电路 • 电阻式传感器应用实例分析 • 电阻式传感器发展趋势与挑战
01
电阻式传感器概述
定义与工作原理
定义
电阻式传感器是一种利用被测物理量 （如压力、位移、温度等）引起的电 阻变化来测量该物理量的装置。
电阻式传感器原理
电阻式传感器原理详解引言电阻式传感器是一种常见的传感器类型，广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗设备等领域。
它通过测量电阻值的变化来获取被测量物理量的信息。
本文将详细解释电阻式传感器的基本原理，包括其工作原理、构成和应用。
1. 电阻式传感器的工作原理电阻式传感器是利用被测量物理量对电阻值产生影响的原理工作的。
当被测量物理量发生变化时，导致了电阻值的变化，从而可以通过测量电阻值来获取该物理量的信息。
2. 电阻式传感器的构成一个典型的电阻式传感器通常由以下几个主要部分组成：2.1 敏感元件敏感元件是电阻式传感器中最关键的部分，它直接受到被测量物理量的影响，并产生相应的电阻变化。
根据不同的物理量，敏感元件可以采用不同类型的材料和结构设计。
2.2 悬臂结构悬臂结构是一种常见的敏感元件结构，它由一个固定端和一个自由端组成。
自由端会受到被测量物理量的作用而发生位移，从而导致电阻值的变化。
2.3 电阻材料电阻材料通常涂覆在敏感元件上，用于改变电阻值。
常用的电阻材料有金属薄膜、碳膜等。
2.4 输出电路输出电路用于测量和处理敏感元件的电阻变化，并将其转换为可读取或可传输的信号。
常见的输出电路包括电压分压器、桥式电路等。
3. 电阻式传感器的工作原理解析了解了电阻式传感器的构成后，我们可以更深入地理解其工作原理。
当被测量物理量发生变化时，例如温度、压力、光照强度等，这些变化会直接或间接地影响到敏感元件。
以温度传感器为例，当温度升高时，敏感元件中的材料会膨胀，导致悬臂结构发生位移。
这个位移会使得涂覆在敏感元件上的电阻材料发生形变，从而改变电阻值。
接下来，输出电路会将敏感元件的电阻变化转换为可读取或可传输的信号。
例如，当使用电压分压器作为输出电路时，它会将敏感元件的电阻与一个已知电阻串联连接，形成一个简单的电压分压器。
根据分压原理，当输入电阻值发生变化时，输出电压也会相应改变。
最后，我们可以通过测量输出电路的信号来获取被测量物理量的信息。
电阻式传感器
提高灵敏度的作用,
34
筒式结构使应变片分散在端面的载荷集中
到筒的表面上来，改善了应力线分布；在筒壁上
还能开孔，如图所示，形成许多条应力线，从而
与载荷在端面的分布无关，并可减少偏心载荷、
非均布载荷的影响，使引起的误差更小。
35
(2)悬臂梁式传感器
悬臂梁式传感器是一种低外形、高精度、
抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹
等特点。
39
除等截面梁和等强度梁传感器外，还有剪
切梁式传感器，两端固定梁传感器等等。如图
所示，为几种梁式传感器外形。
40
（a）双孔梁
（b）S形
41
如图所示，是引进美国HBM公司技术和生产
线生产的SB3悬臂梁式传感器。
42
案例：电子称
3.2 电阻式传感器
华中科技大学机械学院
43
(3)轮辐式传感器
圆筒 形 两种 。 圆筒 或 圆柱
在外力F作用下产生的应变
为
F
e
E EA
33
一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面的
中间部分，如左图所示，并连接成右图所示的桥路。
R1 和R3 ，R2 和R4 分别串联，放在相对桥臂
内，这是为了消除弯矩的影响。横向粘贴的应
变片R5、R6、R7和R8作为温度补偿片(也可起到
应变值与试件真实应变的相对差值不超过10%时
的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因
素是粘合剂和基底材料的性能。
27
(7)疲劳寿命
疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，
在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而
不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变
34
筒式结构使应变片分散在端面的载荷集中
到筒的表面上来，改善了应力线分布；在筒壁上
还能开孔，如图所示，形成许多条应力线，从而
与载荷在端面的分布无关，并可减少偏心载荷、
非均布载荷的影响，使引起的误差更小。
35
(2)悬臂梁式传感器
悬臂梁式传感器是一种低外形、高精度、
抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹
等特点。
39
除等截面梁和等强度梁传感器外，还有剪
切梁式传感器，两端固定梁传感器等等。如图
所示，为几种梁式传感器外形。
40
（a）双孔梁
（b）S形
41
如图所示，是引进美国HBM公司技术和生产
线生产的SB3悬臂梁式传感器。
42
案例：电子称
3.2 电阻式传感器
华中科技大学机械学院
43
(3)轮辐式传感器
圆筒 形 两种 。 圆筒 或 圆柱
在外力F作用下产生的应变
为
F
e
E EA
33
一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面的
中间部分，如左图所示，并连接成右图所示的桥路。
R1 和R3 ，R2 和R4 分别串联，放在相对桥臂
内，这是为了消除弯矩的影响。横向粘贴的应
变片R5、R6、R7和R8作为温度补偿片(也可起到
应变值与试件真实应变的相对差值不超过10%时
