电阻式传感器
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
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
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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。
其它常用传感器
角位移型
εαr 2 C= 2δ
α
dC εr 2 传感器灵敏度 传感器灵敏度 S = = = 常数 dα 2δ
b)角位移型 b)角位移型
22
其它常用传感器
电容传感器
c)介质变化型 c)介质变化型 大多用于测量电介质的厚度 a)、位移( b)、液位( (图a)、位移(图b)、液位(图 c) 根据极板介质的介电常数随 温度、湿度、 温度、湿度、容量改变而改变 来测量温度、湿度、容量( 来测量温度、湿度、容量(图d) 等 。
优点：应变灵敏度大;体积小; 优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的 元件. 元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
9
其它常用传感器
应变计
电阻传感器
体型
薄膜型
扩散型
10
其它常用传感器
电阻传感器
应变式电阻传感器的应用
立柱应力
桥梁应力 压力传感器
电感式传感器 自感型 可变磁阻型
涡流式
互感型
32
其它常用传感器
电感传感器 1. 可变磁阻式 自感型 原理:电磁感应 可变磁阻式(自感型 原理: 自感型)
线圈
N Φ L= = I
铁芯
线圈匝数
I 为线圈中所通交流电的有效值。 为线圈中所通交流电的有效值。
I N Φ= = R M
衔铁
总磁阻
δ ∆δ
变磁阻式传感器
19
其它常用传感器
电容传感器 2. 分类
a) 极距变化型
+ + +
C =
ε A δ
b)面积变化型:平面线位移型,角位移型, b)面积变化型:平面线位移型,角位移型, 柱面线位移型 面积变化型
20种身边常见的传感器
20种身边常见的传感器1、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换式成电阻值这样的一种器件。
主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。
2、变频功率传感器变频功率传感器通过对输入的电压、电流信号进行交流采样，再将采样值通过电缆、光纤等传输系统与数字量输入二次仪表相连，数字量输入二次仪表对电压、电流的采样值进行运算，可以获取电压有效值、电流有效值、基波电压、基波电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、基波功率、谐波功率等参数。
3、称重传感器称重传感器是一种能够将重力转变为电信号的力→电转换装置，是电子衡器的一个关键部件。
能够实现力→电转换的传感器有多种，常见的有电阻应变式、电磁力式和电容式等。
4、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。
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。
5、压阻式压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件。
其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成电桥形式。
当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。
6、热电阻传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。
热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。
7、激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
8、霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
第4部分传感器原理1电阻式
固态压阻式传感器
3 固态压阻式传感器
华中科测技试大技学术与机信械号学处院理
固态压阻式传感器的工作原理：与半导体应变片相 同，都是利用半导体材料的压阻效应。
区别在于：半导体应变片是由单晶半导体材料构成， 是利用半导体电阻做成粘贴式敏感元件。固态压 阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基 片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以也称 为扩散型半导体应变片。
华中科测技试大技学术与机信械号学处院理
为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测
量转换成位移，然后用其他形式的传感器（如电阻、
电容等）将位移量转换成电信号输出。
近年来，在自动 检测、自动控制技术 中广泛应用的微型探 测开关也被看成是机 械式传感器。它能把 物体的运动、位置或 尺寸变化，转换为接 通、断开信号。
电阻应变式传感器
金属应变计
华中科测技试大技学术与机信械号学处应院理变计
半导体应变片
(2)半导体应变片
半导体应变片最简单 的典型结构如右图所示， 使用方法与金属应变片相 同，粘贴在被测物体上， 随被测试件的应变其电阻 值发生相应变化 。
半导体应变片工作原 理是基于半导体材料的 压阻效应，即单晶半导 体材料在沿某一轴向受 到外力作用时，其电阻
变阻器式传感器
华中科测技试大技学术与机信械号学处院理
案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧→力→位移 →电位器→电阻
