电阻式传感器工作原理及结构图解分析.
电阻式传感器工作原理及结构图解分析
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。
9.2.1 电阻应变式传感器
应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常
用的传感元件为电阻应变片。
应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。
应变式传感器特点
变式传感器特点
①精度高，测量范围广；
②使用寿命长，性能稳定可靠；
③结构简单，体积小，重量轻；
④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；
⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
1、应变式传感器的工作原理
(1) 金属的电阻应变效应
金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械
变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。
公式推导：
若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为ρ，其未受力时的电阻为R，则:
(9.1)
如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积S变化
dS，电阻率ρ变化 ，因而引起电阻R变化dR。将式(9.1)微分，整理可得:
(9.2)
对于圆形截面有：
(9.3)
为金属丝轴向相对伸长，即轴向应变；而 则为电阻丝径向
相对伸长，即径向应变，两者之比即为金属丝材料的泊松系数μ，负号表示符
号相反，有:
(9.9)
将式(9.9)代入(9.3)得:
(9.5)
将式(9.5)代入(9.2)，并整理得：
(9.6)
或
(9.7)
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。
公式简化过程：
由式 可以明显看出，金属材料的灵敏系数受两个因
素影响：
一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即 项；另一个是受力
后材料的电阻率变化所引起的，即 项。对于金属材料 项比
项小得多。大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对
变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数，于是可以写成：
(9.8)
通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
通常金属电阻丝的K0=1.7～4.6。
(2) 应变片的基本结构及测量原理
应变片的基本结构
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。
结构简介>>
电阻丝应变片是
用直径为0.025mm
具有高电阻率的电
阻丝制成的。为了获
得高的阻值，将电阻
丝排列成栅状，称为
敏感栅，并粘贴在绝
缘的基底上。电阻丝
的两端焊接引线。敏
感栅上面粘贴有保
护作用的覆盖层。
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。
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
contents
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。
电阻式传感器
对于确定的材料,(1+2)项是常数,数值约在1～2之间。 实验证明
d /
结论：
x dR / R Ks x
也是一个常数，因此得到 ：
dR Ks x R
金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 （三）应变片测量原理 应变片测量应力时，在外力作用下被测对象将产生微 小的机械变形，应变片随其发生相同的变化，同时， 应变片电阻也发生相应变化。 当测得应变片电阻值变化量R时，便可得到被测对象 的应变值。
若电阻丝是圆形的，则A=r2，r为电阻丝的半径， 得： dA=2rdr，则 dA 2 rdr dr 2 2 A r r dL x —金属丝轴向应变，一般；0.24~0.4 令 L dr r —金属丝径向应变。 r 由材料力学得知:
在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径 向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为：
r x
式中——金属材料的泊松系数
dR d (1 2 ) x R 金属丝的灵敏系数： dR / R d / Ks (1 2 ) x x
物理意义：
单位应变所引起的电阻相对变化。
灵敏系数受两个因素影响：
受力后材料几何尺寸的变化，即 (1+2)
二、电阻应变片的结构和工作原理
（一）基本结构
电阻应变片（应变计）种类繁多，但其基本结构大体 相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。 电阻丝应变片基本结构： 将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它 们变成一个整体。
应变片规格： 以使用面积和电阻值表示，如310mm2，120
在将应变片构成应变式传感器，应变敏感栅粘贴在基 片上是能否应用于测量的关键之一，因此对粘合剂有 苛刻的要求。粘贴必须遵循粘贴工艺，这样才有可能 使应变片正常地工作。
电阻式传感器PPT课件
.
电阻应变式传感器
按所用材料不同，应变式电阻传感器分为两大类: ➢金属应变片 ➢半导体应变片
.
金属电阻应变式传感器
金属电阻应变式传感器的原理是基于金属电阻应 变效应。它是用金属丝或金属箔等材料制作成片 状敏感元件的传感器，习惯称为金属应变片。
力较低； ➢ 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。
目前已发展了一些非接触的电位器式传感器以克服以上缺点， 如用光传输的光电电位器等。.