的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因
素是粘合剂和基底材料的性能。
27
(7)疲劳寿命
疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，
在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而
不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。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ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
《电阻式传感器 》课件
绕制或印刷导电线路
在弹性元件上绕制或印刷导电线路，确保 线路的电阻值和稳定性。
04
电阻式传感器的实际应用 案例
压力传感器
01
压力传感器是一种常见的电阻式传感器，它能够将压力信号转换为电 信号，从而实现压力的测量和控制。
02
在汽车工业中，压力传感器被广泛应用于发动机控制、气瓶压力监测 、空调系统等。
市场发展与竞争格局
市场需求
随着工业自动化、智能制造等领域的发展， 电阻式传感器的市场需求不断增长。
竞争格局
国内外企业在电阻式传感器市场上展开激烈竞争， 技术、品质和服务成为竞争的关键因素。
市场趋势
未来电阻式传感器市场将朝着智能化、小型 化、集成化、高精度和高可靠性的方向发展 。
06
总结与展望
电阻式传感器的重要地位
温度影响
电阻式传感器的电阻值会受到温度的影响，导致测量结果的误差。因此，需要采 取一定的温度补偿措施。
稳定性
经过长时间使用和多次测量后，电阻式传感器仍能保持其基本特性的能力，是衡 量传感器性能的重要指标。
响应时间与恢复时间
响应时间
电阻式传感器对输入物理量变化做出 反应的时间，即从输入变化到输出变 化所需的时间。
原材料准备
根据设计要求，准备所需的敏感材料、弹 性材料和辅助材料。
性能测试与校准
对制造完成的电阻式传感器进行性能测试 和校准，确保其测量精度和稳定性达到预 期要求。
制造弹性元件
根据设计图纸，采用机械加工或成型工艺 制造弹性元件。
组装与调整
将敏感元件、弹性元件和导电线路组装在 一起，并进行必要的调整和测试，以确保 传感器性能符合要求。
生物材料
结合生物材料，开发出具有生物 相容性和生物活性的传感器，用 于医疗、生物监测等领域。
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
传感器-第4章(电阻式)
第2章
电阻式传感器 3
3、半导体和金属的电阻率与温度关系的区别？ 金属是由金属原子组成的晶格和自由电子组成的， 实际参与导电的是自由电子。晶格是一直振动的， 和分子的热运动相关。金属之所以有电阻是由于 晶格对自由电子的定向移动的阻碍。而且由于温 度越高，晶格震动越强烈，所以它的阻碍效应就 越明显，这是金属电阻随温度升高而变大的原因。 对于半导体，它的电子基本都被束缚在原子核上。 所以它需要一定的温度或者光来激发，是它的电 子获得足够的能量，摆脱原子核的束缚，从而成 为能够参与导电的粒子。所以温度升高，能够参 与导电的粒子就越多，电阻就越小。
第2章
电阻式传感器 1
压阻式传感器应变片工作原理：压阻式传感器是 利用半导体的压阻效应制成的。半导体材料受到 应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称 为压阻效应。其灵敏系数为
R R K πL E ε
压阻式传感器的优点是：灵敏度高，测量元件尺 寸小，频率响应高，横向效应小。但它的温度稳 定性差，在较大的应变下，灵敏度的非线性误差 大。所以用压阻式传感器进行测量的时候，必须 要采取温度补偿，以消除温度对测量结果的影响。
电阻式传感器 4
4、请分析右图中的台式称重传感器的应变片该怎
么粘贴？并分析其变形情况。
第2章
电阻式传感器 5
5、请分析右图中的应变式荷重传感器的应变片该
怎么粘贴？并分析其变形情况。
F
R1 R 2
R4
第2章
电阻式传感器 5
荷重传 感器上的应 变片在重力 作用下产生 变形。轴向 变短，径向 变长。
荷重传感器原理演示
(4)焊接：将引线和端子用 烙铁焊接起来，注意不要把 端子扯断。
第2章
电阻式传感器 1
电阻式传感器
第三章 电阻式传感器 在众多传感器中，有一大类是通过电阻参数的变化来达到非电量电测量的目的，它们被统称为电阻式传感器。
这是一种将被测信号的变化转换成电阻值变化，然后再经相关测量电路处理后，在终端仪器、仪表上显示或记录下被测量变化状态的测量装置。
利用电阻式传感器可进行位移、形变、力、力矩、加速度、温度、湿度等物理量的测量。
由于各种电阻材料在受到被测量作用时转换成电阻参数变化的机理各不相同，因而在电阻式传感器中就形成了许多种类。
本章主要介绍电阻应变片式传感器，气敏、湿敏电阻传感器等，其他的电阻式传感器（如热电阻，热敏电阻）将在以后的章节中介绍。
第一节 电阻应变片式传感器电阻应变片式传感器具有悠久的历史，也是目前应用比较广泛的传感器之一。
将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路后就可以检测位移、加速度、力、力矩等参数变化。
电阻应变片是电阻应变片式传感器的核心器件。
这种传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定可靠，易于自动化、多点同步测量、远距离测量和遥测等特点，并且测量的灵敏度，速度都很高，无论是静态测量还是动态测量都很适用，因此在机械、电力、化工、建筑、医疗、航空等领域都得到了广泛的应用。