位移
比较 重量设定
变阻器式传感器
案例：煤气包储量检测
华中科测技试大技学术与机信械号学处院理
钢丝 煤气包
原理：钢丝→收线圈数 →电位器 →电阻
变阻器式传感器
华中科测技试大技学术与机信械号学处院理
电阻式传感器原理和应用
• 变阻器式传感器 • 工作原理
1
2
• 测量电路
3
电阻应变式传感器 工作原理
1)金属电阻应变片
金属电阻应变片旳构造 (a)丝式(b)箔式
4
• 1)金属电阻应变片
假设一根长度为L横截面积为A电阻率为ρ，则电阻R为 当受到应变作用，L、A和ρ都会发生变化，使得R产生旳相对变化为
设金属旳截面半径为r,则有
5
根据材料力学理论，对于受拉压得圆杆有
其中：ε---所承受旳应变 μ---材料旳泊松比
σ---轴向应力
λ---材料旳压阻系数
E---材料旳弹性模量
带入原式有
6
2)半导体应变片
体型半导体应变片旳构造 1—引线；2—半导体片；3—基片
测量电路
直流电桥电路 (1)平衡条件
薄膜型半导体应变片旳构造 1—锗油油量表电路
22
14
几种电阻应变式传感器旳原理示意图 (a)位移传感器(b)加速度传感器(c)力传感器
(d)扭矩传感器(e)压力传感器
15
• 翼片式空气流量计
图4.16 翼片式空气流量计旳构造
16
图4.19 翼片式空气流量计电路原理
图4.20 翼片式空气流量计旳工作原理
17
线性输出型 节气门位置传感器 构造与输出特征 (a)构造构成(b)输出特征
全差动电桥电路 若是在同一试件上分别粘贴四片应变片，其中两片受拉力，两片受压力
将两个应变符号相同旳应变片接在相同旳桥臂上，则构成全差动电桥。 采用全差动电桥旳输出电压是用单应变片工作电桥敏捷度旳四倍，是半
差动电桥旳两倍。
13
电阻式传感器在汽车上旳应用
• 汽车上旳电阻式传感器主要有翼片式空气流 量计、节气门位置传感器、半导体压阻式进 气压力传感器、加速踏板位置传感器、安全 气囊中央碰撞传感器、可变电阻式液位传感 器等。
第二章 电阻式传感器
4 1
3
4
5
2
3
图1薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层
3–金属箔基底 4--引线
2
1
图2扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线
型号的编排规则
电阻应变计型号的编排规则如下：类别、基底材料种类、标准电阻---敏感栅 长度、敏感栅结构形式、极限工作温度、自补偿代号（温度和蠕变补偿）及接 线方式。如B F 350 -- 3 AA 80 （23） N6 – X的含义是：
而引起的（称“压阻效应”）。 εx
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；对半 导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验 表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与
轴向应变成正比。其它金属或合金，KS在1.8～4.8
范围内。
dR R
KS
x
(2) 半导体应变片的工作原理
的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其 结构如图所示。
2）薄膜型半导体应变片 这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有
绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图1。 3）扩散型半导体应变片 将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型
导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型 半导体应变片。图2为扩散型半导体应变片示意图。这是一种 应用很广的半导体应变片。
半导体应变片是利用半导体
材料的压阻效应而制成的一种纯
1
电阻性元件。
2 3
对一块半导体材料的某一轴 12 3
向施加一定的载荷而产生应力时，
它的电阻率会发生变化，这种物 理现象称为半导体的压阻效应。
电阻式传感器
所谓指示应变ε指是指经过校准 的应变仪的应变读数，它是与应变片 的ΔR/R相对应的。真实应变ε真是 应变片的实际应变值。
30
图3-6 应变片的应变极限
第3章 电阻式传感器
一般情况下，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。如使用过期的粘合剂， 因粘合剂与基底材料固定不充分，胶层与基底太厚 等，都会使应变极限达不到要求。
弹性模量是物质所具有的一种属性，它表示 某种材料反抗形变的能力。
物体单纯受张应力或压应力作用时，其应力与 应变的比值称为杨氏模量。 E F S Fl
l l Sl 14
第3章 电阻式传感器
电阻应变片的工作原理 ——金属的电阻－应变效应
金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变
Hale Waihona Puke 化的现象称为金属的电阻应变效应。
（3-1）
式中：ρ ——电阻丝的电阻率； l ——电阻丝的长度； A ——电阻丝的截面1积6
第3章 电阻式传感器
当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长Δl，横截面积相应减小 ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，为 研究电阻值的变化，将（3-1）式取自然对数：
ln R ln ln L ln A
dr dL
r
L
（3-4）
μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示轴向和径向应变方向相反
(dL为正时，dr为负）。
18
第3章 电阻式传感器
