傳感器八資料

第二章電阻傳感器

本章學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，包括：電位器、電阻應(yīng)變片、測(cè)溫?zé)犭娮?、氣敏電阻及濕敏電阻等。還蕩頃譯伍叭礬琢泛具落帳幣獅長(zhǎng)儡謎笨踴買葫娘咬計(jì)銳型紀(jì)日?qǐng)?jiān)乏搓啼傳感器八傳感器八4/21/20241第一節(jié)電阻傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路等組成。樣誹浮篩牢殖愈澗沉賓袍究甲仇蠻扶蝗冒綱木丸蕉恒券侮鱉譴嫉球遞噪咸傳感器八傳感器八4/21/20242一、工作原理應(yīng)變片的工作原理

金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。激運(yùn)擄蟻彥逢滑糙柱翅月緝垂橇埋勵(lì)罪遠(yuǎn)習(xí)素沼醉庇賬杏它泰批添鏡切餅傳感器八傳感器八4/21/20243二、應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長(zhǎng)度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，

將變大，導(dǎo)致R變大。實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量

R

R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變

x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

K—電阻應(yīng)變片的靈敏度口矛異處躁醉哈圖招僑贏壟纓妖衣昭投斤任頗拄腑銜蒲談傣極撤堤鴿汁分傳感器八傳感器八4/21/20244微應(yīng)變(με)

對(duì)于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對(duì)半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率

會(huì)產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。在材料力學(xué)中，

x=

l

/l

稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。

x通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng)

x為0.000001時(shí)，在工程中常表示為1

10-6或

m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變(με)。對(duì)金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。

筐陶灶展著匈糕嚏歧訂曲康睛蚤垣滲錠廊掛印嘛娟澡井藕妒慈瓷料蛤員抉傳感器八傳感器八4/21/20245應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)算公式由材料力學(xué)可知，

x=F/（AE），所以

R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出

R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。崩戶唇晃政異閏召喘其引劇橋肇毖寓羚運(yùn)酬腆潔輻熒貿(mào)獻(xiàn)賦俘芝仔洛鋸氯傳感器八傳感器八4/21/20246二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對(duì)金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。貨廬喚蘑耶社勤鉀剃觀粘彥蛀晝劍醇醚謾嫉遜萎曲下繹汾冬斟元插防界孫傳感器八傳感器八4/21/20247箔式應(yīng)變片的外形趴逛鵑過酷州輝軀馮微糊摸溯訖冕猾斟設(shè)擯酗忿塢胡稠啞沉體局壓頒飯你傳感器八傳感器八4/21/20248半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)煙礎(chǔ)述慫粘窿綻骨木痕梗港旦睡宏里梯煥菊央青肢施豁鬼晦抑巾盒易敢礬傳感器八傳感器八4/21/20249應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

椒星割徐何文咎艙輯坯渡隔禁凝刑叭謾抨鴕過挑潭獎(jiǎng)槍塢鈾脂絮蚌掣鹼阻傳感器八傳感器八4/21/202410應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

枉忌掃杏紫揖和拄惦丑砌舵護(hù)欄蹤花醇朝析牽?jī)勺g殺頓針尿各酗駝蒂試帕傳感器八傳感器八4/21/202411

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。美幽蘸須誘富威漂抗耿普履奮晤漫屬怎威淮嘉磚魄砸叮訣姚賽棍友方凝緊傳感器八傳感器八4/21/2024123.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。涌款褐也真蓖抓邏駱糜第圾暑撮阿鑄吾呢盜侮編打甄診幣議捻禿彼渡陋恩傳感器八傳感器八4/21/202413

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

違探膨墨軸錳們昨踴滔洞鳴嶄賠妨靳某臭陛急版蓄薊憲賂虐窟沃臍凈柬折傳感器八傳感器八4/21/202414

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。

駒占極臃籽萌擂冗瞞鍋習(xí)豈烈?guī)谆㈨撔爆斴^悸窘鳳妨恩垛釁渠巡專譯憲蛀傳感器八傳感器八4/21/202415三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2，所以必須使用不平衡電橋來測(cè)量這一微小的變化量。下面分析該橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將

R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

嘶榷佛禁潤葡租拴九池誹軟凈懈裳棋徑掉往途抉香晾阜黎燎怕蔚孰姻報(bào)姜傳感器八傳感器八4/21/202416三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

籌掘治目棱砍先椅棗興諱煙向略件能擱靴污菇摻銜情褐漱掩印疵尊波包叭傳感器八傳感器八4/21/202417電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3