一、电阻应变片的结构、工作原理１畅应变片结构与类型电阻应变片（简称应变片）的结构形式各异，但其结构组成与图３－１给出的电阻丝式应变片的结构基本相同。
图中L为应变片的标距（或称工作基长），它是敏感栅沿轴向测量变形的有效长度；b为敏感栅的宽度（或称基宽）。
图３－１ 电阻丝式应变片基本结构１—基底 ２—敏感栅 ３—覆盖层 ４—引线应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。
金属片又有丝式、箔式、薄膜式之分。
图·42·３－２列举了几种不同类型的电阻应变片。
其中金属丝式应变片使用最早最多，它有纸基型、胶基型两种。
因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。
箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺，将电阻箔片在绝缘基片上制成各种图案而形成的应变片，其厚度通常在０畅００１～０畅０１ｍｍ之间。
电阻式传感器
第3章 电阻式传感器
第一节 金属应变片式传感器
金属应变片式传感器是一种由金属应变片和弹性敏感 元件组合起来的传感器。将应变片粘帖在各种弹性敏感元 件上，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、位移、 加速度等各种参数作用时，将产生位移、应力和应变，此 时电阻应变片就可将其转化为电阻的变化。
金属应变片的工作原理是基于应变效应。
应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械 变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称 为应变效应。
4
第3章 电阻式传感器
补
弹性力学
充 知
识
在现实世界中，真正的刚体是不存在的。一般物体
在外力作用下，它的形状和大小都会或多或少发生变化。
研究物体在形状和大小发生改变时的力学性质，不仅在
工程技术方面，而且在生物医学方面，都是重要的。
掌握描述弹性力学的基本概念： 形变、 应力、 应变、 模量
5
第3章 电阻式传感器
物体受到外力作用后，产生两方面效果：
一方面产生整体运动;
另一方面，外力将向物体内部传递，引起物体内部 各相邻点之间相对运动，导致其体积或形状发生改变， 使物体产生变形。
形变
弹性形变: 能恢复原状的形变; 例如：橡皮筋等。
二、电阻应变片的种类、结构和材料 用电阻应变片制作的生理传感器很多，应用很广泛。 常在仪器中采用的应变片有两种类型：
丝式应变计 箔式应变计
优点：稳定性和温度特性好。缺点：灵敏度系数小。 这两种应变计主要使用的材料是康铜和卡码合金2。2
第3章 电阻式传感器
材料选择
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，因为它有很 多优点：
（b）短接式应变计
25
第3章 电阻式传感器
电阻式传感器
（4）电阻应变片的温度特性
电阻应变片的电阻值受环境温度的影响较大，主要 原因有： ①应变片材料的电阻温度系数引起的，因为材料的 电阻率随温度变化。 ②应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同，引起 应变片的敏感栅变形而产生电阻变化。
温度补偿措施
工作应变片
受力
R1
补偿应变片 温度相同
R2
36
（a） 同步补偿
第三章 电阻式传感器
提纲
电阻式传感器是把非电量（如位移、力、振动和加 速度等）转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传 感器在生物医学测量中应用非常广泛，可用于测量 血压、脉搏等生理参数。
按照工作原理可为： 电位器式传感器 电阻应变式传感器 固态压阻式传感器
2
电位器式传感器
电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转 换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。
值的变化。
电阻应变式传感器的结构
（1）非粘贴式传感器：利用应变丝将弹性元件 产生的位移量转化为电阻值的变化。。
（2）粘贴式电阻应变传感器
粘贴式电阻应变式传感器可用于测量力、压力、 加速度、扭矩等非电物理量。 测力传感器用弹性元件将力转换为应变量，再利 用粘贴在弹性元件上的应变片把应变压力变换为 电阻值的变化。常用的弹性元件有柱式、悬臂梁 式和环式。
38
频率响应特性 当测量按照正弦规律变化的应变时：
39
40
（6）电阻应变片的其他特性（略）
3.2.4 应变片的粘贴和常用黏合剂（略）
电阻应变式传感器的结构
应变式传感器包括两个主要部分：
弹性敏感元件，利用它把被测的物理量（如力、
扭矩、压力、加速度等）转化为弹性体的应变值；
应变片（丝），作为传感元件将应变转换为电阻
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dR 令 RK
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
d 则 K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1 2) 项
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即
d
p
项
（二）应变片的结构
于电阻丝应变片的灵敏度系数，即 K K0 。
（电阻丝应变片存在横向效应）
（二）横向效应
y
P
P
x
y x
l0
