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陕西航空职业技术学院

电

阻

式

传

感

器

专业：机电一体化

班级：08541

学号：08541-21

姓名：薛二方

电阻式传感器

电阻式传感器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。电阻式传感器的分类

主要有电阻应变式、压阻式、电位器式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 电阻式传感器原理

电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化

第一节 电阻应变式传感器

传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。应变式传感器基本上是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。电阻应变片主要有金属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高（通常是丝式、箔式的几十倍）、横向效应小等优点这类传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠，分辨率高，灵。敏度高，价格又便宜，工艺较成熟。因此在航空航天、机械、化工、建筑、医学、汽车工业等领域有很广的应用。

一、应变式传感器的工作原理和结构 （一）金属的电阻应变效应

当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。

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：

A l

R ρ

= (1-1)

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，如图2-1所示，因而导体的电阻随之发生变化。通过对式 (1-1)两边取对数后再作微分，即可求得其电阻相对变化：

ρρd A dA l dl R dR +-= (1-2)

式中 ε

=l dl ——材料的轴向线应变，常用单位με(1με=1×10-6mm/mm);

而 με22=⎪⎭⎫

⎝⎛=r dr A dA 。

其中 r ——导体的半径，受拉时r 缩小； μ——导体材料的泊松比。 代入式(1-2)可得：

ρρεμd R

dR +

+=)21( (1-3) 对于金属导体或半导体，上式中右末项电阻率相对变化的受力效应是不一样的，分别讨论如下： 1.金属材料的应变电阻效应

勃底特兹明通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系：

V dV

C

d =ρ

ρ

(1-4)

式中 C ——由一定的材料和加工方式决定的常数； εμ)21(/)/()/(-=+=S dS l dl V dV 代入式(1-3)，并考虑到实际上ΔR/R ，故可得

()()[]εεμμm K C R dR

=-++=2121 (1-5)

式中 ()()μμ2121-++=C K m ——金属丝材的应变灵敏系数(简称灵敏系数)。

电阻丝

衬底

蚀刻箔片

衬底

(a)丝式

(b)

箔式

引出导线

上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。

对于金属材料，()()μμ21210-++==C K K m 。可见它由两部分组成：前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致，一般金属μ≈0.3，因此(1+2μ)≈1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。以康铜为例，C ≈1，C(1-2μ)≈0.4，所以此时K 0=K m ≈2.0。显然，金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对其他金属或合金, K m =1.8～4.8。 2.半导体材料的应变电阻效应

史密兹等学者很早发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应。

ε

ππσρ

ρ

E d == (1-6)

式中 σ——作用于材料的轴向应力； π——半导体材料在受力方向的压阻系数； E ——半导体材料的弹性模量。

同样，将式(1-6)代入式(1-3)，并写成增量形式可得：

()[]εεπμs K E R R =++=∆21 (1-7)

式中 E K S πμ++=21——半导体材料的应变灵敏系数。 综合式(1-5)和式(1-7)可得导电丝材的应变电阻效应为：

ε

0K R R

=∆ (1-8)

式中K 0——导电丝材的灵敏系数。

对于半导体材料K 0=K s =(1+2μ)+πE 。它也由两部分组成：前部分同样为尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致，而且πE>>(1+2μ)，因此半导体丝材的K 0=K s ≈πE 。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常K s =(50～80)Km 。 (二) 应变片的基本结构 1. 应变片的构成

半导体敏感条

引线

衬底

l 称为栅长(标距)，b称为栅宽(基宽)， b×l称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如3×20mm2，120Ω。

应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。

2.电阻应变片的分类及材料

金属电阻应变片分为丝式、箔式、金属模式和半导体式（压阻式）。

按应变计的基底分为纸基和胶基，特殊情况下有金属基底的应变计。

按被测量应力场之不同，可分为测量单向应力的应变计和测量平面应力的应变花。也可用两片以上的应变计组成测量平面应力的应变花。它又可分为测量主应力已知的互成90。的二轴应变花

二．电阻应变片的主要特性