《傳感器與檢測技術（第2版）》課件 2-1 電阻傳感器

模塊二電阻傳感器

本章學習電阻傳感器的原理及應用，包括電位器式傳感器、電阻應變傳感器、測溫熱電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等。9/5/20251單元一電位器式傳感器

電位器是一種常用的機電元件，廣泛應用于各種電器和電子設備中。它是一種把直線位移和角位移轉換為與電阻或電壓輸出的傳感元件，主要用于測量直線位移、角位移、壓力等物理參數。

電位器的種類繁多,本節主要介紹工業用電位器傳感器的工作原理、結構類型及應用場合。9/5/20252一、電位器式傳感器的轉換原理直滑式電位器9/5/20253對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉角度成正比：

右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

9/5/20254二、電位器式傳感器的結構9/5/20255三、電位器式傳感器的應用1、電位器式壓力傳感器彈性敏感元件（彈簧管）9/5/20256壓力傳感器的外形及內部結構9/5/20257

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉動，從而帶動電位器的電刷產生角位移。

9/5/202582、摩托車汽油油位傳感器

如圖所示為摩托車汽油油位傳感器，它由隨液位升降的浮球經過曲桿帶動電刷位移，將液位變成電阻變化。

摩托車汽油油位傳感器9/5/202593、電位器傳感器用于張力測量9/5/2025104、電位器式傳感器用于氣缸行程控制9/5/2025115、電位器式傳感器在大型養路機械中的應用

大型養路機械用位移傳感器簡稱大機傳感器，主要測量原理就是基于電位器式傳感器。抄平起撥道搗固車作業前和作業后都必須對線路的幾何形狀參數進行測量，以便對作業過程進行控制，測量作業后的參數送入記錄儀用于檢查作業效果。抄平起撥道搗固車上主要安裝有搗固深度傳感器、矢距傳感器、電子擺、抄平傳感器、測量輪、記錄儀傳感器等。1330型深度傳感器609型正矢傳感器856型記錄儀傳感器9/5/202512750型輪式傳感器

2013型抄平傳感器

2036型電子擺傳感器9/5/202513單元二電阻應變式傳感器

導體或半導體材料在外界力的作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發生變化，這種現象稱為應變效應。電阻應變傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成。9/5/202514一、應變片的工作原理

金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大。9/5/202515

設有一長度為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

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中

、r、l都將發生變化，從而導致電阻值R發生變化。

實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學中的軸向應變

x的關系在很大范圍內是線性的，即

K—電阻應變片的靈敏度9/5/202516對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率

會產生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。

在材料力學中，

x=

/l稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變，是量綱為1的數。

x通常很小，常用10-6表示之。例如，當

x為0.000001時，在工程中常表示為1

10-6或

m/m,也將之稱為微應變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂。

9/5/202517應變片用于測量力F的計算公式由材料力學可知，

x=F/（AE），所以

R/R又可表示為

如果應變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設法測出

R/R的數值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。9/5/202518二、應變片的種類與結構應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。

金屬箔式應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、熱穩定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產。目前廣泛用于各種應變式傳感器中。9/5/202519金屬絲式應變片半導體應變片外形金屬絲式應變片的內部結構9/5/2025209/5/202521金屬箔式應變片的外形9/5/2025229/5/202523應變片主要性能指標舉例上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？

9/5/202524應變片的粘貼：

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

9/5/202525

2.貼片：在應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，用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。9/5/202526

3.測量：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發現端子折斷和壞的應變片。9/5/202527

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。

9/5/202528

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。

9/5/202529三、測量轉換電路——不平衡電橋

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

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

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R的變化量僅為0.2

，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉換電路是如何將

R/R轉換為輸出電壓Uo的。

9/5/202530不平衡電橋

等臂電橋(初始值R1=R2=R3=R4)輸出電壓近似為：電橋平衡的條件：

R1/R2=R4/R3(R1R3=R2R4)9/5/2025311.單臂電橋

R1為應變片，

R2

、

R3、R4為固定電阻。9/5/202532

2.雙臂電橋

R1、

R2為應變片，

R3、R4為固定電阻。應變片R1、R2感受到的應變

1~

2以及產生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。9/5/2025333.四臂全橋

全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1~

R4產生的電阻增量（或感受到的應變

1~

4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。9/5/202534

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，單臂電橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現溫度自補償。

為了提高電橋的靈敏度，應保證應變片在橋路中鄰臂受力方向相反，對臂受力方向一致。9/5/2025352025/9/5全橋的溫度補償原理

當環境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能克服溫漂。9/5/202536

調節RP，最終可以使R1

/R2

=R4/R3（R1

、R2

是R1、R2并聯RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調到零位，這一過程稱為調零。圖中的R5是用于減小調節范圍的限流電阻。

9/5/202537四、應變效應的應用

應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變、應力、彎矩、扭矩、加速度等物理量。電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路；

第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。

9/5/202538

（一）應變式加速度傳感器

加速度傳感器示意圖9/5/2025391.懸臂梁結構

懸臂梁：一端固定、一端自由的彈性敏感元件。它的特點：靈敏度比較高，多用于較小力的測量。（二）應變式力傳感器

9/5/202540各種懸臂梁

FF固定點固定點電纜9/5/202541

9/5/202542

9/5/202543應變片在懸臂梁上的粘貼及變形

9/5/202544超市用電子稱9/5/202545電子秤

磅秤超市打印秤遠距離顯示9/5/202546人體秤

9/5/202547電子天平電子天平的精度可達萬分之一9/5/202548應變式荷重傳感器FF2.圓柱體結構（等截面軸）應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置FR1R2R49/5/202550應變式荷重傳感器荷重傳感器原理演示荷重傳感器上的應變片在重力作用下產生變形。軸向變短，徑向變長。

汽車衡9/5/202553汽車衡9/5/202554汽車衡9/5/202555汽車衡稱重系統荷重傳感器計算公式

當KF為常數時，橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。

荷重傳感器用于構件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達到均衡目的底座墊塊電纜FFFF3.S型力傳感器(環式結構)9/5/202559吊鉤秤

便攜式電子秤中的各類彈性元件9/5/202561（三）應變式數顯扭矩扳手（扭矩測量）

可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2~500N.m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。應變式數顯扭矩扳手9/5/202563（四）壓阻式固態壓力傳感器（壓力測量）高壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器9/5/202564壓阻式固態壓力傳感器

利用擴散工藝制作的四個半導體應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，動態響應快。9/5/202565壓阻式固態壓力傳感器的隔離、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。

9/5/2025669/5/202567小型壓阻式固態壓力傳感器（續）表壓壓力傳感器p1進氣管9/5/202568

投入式液位計

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

9/5/202569投入式液位計外形（續）壓阻式固態壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

9/5/202570

投入式液位傳感器

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

9/5/202571投入式液位計液位的計算：

安裝高度h0處水的表壓

p1=

gh1

h=h0+h1=h0+p1/（

g）

例：液位計安裝高度為1m，測得壓力為98kPa，