纵变向应y 造变成电x 阻造减成少电。阻增加，横向应
图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图
a r 2b
由于横向效应，横向应变 y也能引起电阻的变化．此时
实际电阻的变化为
R R
K x x
2.粘贴技术 （1）应变片检查、阻值检查（2）试件表面处理 （3）定位划线（4）使粘合剂厚度尽量薄 （5）粘合剂固化处理（6）引线焊接处固定以及防护
三、金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数
电阻应变片的灵敏度系数定义为：
R
Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R
x
其中 x 为安装应变片区域
的轴向应变。
实验证明，电阻应变片的灵敏度系数恒小
短接法：制作工艺要求高
2.金属箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的
金属箔栅。 箔片式优点：
（1）光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅
（2）横向效应小 （3）允许大电流通过，提高灵敏度 （4）疲劳寿命长、蠕变小 （5）生产效率高 缺点：电阻值分散性大
3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝
应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应 制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不 锈钢材质。
一、工作原理
(一)金属的电阻应变效应
金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短） 的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ 的电阻丝，其电阻值R为：
R
l S
Δl
l
F
没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的 增长而逐渐变化的现象。
• 蠕变：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件 承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应 变会随时间的增长而逐渐变化的现象。
缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。 优点：
电阻值比箔式应变片高，形状尺寸更小更精确；应变灵敏度 系数大；允许电流密度大；工作范围广
4.厚膜应变片 厚膜应变片使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，是
用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变 片图形。 优点：
K
y
y
式中，
Kx
R / (
x
R ) y 0 ,
R / R
K y ( y ) x 0
实验确定出Kx和Ky。
令横向效应系数 KH K y / Kx , 则
通常可通过
R R
K
x (
x
KH
y
)
根据应变片灵敏度K的定义可知：
K R / R K x ( x x K H )
x
x
(1 K H )K x
Δr
r
导线两端受到力F作用时
F
l dl S dS
d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dR d dl dS R lS
因 S r2 ， dS 2 dr
Sr
由材料力学可知： dr dl ，式中
（径向变化）
r
l
泊松比
dl 表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
l
dR d dl dS R lS
可见 K K x，即K K0，即应变片存在横向
效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变
灵敏度系数。
（三）机械滞后
在一定温度下，应变片的电阻相对变化∆R/R在
应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值 g
下，对应的∆R/R值（即对应的指示应变 i ）不一致 ，m
称为应变片的滞后。
（四）零漂和蠕变 • 零漂：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件
（3）可以测量多种物理量;
（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距
测量和遥测。
二、应变片的类型和材料
（一）关于应变片
敏感栅由很细的电阻丝（0.01~0.05mm）或箔式金属片 （厚度为3~10μm）或金属薄膜（0.1μm以下)组成。
回线式：制作简单性能稳定，但横向效
1.金属丝式应变片
应比较大
粘贴式应变片制成的测力环和测力棒
材料应变的测试
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
发展历史：