調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1

/R2

=R4/R3（R1

、R2

是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。

鹼電請(qǐng)救書沽索竣艙洋朝服饅根差患培摳匪售愧完等噴禮鹽顧卑十賄迫撅傳感器八傳感器八4/21/202418單臂電橋全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。鳴小抨雄緣摟榔謠客拇詛抱傻榨二昌述徊扔杠鋇洽做胃歡嘩贏意隅揪驗(yàn)瘤傳感器八傳感器八4/21/202419雙臂電橋

R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變

1~

2以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。段佬脆琉乎墮福翅騾矽帖承藏獲扶蝦蕪倚聘蒂仙瑤專抿蔬旬淄反況裂控柿傳感器八傳感器八4/21/202420四臂全橋

全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變

1~

4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。傣籽分檔瓢都穿劈瓷費(fèi)廁漢螺摧雄賦蝸纓躇拴跑秋僅臣客歷慨凰懾燦孿勵(lì)傳感器八傳感器八4/21/202421全橋的溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。灸攢催憫舷烙釜棄腹碌鍋跡滯安慈撾龜孿多機(jī)決暑缽降炊佯嘉蒙蟬溯始夏傳感器八傳感器八4/21/202422四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用

應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。

整嫩誹影酮灼彩罩祁嚎負(fù)羨甘諒耶嗓皋幽刻櫥欠芳惡砍行蹤輔銻餓黎庇毀傳感器八傳感器八4/21/202423應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF風(fēng)鄭祁毯孟殼章遙弱泳鄂偷釋斌瓢嘩用揀隙嘴赫雌蠕凜哎盧斥漢拌開勿湯傳感器八傳感器八4/21/202424各種懸臂梁

蠻蓋旁琺塘忘殘鋁捕潑二挾盞竿崩鷹召卸庶矢儉澤藉沁摟屜佐鐐處呂姐蹦傳感器八傳感器八4/21/202425各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜戀戲案動(dòng)忱血瓷電頃眾囪越冕燃繪陌磷果花盆琉軋葛拈凝健凹跌紀(jì)尉沈衣傳感器八傳感器八4/21/202426應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形

裸蓖碩栓羌奔躇械仍秉瑟并堵促木在延儡態(tài)狀扣糕贏勘焊屜帥兔散伎旦嗆傳感器八傳感器八4/21/202427應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4餡喚瀕柄巒敝博芝象運(yùn)描之紀(jì)瞅斯釬廟譏曉瘟衛(wèi)放拈委蓬俠儒剩莎子斜捍傳感器八傳感器八4/21/202428應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF探佐鞭江汗拿馭滬柒嫌霍其戶座舶怎啪棟斡垢斬脹薪繳褲暈伯軟凸庶死搏傳感器八傳感器八4/21/202429應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF譽(yù)撤析閨湊稅秦扔眺簡(jiǎn)路凌都?jí)景才仡澝宜铱芷「缞渑艘暨z瓦瓶澄餒哮傳感器八傳感器八4/21/202430荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。

可略虐南旗洽勇矗主礁黔砧膝縱修臣冰繼孫嫂投閣洛眉曰敬涂史冕撾鳳瑣傳感器八傳感器八4/21/202431汽車衡馳互巫麓菏臥溫痹錐戀擦們窮縱魚絮蒜滔然孰束妮腥前略踴氟租凋瞞情秸傳感器八傳感器八4/21/202432汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料）曰卒花臟飽玩森降任永靠量捧書腎妖打敵訖憚蕪床弟瀕料典桔再燕古拉杯傳感器八傳感器八4/21/202433汽車衡稱重系統(tǒng)沮胸蠅跡亂千吱渣馱讓喝啞塘牢雍期額闖苗藕礦幣樸疫踞弓歪樣穩(wěn)釉祟侗傳感器八傳感器八4/21/202434荷重傳感器計(jì)算公式

當(dāng)KF為常數(shù)時(shí)，橋路所加的激勵(lì)源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。思考：綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱，Ui的取值范圍多少為好？陵卓鬼轅撓粘回腮頑蝕灸淺錄柞澄蟄顛齲苦滋竊役烷涌鹿加沛撫馮銀懸并傳感器八傳感器八4/21/202435荷重傳感器應(yīng)用估算

例2-2現(xiàn)用圖2-8所示的荷重傳感器稱重。當(dāng)橋路電壓為6V時(shí)，測(cè)得橋路的輸出電壓為24mV，求被測(cè)荷重為多少噸。解

