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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 lR 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 RdR ++=)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 dVCd =ρρ(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。

εππσρρE 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：ε0K 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1.灵敏系数(K) (gage factor)当具有初始电阻值R 的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化ΔR/R 。

实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系：x K R R ε=∆/ (1-9) 式中 εx ——应变计轴向应变； K=(ΔR/R)/εx ——应变计的灵敏系数。

它表示：安装在被测试件上的应变计，在其轴向受到单向应力时引起的电阻相对变化(ΔR/R)，与此单向应力引起的试件表面轴向应变(εx )之比。

必须指出，应变计的灵敏系数K 并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K 0，一般情况下，K ＜K 0。

这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，K 除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。

应变计的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。

因此，K 值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定——即应变计的标定；故K 又称标定灵敏系数。

上述规定条件是：①试件材料取泊松比μ0=0.285的钢；②试件单向受力；③应变计轴向与主应力方向一致。

2.横向效应及横向效应系数(H) (transverse sensitivity)金属应变计的敏感栅通常都呈栅状。

它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图1-1 (a)所示。

由于试件承受单向应力σ时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸εx 和横向收缩εy 。

粘贴在试件表面上的应变计，其纵栅和横栅各自主要分别敏感εx 和εy 〔如图1-1 (b)〕，从而引起总的电阻相对变化为：图1-1(a)应变计敏感栅的组成；(b)横向效应x x y y x x aH K K K R Rεεε)1(+=+=∆ (1-10)式中: K x ——纵向灵敏系数，它表示当m y ＝0时，单位轴向应变εx 引起的电阻相对变化； K y ——横向灵敏系数，它表示当εx ＝0时，单位横向应变εy 引起的电阻相对变化；xy a εε/=——双向应变比；xy K K H /=——双向应变灵敏系数比。

式(1-10)为一般情况下应变-电阻转换公式。

它表明： (1)在标定条件下，有0/μεε-==x y a ，则：x x x k H K R R εεμ=-=∆)1(/0 (1-11)式中： )1(0H K k x μ-=由式(1-11)可见，在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。

应变计这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象，称为横向效应。

其大小用横向效应系数H(百分数)来表示，即：%100⨯=xyK K H (1-12)(2)由于横向效应的存在，在非标定条件下(即①试件取泊松比μ≠0.285的一般材料；②主应力与应变计轴向不一致，由此引起的应变场为任意的εx 和εy )，倘若仍用标定灵敏系数K 的应变计进行测试，将会产生较大误差；其相对误差为：)(100a HH e +-=μμ (1-13)若单向应力与应变计轴向一致，则有a=-μ，则式(1-13)变成：)(100μμμ--=HH e (1-14)由此可见，要消减横向效应产生的误差，有效的办法是减小横向效应系数H 。

理论分析和实验表明：对丝绕式应变计，纵栅l 0愈长，横栅r 愈小，则H 愈小。

因此，采用短接式或直角式横栅可有效地克服横向效应的影响。

箔式应变计(花)就是据此设计的。

3.机械滞后实用中，由于敏感栅基底和粘结剂材料性能，或使用中的过载，过热，都会使应变计产生残余变形，导致应变计输出的不重合。

这种不重合性用机械滞后(Z j )来衡量。

它是指粘贴在试件上的应变计，在恒温条件下增(加载)、减(卸载)试件应变的过程中，对应同一机械应变所指示应变量(输出)之差值，见图2.6所示。

通常在室温条件下，要求机械滞后Z j ＜3～10με。

实测中，可在测试前通过多次重复预加、卸载，来减小机械滞后产生的误差。

4.蠕变(θ)和零漂(P0)粘贴在试件上的应变计，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。

如图1-3中θ所示。

图1-2 应变计的机械滞后特性 图1-3应变计的蠕变和零漂特性当试件初始空载时，应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂。

如图1-3中的P 0所示。

蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性，通常要求θ＜3～15μs 。

引起蠕变的主要原因是，制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。

选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。

5.应变极限图1-4 应变计的应变极限特性应当知道，应变计的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。

当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变计的输出特性将出现非线性。

在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限 εlim。

如图1-4所示。

三．测量电路电阻应变计把机械应变信号转换成ΔR/R 后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。

因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的ΔR/R 变化转换成电压或电流变化。