• 1843 年由英国物理学家惠斯顿(Sir Charles Wheastone)发 明了惠斯顿电桥电路。 • 1938年，第一只电阻应变片诞生。 • 在1939~1940 年间，美国麻省理工学院的Ruge Deforest 等人将电阻应变片应用到了应变测量装置中。 • 1942 年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感 器性能有了进一步的提高。 从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发 明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。
电阻式传感器
§2-1 应变式传感器
常见用途：
• 电阻应变式测力/ 称重传感器(straingage based load cell or load cell)，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测 量施加于结构或材料上的外载荷(力值)；在衡器和自动称 量技术中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量 (重量)。 • 据国际计量联合会(IMEKO)力值和质量计量委员会(TC3)发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中， 应用电阻应变式称重传感器占90％以上。
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。
引力应变关系： E
应变片的优点：
（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有 保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；
（2）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态 响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑 性，由1～20%变化；分辨率可达1～2微应变（με） ；误差小于1%；
使用温度范围宽，输出远大于金属应变传感器；功耗低； 稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简 单经济；温漂小。
（二）粘结剂和粘贴技术
粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的 应变传递到应变片的敏感栅去。
1.粘合剂 要求： （1）有一定粘结强度 （2）能准确传递应变 （3）蠕变、机械滞后小 （4）足够稳定 （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
d 则 K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1 2) 项
（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即
d
p
项
（二）应变片的结构
于电阻丝应变片的灵敏度系数，即 K K0 。
（电阻丝应变片存在横向效应）
（二）横向效应
y
P
P
x
y x
l0
纵变向应y 造变成电x 阻造减成少电。阻增加，横向应
图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图
a r 2b
由于横向效应，横向应变 y也能引起电阻的变化．此时
实际电阻的变化为
R R
K x x
2.粘贴技术 （1）应变片检查、阻值检查（2）试件表面处理 （3）定位划线（4）使粘合剂厚度尽量薄 （5）粘合剂固化处理（6）引线焊接处固定以及防护
三、金属应变片的主要特性
（一）灵敏系数
电阻应变片的灵敏度系数定义为：
R
Kቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R
x
其中 x 为安装应变片区域
的轴向应变。
实验证明，电阻应变片的灵敏度系数恒小
短接法：制作工艺要求高
2.金属箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的
金属箔栅。 箔片式优点：
（1）光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅
（2）横向效应小 （3）允许大电流通过，提高灵敏度 （4）疲劳寿命长、蠕变小 （5）生产效率高 缺点：电阻值分散性大
3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝
应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应 制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不 锈钢材质。
一、工作原理
(一)金属的电阻应变效应
金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短） 的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。
设一根长为l，截面积为S，电阻系数为ρ 的电阻丝，其电阻值R为：
R
l S
Δl
l
F
没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的 增长而逐渐变化的现象。
• 蠕变：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件 承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应 变会随时间的增长而逐渐变化的现象。
缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加 上保护层。 优点：
电阻值比箔式应变片高，形状尺寸更小更精确；应变灵敏度 系数大；允许电流密度大；工作范围广
4.厚膜应变片 厚膜应变片使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，是
用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变 片图形。 优点：
K
y
y
式中，
Kx
R / (
x
R ) y 0 ,
R / R
K y ( y ) x 0
实验确定出Kx和Ky。
令横向效应系数 KH K y / Kx , 则
通常可通过
R R
K
x (
x
KH
y
)
根据应变片灵敏度K的定义可知：
K R / R K x ( x x K H )
x
x
(1 K H )K x
Δr
r
导线两端受到力F作用时
F
l dl S dS
d
将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：
dR d dl dS R lS
因 S r2 ， dS 2 dr
Sr
由材料力学可知： dr dl ，式中
（径向变化）
r
l
泊松比
dl 表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。
l
dR d dl dS R lS
可见 K K x，即K K0，即应变片存在横向
效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变
灵敏度系数。
（三）机械滞后
在一定温度下，应变片的电阻相对变化∆R/R在
应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值 g
下，对应的∆R/R值（即对应的指示应变 i ）不一致 ，m
称为应变片的滞后。
（四）零漂和蠕变 • 零漂：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件
（3）可以测量多种物理量;
（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距
测量和遥测。
二、应变片的类型和材料
（一）关于应变片
敏感栅由很细的电阻丝（0.01~0.05mm）或箔式金属片 （厚度为3~10μm）或金属薄膜（0.1μm以下)组成。
回线式：制作简单性能稳定，但横向效
1.金属丝式应变片
应比较大
粘贴式应变片制成的测力环和测力棒
材料应变的测试
斜拉桥上的斜拉绳 应变测试
发展历史：
• 1843 年由英国物理学家惠斯顿(Sir Charles Wheastone)发 明了惠斯顿电桥电路。 • 1938年，第一只电阻应变片诞生。 • 在1939~1940 年间，美国麻省理工学院的Ruge Deforest 等人将电阻应变片应用到了应变测量装置中。 • 1942 年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感 器性能有了进一步的提高。 从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发 明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。
电阻式传感器
§2-1 应变式传感器
常见用途：
• 电阻应变式测力/ 称重传感器(straingage based load cell or load cell)，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测 量施加于结构或材料上的外载荷(力值)；在衡器和自动称 量技术中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量 (重量)。 • 据国际计量联合会(IMEKO)力值和质量计量委员会(TC3)发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中， 应用电阻应变式称重传感器占90％以上。
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。
引力应变关系： E
应变片的优点：
（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有 保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；
（2）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态 响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑 性，由1～20%变化；分辨率可达1～2微应变（με） ；误差小于1%；
使用温度范围宽，输出远大于金属应变传感器；功耗低； 稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简 单经济；温漂小。
（二）粘结剂和粘贴技术
粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的 应变传递到应变片的敏感栅去。
1.粘合剂 要求： （1）有一定粘结强度 （2）能准确传递应变 （3）蠕变、机械滞后小 （4）足够稳定 （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