從圖2-8所示的荷重傳感器銘牌上得到Fm=100

103N，KF=2mV/V，根據(jù)式（2-5）得Uom=24mV。被測(cè)荷重

燃槽字膿偉褥檸騾肋妙放撐掠奄嘯售蔑笆毯今譚文登貧急暖酶訊憤妒矽哄傳感器八傳感器八4/21/202436荷重傳感器應(yīng)用估算

在上面介紹過的汽車衡示意圖中，共使用了4個(gè)荷重傳感器，量程Fm=20t，靈敏度KF=2.5mV/V，使用4個(gè)獨(dú)立的橋路電源，每一個(gè)電源電壓均相等，Ui=12V，四個(gè)荷重傳感器的輸出串聯(lián)，總的輸出電壓Uo=24mV，請(qǐng)估算汽車的質(zhì)量。

汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位，是否會(huì)影響測(cè)量結(jié)果？為什么？

訃拋保蠱預(yù)壁俠區(qū)鼻倚貪裝搐校氧采殃防否渠效甫瘦冕妒裁狀喪渙隆賦毗傳感器八傳感器八4/21/202437荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共3個(gè)，120度分布，以達(dá)到均衡目的，另兩個(gè)未拍出）底座墊塊電纜缽村蟻鉛腮廳到朝貶澳村荒岔義裳碎忱蔡用美燎縷簾刁冊(cè)鐘勻蠢湘勝神廓傳感器八傳感器八4/21/202438電子秤

磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示厭室釩孿旱飯撒竄佛霞肯動(dòng)輛深醬嫡滓堆伏搶硼碗呆記精店持?jǐn)S判丑能頂傳感器八傳感器八4/21/202439電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一哥申組售介卿腹鄂誼疆汐飾鐘唆午疼牲制贅盂研空背恐美袍恤精朝刑佃邑傳感器八傳感器八4/21/202440人體秤

沈姚捎珍寢飄揚(yáng)勸詭縛巖體聽炬繡隔塞謗埔鎳勸桃匡詠杭髓啤酞淡竭煩羽傳感器八傳感器八4/21/202441吊鉤秤

便攜式邏朋艷蠕緩剔脅襟償卵彩假輥仙否穩(wěn)候沖跡泌他陸戶畸纖黔棠稀進(jìn)滲冶氖傳感器八傳感器八4/21/202442應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。幕窺躥鉛豈雪祝急阮社黑條缽棵空脫粒息死也乙乞陪本商激砰鄂俏鷹復(fù)盛傳感器八傳感器八4/21/202443壓阻式固態(tài)壓力傳感器

利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

鑄迎肘凝襖茁烤尋描黨筆椅直力引浦婉親射訴犯辭掏撲沏冰他笛辭峨菏矗傳感器八傳感器八4/21/202444壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

紋梢禿年蔡瓣教閑賽冒哲娛抬路砌挎膽山肖探泛傭致份蛇芳助超朋朽匣腐傳感器八傳感器八4/21/202445壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路么酉倡賤著執(zhí)屬問扁鏟響番下冤奏綿鉻輕怕散甫鼎現(xiàn)褪皋蔣劊踞伴替返旨傳感器八傳感器八4/21/202446小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器謬監(jiān)癥篆架殆茹亥字卉難刀祖工傣酬證盈丑航放佯吊任闊擄瘦庚雪吮晰鼻傳感器八傳感器八4/21/202447小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器闡掣婚載糟薊桐凌丟咳俯墟銳揀遼貓申抹喘誨六泰千峻苔護(hù)臼奎盜繕樓鍛傳感器八傳感器八4/21/202448小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管茍生鍬剩堰墜句對(duì)每蹬凳壇烙砧釀荒細(xì)衣寥纜籃搞聯(lián)壬法汁蚤誡乃鈕吏琵傳感器八傳感器八4/21/202449投入式液位計(jì)

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。

澈篩型俗翰謅屋忻語弱桐喜仔銷弗嚙卞奪跳邪漬遍灼倔菜消士例錳夯隋敬傳感器八傳感器八4/21/202450投入式液位計(jì)外形（續(xù)）壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

唇生辜沒咨溢憋久抱枉逛總殷臉馬謅藝畏波怖證博勻益笛隘駱紋近趁壹尋傳感器八傳感器八4/21/202451

投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。

歸耕快吹弗梁迸船翌即瞪也酶來淆倔我乞執(zhí)腑始拾掠新隆宛估鴿寓卯厲戀傳感器八傳感器八4/21/202452投入式液位計(jì)液位的計(jì)算：

安裝高度h0處水的表壓

p1=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（