将 dA 2 dr 2 、 dL
Ar
L
代入
dR dL dA d
R LA
得
dR (1 2) d
R
（3-5）
19
第3章 电阻式传感器
或
dR R (1 2) d
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一、进气岐管压力传感器（压阻效应）
进气歧管压力传感器又称进气增压压力传感器，它是用来检测进气歧管内的压力变化，并将其转换成电信号，然后将信号电压送至电子控制器（ECU），ECU 依据此信号电压的大小，控制基本喷油量的大小。
进气压力传感器种类较多，有压敏电阻式、真空膜盒式、电容式等。
由于压敏电阻式具有响应时间快、检测精度高、尺寸小且安装灵活等优点，因而被广泛用于D型喷射系统中。
1．半导体压敏电阻式进气压力传感器结构与原理
(1)半导体压敏电阻式进气压力传感器的结构
它是利用半导体的压阻效应制成的，主要由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管和引线电极组成，其结构如下图所示。
(2)半导体压敏电阻式进气压力传感器的工作原理
如图所示，硅膜片一面通过真空室，一面承受来自进气歧管中气体的压力，在此气体压力的作用下，硅膜片会产生变形，且压力越大形变越大，膜片上应变电阻的阻值在此压应力的作用下就会发生变化，使传感器上以惠斯顿电桥方式连接的硅膜片应变电阻的平衡被打破，当电桥的输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出端便可得到相应变化的信号电压或信号电流，因为此信号比较微弱，故采用了混合集成电路进行放大后输入给ECU。
因为压阻效应式歧管压力传感器的功能部件是硅膜片和应变电阻，其工作参数取决于作用于膜片上的压力的大小，因此传感器的取样压力应从压力波动较小的部位选取。
二．发动机机油压力传感器（电位器式）
发动机机油压力传感器用于检测发动机机油压力的大小，它一般通过螺钉拧入在缸体的油道里，其内部有一个可变电阻，一端输出信号，一端与搭铁的滑动臂相连。
当油压增大时，油压通过润滑油道接口推动膜片弯曲，膜片推动滑动臂移动到低电阻位置，使电路中的输出电流增大；反之，油压降低时，膜片推动滑动臂移动到高电阻位置，使电路中输出电流减小，最终在机油压力表上将机油压力的大小以指针指示出来，如图4．35所示。
三、节气门位置传感器(电位器式）
节气门位置传感器又称为节气门开度传感器或节气门开关。
其主要功用是检测出发动机是处于怠速工况还是负荷工况，是加速工况还是减速工况。
它实质上是一只可变电阻器和几个开关，安装于节气门体上。
1．线性输出型节气门位置传感器的结构与原理
线性输出型节气门位置传感器也叫可变电阻式节气门位置传感器，其结构如图6-29所示，由活动触点1、活动触点2、电阻器、节气门轴、接线插头等组成。
传感器的两个活动触点与节气门轴联动，分别是用于测量节气门开度的活动触点1和用于确定节气门全闭位置时的活动触点2。
当活动触点随节气门的打开而改变电位器的电阻值时，其输出电压与节气门的开度成正比例增大，如图6-30所示。
节气门位置传感器的工作原理如图6—3l所示。
当节气门逐渐(向右)打开时，活动触点也向右移动，电路中所串人的电阻值逐渐减小，输出电压增大；反之，输出电压减小。
通过这种方式。
将其输出信号送至电子控制装置输入端，由它来控制喷油器的开闭时间，以满足汽车加速时发动机所要求供给的燃油量。
四、翼片式空气流量传感器（电位器式）
(1)翼片式空气流量传感器的结构
翼片式空气流量传感器又称翼片式或活门式空气流量传感器，是利用力矩平衡原理和电位器原理开发研制的机械式传感器，已生产使用多年，具有结构简单、价格便宜、可靠性高的优点，广泛用于丰田皇冠、佳美、子弹头、马自达等轿车的燃油喷射系统中。
它主要由翼片部分、电位计部分和接线端子三部分组成，其结构如图5—1所示。
1)翼片部分。
翼片式空气流量传感器的翼片部分包括测量翼片(在主空气道内旋转)和缓冲翼片(在缓冲室内偏转，对翼片起阻尼作用，当发动机吸入的空气量急剧变化和气流脉动时，减小翼片的脉动）两者铸成一体，如图5-2所示。
2)电位计部分。
电位计位于空气流量传感器上壳体上方，内有平衡配重、滑臂、复位弹簧、调整齿圈和印制电路板等，其结构如图5—3所示。
(2)翼片式空气流量传感器的工作原理
翼片式空气流量传感器的工作原理如图5.5所示。
当空气通过传感器的主通道时，叶片将受吸人空气气流的压力和回位弹簧的弹力共同作用，节气门开度增大时，空气流量增大，气流压力将增大，此压力作用在翼片上使其偏转，令其转角d逐渐增大，直到气流的压力和回位弹簧的弹力平衡。
与此同时，电位计的滑臂与翼片转轴同轴旋转，使接线端子Vc与Vs之间的电阻减小，使其分压电压Us的值降低。
当吸入空气的流量减小时，翼片转角α减小，接线端子Vc与Vs 之间的电阻增大，Us电压值升高。
这样，发动机电控单元ECU就可根据空气流量传感器输出的Us/Ub的信号大小感知空气流量的大小。
Us/Ub的电压比值与空气流量成反比，其变化关系如图5—6所示。
五、电阻应变计式碰撞传感器
电阻应变计式碰撞传感器的结构如图9—21a所示，主要由电子电路、电阻应变计、振动块、缓冲介质和壳体等组成。
电子电路包括稳压与温度补偿电路W、信号处理与放大电路A。
电阻应变计的电阻R1、R2、R3、R4制作在硅膜片上，如图9-21b所示。
当硅膜片产生变形时，应变电阻的阻值就会发生变化。
应变电阻一般都连接成电桥电路，并设计有稳压和温度补偿电路，如图9—21c所示。
当汽车遭受碰撞时，碰撞传感器的振动块振动，缓冲介质随之振动，进而使应变计的应变电阻产生变形，应变电阻值随之变化。
由于应变电阻以电桥电路的方式连接，随着应变电阻阻值的变化，电桥电路的输出电压就发生变化，经过信号处理与放大后，传感器将变化的信号电压输入SRS ECU。
SRS ECU根据传感器输入的信号电压的强弱便可判断碰撞的强度或碰撞激烈度。
当信号电压超过设定值时，SRS ECU就会立即向点火器发出点火指令引爆点火剂，进而向气囊充气，打开气囊。