4
电位器式传感器
分类：
➢按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光 电式等。
➢按其特性曲线不同，则可分为线性电位器和非线 性(函数)电位器。
.
5
电位器式传感器
.
10
电位器式传感器
电位器式传感器的负载特性
有负载时，电位器的输入—输出特性称为负载特性，负载特 性偏离空载特性的值称为负载误差。
.
11
电位器式传感器
.
12
电位器式传感器
电位器负载校正网络及校正曲线
.
13
电位器式传感器
非线性（函数）电位器
光电（非接触式）电位器
• 寿命长，分辨率高 • 有较大延时，工作温度范围窄
它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、 加速度、液位等物理量。
.
3
电位器式传感器
优点：
➢ 结构简单，体积小，质量轻，价格低廉，性能稳定， ➢ 受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小 ➢ 输出信号较大，一般不需放大。
➢ 可实现输入-输出间的任意函数关系。
电阻传感器PPT课件
图3-1 电位器式传感器的外形及电压转换
（a） 直线位移传感器； (b) 角位移传感 器； (c) 电位器的位移→电压转换原理图
电阻传感器
• 3.1.1 电位器式传感器的转换原理
• 根据电工知识，我们很容易理解电位器的电 压转换原理。 电位器的位移→电压转换原理如
图3-1（c）所示。 设电阻体的长度为l，电阻值
电阻传感器
• 3)
• 导电塑料电位器又称实心电位器， 这种电位器的 电阻是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。 导 电塑料电位器的耐磨性很好， 使用寿命较长， 允许电 刷的接触压力很大， 在振动、 冲击等恶劣环境下仍能 可靠工作。 此外， 它的分辨率较高， 线性度较好， 阻值范围大， 能承受较大的功率。 导电塑料电位器的 缺点是阻值易受湿度影响， 故精度不易做得很高。 导 电塑料电位器的标准阻值有1 kΩ、2 kΩ、5 kΩ和10 kΩ， 线性度为0.1%和0.2% 。
t ——温度变化值， t t t0。
当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：
R t R t电R 阻0传 感器R 0 t
（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响
当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不
论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由 状态一样，不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时，由于环境 温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产 生附加电阻。
R1 R2
R3 R4
上式称为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平 衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对 两臂电阻的乘积相等。
电阻传感器
2．电压灵敏度
设 R
为电阻应变片，
1
R2, R3, R4 为电桥固定电阻，
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。
电阻式传感器工作原理
电阻式传感器工作原理电阻式传感器是一种常见的传感器类型，它利用电阻的变化来检测和测量物理量。
其工作原理可以简单描述为：当物理量发生变化时，电阻值也会发生相应的变化，通过测量电阻值的变化，我们可以获得物理量的信息。
电阻是电流通过时所遇到的阻碍，它是由导体的几何形状、材料和长度等因素决定的。
一般来说，电阻与导体的截面积成反比，与导体的长度成正比。
当物理量发生变化时，导体的几何形状、材料和长度等因素都可能发生改变，从而导致电阻值的变化。
以温度传感器为例，温度的变化会引起导体材料的热膨胀或收缩，进而改变导体的几何形状和长度。
在这种情况下，电阻值也会发生变化，从而可以通过测量电阻值的变化来获得温度的信息。
