(精选)电阻式传感器及应用

金属丝式
23.01.2021
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箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制 成的。
箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。 箔式应变片与基片的接触面积大得多，散热条件较好，在 长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生 产。目前广泛用于各种应变式传感器中。
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箔式应变片的外形
dRdl Rl
2dr r
d
(2-2)
对电阻定律全微分得电阻变
化率 dR/R为：
轴向（纵向）应变 dl F
x l AE
由材料力学得
y
x
径向应变 εy
μ为电阻丝材料的泊松比。（2-2）式经整理可得下式：
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材料的电阻率ρ 随应变所引起
的变化——“压阻效应”。 这是由于材料发生变化时，其 自由电子的活动能力和数量均 发生了变化的缘故
由纸薄、胶质膜等制成。
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（3）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。
（4）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。
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应变片的内部结构
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2.应变片的种类
分类
金属电阻 应变片
半导体 应变片
丝式 箔式 薄膜式
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金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。 由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐 被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力 的大批量、一次性试验。
系在很大范围内是线性的，即
RRKx
2-1
K—电阻应变片的灵敏度
对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。
而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率
会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。
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在材料力学中，x =l/l称为电阻丝的轴向应变， 也称纵向应变。x通常很小，常用10-6表示之。
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2.贴片：在应变片的 表面和处理过的粘贴表 面上，各涂一层均匀的 粘贴胶 ，用镊子将应 变片放上去，并调好位 置，然后盖上塑料薄膜， 用手指揉和滚压，排出 下面的气泡。
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3.测量：从分开的
端子处，预先用万 用表测量应变片的 电阻，发现端子折 断和坏的应变片。
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半导体应变片的主要特点Biblioteka Baidu：当受力时，其电阻率 随应力的变化而变化，故灵敏度高，横向效应小。
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实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此 现象原因是横向效应，还有粘结层传递变形失真。
横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应 变状态相同, 但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长 引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减 小，K值减小，此现象为横向效应。
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4.焊接：检查合格 后用烙铁焊接引出 线，注意不要把端 子扯断。
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5.固定：焊接后 用胶布将引线和 被测对象固定在 一起，防止损坏 引线和应变片。
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二、应变片的工作原理
金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
R l l A r2
为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式 应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小， 因而电阻变化量也就小得多。
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３.应变片的粘贴：
1)去污：采用手持砂 轮工具除去构件表面的 油污、漆、锈斑等，并 用细纱布交叉打磨出细 纹以增加粘贴力 ，用 浸有酒精或丙酮的纱布 片或脱脂棉球擦洗。
d
即横向收缩与纵 向伸长之比。即
dR R
12
x
x
k0x
电阻丝几何尺寸 形变所引起的变 化——几何效应
材料的轴 向应变
（单丝）金属材料 的灵敏度系数，表 示单位应变所引起 的电阻相对变化， 主要取决于其几何 效应，取1.73.6
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实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量
R/R与材料力学中的轴向应变x（x= l/l）的关
例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6
或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。
对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变 最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过 材料的极限强度而导致断裂。
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应变片用于测量力F的计算公式：
由材料力学可知：
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一、应变片的结构与粘贴
1.电阻应变片的结构 电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部 分组成。
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（1）敏感栅
感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感 栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 （2）基片
绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试 件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。 同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号 就要漏掉。
x＝F/AE (E为弹性模量) 而 R/R＝Kx
故：R/R＝K（F/AE）
如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹 性模量E均为已知，则只要设法测出R/R的数值， 即可获知试件受力F的大小。 例如可用于电子称的称重。
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设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率
为的金属单丝，它的电阻值R可表示为:
R
l l A r2
当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时
，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R
发生变化。
例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； 又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。
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电阻丝变形过程
• 以圆柱形导体为例：电阻R（根据电阻的定义式）
图2-3 金属电阻丝应变效应
电阻丝 电阻率
电阻丝 截面积
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R Al lr2
电阻丝 长度
电阻丝 半径
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当导体因某种原因产生应
变时，其长度L、截面积A和 电阻率ρ的变化为dL、dA、 dρ相应的电阻变化为dR。
第2章 电阻式传感器及其应用
本章学习电阻式传感器的原理及应用， 包括：电阻应变片、电位器、热电阻、 气敏电阻及湿敏电阻等。
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§2.1 电阻应变式传感器
应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用 下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生 变化，这种现象称为应变效应。
电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转 换电路等组成。