其他类型的电阻式传感器，如湿度传感器、压力传感器等，也是利用相应物理量对导体的影响来改变电阻值。
为了测量电阻值的变化，我们需要将电阻式传感器连接到一个称为电桥的电路中。
电桥是由四个电阻组成的，其中一个是电阻式传感器。
当电阻式传感器的电阻值发生变化时，电桥中的电流分布也会发生变化，进而导致电桥的输出电压发生变化。
通过测量电桥的输出电压，我们可以间接地获得电阻式传感器的电阻值变化，从而得到物理量的信息。
需要注意的是，电阻式传感器的工作原理是基于电阻值的变化，因此在测量过程中，我们需要保证电阻式传感器与测量电路的稳定性。
一方面，传感器本身的稳定性对测量结果具有重要影响，因此传感器的制造质量和选用合适的材料十分重要。
另一方面，测量电路的稳定性也是至关重要的，我们需要选择合适的电桥电路来保证测量的准确性和可靠性。
总结一下，电阻式传感器利用电阻值的变化来检测和测量物理量。
其工作原理是通过测量电阻值的变化来获得物理量的信息。
为了实现测量，我们需要将电阻式传感器连接到电桥电路中，并保证传感器与测量电路的稳定性。
通过合理选择传感器材料和制造工艺，以及设计合适的电桥电路，我们可以实现对各种物理量的准确测量，并应用于各种领域，如温度测量、湿度测量、压力测量等。
《电阻式传感器 》课件
绕制或印刷导电线路
在弹性元件上绕制或印刷导电线路，确保 线路的电阻值和稳定性。
04
电阻式传感器的实际应用 案例
压力传感器
01
压力传感器是一种常见的电阻式传感器，它能够将压力信号转换为电 信号，从而实现压力的测量和控制。
02
在汽车工业中，压力传感器被广泛应用于发动机控制、气瓶压力监测 、空调系统等。
市场发展与竞争格局
市场需求
随着工业自动化、智能制造等领域的发展， 电阻式传感器的市场需求不断增长。
竞争格局
国内外企业在电阻式传感器市场上展开激烈竞争， 技术、品质和服务成为竞争的关键因素。
市场趋势
未来电阻式传感器市场将朝着智能化、小型 化、集成化、高精度和高可靠性的方向发展 。
06
总结与展望
电阻式传感器的重要地位
温度影响
电阻式传感器的电阻值会受到温度的影响，导致测量结果的误差。因此，需要采 取一定的温度补偿措施。
稳定性
经过长时间使用和多次测量后，电阻式传感器仍能保持其基本特性的能力，是衡 量传感器性能的重要指标。
响应时间与恢复时间
响应时间
电阻式传感器对输入物理量变化做出 反应的时间，即从输入变化到输出变 化所需的时间。
原材料准备
根据设计要求，准备所需的敏感材料、弹 性材料和辅助材料。
性能测试与校准
对制造完成的电阻式传感器进行性能测试 和校准，确保其测量精度和稳定性达到预 期要求。
制造弹性元件
根据设计图纸，采用机械加工或成型工艺 制造弹性元件。
组装与调整
将敏感元件、弹性元件和导电线路组装在 一起，并进行必要的调整和测试，以确保 传感器性能符合要求。
生物材料
结合生物材料，开发出具有生物 相容性和生物活性的传感器，用 于医疗、生物监测等领域。
第二章电阻式传感器
R1 R4 =R2 R3 或
R1 /R2 =R3 /R4
(2-22)
2．电压灵敏度
若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥
输出的电压为:
R3 R1 R4 R2 R3 RR4 R1 R1 U0 E( ) E R1 R1 R2 R3 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) R`1 R4 R1 R3 R1 R4 E E R1 R2 R4 ( R1 R1 R2 )( R3 R4 ) (1 )(1 ) R1 R1 R3
1 Uo 2 n ei Uo 1 100% 100% 2n
3．非线性线绕电位器结构
(1) 用曲线骨架绕制的非线性变阻器; (2) 三角函数变阻器;
D L
Uo
D L sin 2 UO L 1 1 Ui D 2 2
x
dx
b
Ui
Ui U O sin 2
碳膜电位器：是目前使用最多的一种电位器。其电 阻体是用碳黑、石墨、石英粉、有机粘合剂等配制的混合
物，涂在马蹄形胶木板或玻璃纤维板上制成的。
优点：分辨率高、阻值范围宽；缺点：滑动噪声大、耐 热耐湿性不好。
金属膜电位器：其电阻体是用金属合金膜、 金属氧化膜、金属复合膜、氧化钽膜材料通过真空 技术沉积在陶瓷基体上制成的,如铂铜、铂锗、铂铑 金等。 优点：温度系数小、分辨率高、滑动噪声较合 成碳膜电位器小；缺点：阻值范围小、耐磨性不好
出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数。 具有理想阶梯特性线绕电位
Uo 1 Re n 100% 100% Uo n
计，其理想的电压分辨率为
电位器的电刷行程来说，又 有行程分辨率，其表达式为
《电阻式传感器》PPT课件 (2)
薄膜型半导体晶 应片变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于N 绝-S缘i 体或蓝宝石 基片上制成的。
(a)
(b)
(c)
金属丝式应变片
(a)
(b)
(d)
(e)
金属箔式应变片
精选课件ppt
(c)
(f)
18
半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型
半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条, 粘贴于基
片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如下所示。
基片
带状引线
P-Si
7
电阻式加速度传感器
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8
应变式传感器
一、工作原理：
当金属丝在外力作用下发生变形时，其电阻值将发生变化， 这种现象叫做金属的电阻应变效应
F
横截面：S 长 度：l 半 径：r 电阻率：ρ
F
横截面：S+△S 长 度：l+△l 半 径：r+△r 电阻率：ρ+△ρ
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9
例：如图1所示，一根长l，截面积为A的金属电阻丝，在其未受
被测量x
I+△I
R +△R
电阻式
E
传感器
被测量x
阻值△R
电流I
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3
电阻式力传感器
一种重力（荷重）传感器的结构
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4
盒接 触 式 压 力
埋 入 式 压 力 盒
电阻式压力传感器
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5
精选课件ppt
6
电阻式位移传感器
直线位移传感器（电子尺）
双悬臂式位移传感器
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第2章 电阻式传感器
令电阻丝的轴向(纵向)应变为 径向(横向)应变为
dr / r
dl / l
则由材料力学r l
泊松 （Poisson, Simeon-Denis） （1781—1840）
2) 电刷
结构：由具有弹性的金属薄片或金属丝制成，末端弯 曲形成弧形。
材料：要与电阻丝材料配合选择，通常是使电刷材料的 硬度与电阻丝材料的硬度相近或稍高些，而且要保证电刷 触点具有良好的抗氧化能力、接触电势要小。 常用的电刷触头材料有银、铂铱、铂铑等金属。
3) 骨架 形状：矩形、环形、柱形、棒形等。 材料：形状稳定(与电阻丝材料具有相近的膨胀系数)， 电气绝缘好，有足够的强度和刚度，散热性好，耐潮湿， 易加工。常用材料有陶瓷、酚醛树脂、及工程塑料等绝缘 材料。目前还广泛采用经绝缘处理的金属骨架，其导热性 好，强度大，适用于大功率电位器。
电位器的负载特性曲线
图2.8 电位器负载特性曲线 负载特性曲线（m≠0）均为下垂曲线，说明负载输出 电压比空载输出电压低，这种偏差即为负载误差。
负载误差
eL U x UL 100% Ux
1 1 100% 1 mr (1 r )
对于线性电位器有
At dRx h b 2 dx
电阻灵敏度为
dRx kR dx dU x ku dx
电压灵敏度为
2. 基本特性 1) 阶梯特性
当电刷在多匝导线上移动 时，电位器的阻值和输出电压 不是连续变化，而是阶跃式地 变化。电刷每移动过一匝线圈， 电阻就突然增加一匝阻值，输 出电压就产生一次阶跃。
箔式 敏感栅是由很薄的金属箔 片(3~10μm)用光刻、腐蚀等技 术制作。与丝式应变片相比， 金属箔式应变片具有散热性能 好，允许电流大，灵敏度高， 寿命长，可制成任意形状，易 加工，生产效率高等优点，因 此应用范围日益扩大，已逐渐 取代丝式应变片而占主要的地 位。