《传感器与检测技术》第二章电阻式传感器详解
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传感器与检测技术第二章
灵敏度
电子湿度计模块
封装后 的外形
电子式温湿度计
机械式、电子式温湿度计对比
应用领域 精密仪器、半导体集成电路与元器件制造
场所，气象预报、医疗卫生、食品加工、湿敏 防伪技术、洗衣干燥机的自控、磁带录像机和 汽车窗玻璃的防止结露、尿布沾湿报警等行业 都有广泛的应用。
应用: 半导体净化车间
农业：温室栽培
气象
玉山
文物保护: 敦煌
2.6 光敏电阻传感器
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效 应工作的光电元件。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在 半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封 装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻
光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的 利用光电导效应制成的光电探测器件。
t
t2
t2
9、噪声特性：
热噪声、产生复合噪声 、1/f 噪声与调制频率的关系
I
2 N
1 f 躁声
产生 复合躁声
热躁声
lg f
0
（1) 红外：减小温漂，使信号放大，可调制 （2较）高制的冷f 可降低热噪 （声3）恰当的偏置电路，可使信噪
比最大
10、光谱特性：相对灵敏度与波长 的关系
可见光区光敏电阻的光谱特性 光谱特性曲线覆盖了整个可见光区，峰值波 长在515～600nm之间。尤其硫化镉的峰值波长与 人眼的很敏感的峰值波长（555nm）是很接近的， 因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度 计、光度计等。
2）按光谱特性分类： ● 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制 系统、电子照相机、光报警等地。 ● 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。 ● 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域 的有关自动控制系统。
传感器 第二章 电阻式传感器
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结论： 1、将直的电阻丝绕成敏感栅之后，虽然长度相同，但应 变状态不同，其灵敏系数降低了。这种现象称横向效应。 2、当实际使用应变片时，使用条件与标定灵敏系数k时的 标定规则不同时，实际k值要改变，由此可能产生较大测 量误差。 3、为了减少横向效应产生的测量误差，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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机械滞后产生的原因： 敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余 变形所造成的。 减小措施： 选用合适的粘合剂；在新安装应变片后，做三次以上的 加卸载循环后再正式测量。
第二章 电阻式传感器 4、零漂和蠕变 零漂：
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粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其 电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。
第二章 电阻式传感器 ★粘结剂和粘贴技术 1、粘合剂 合理选择粘合剂：
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粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境，例如工作温度、 湿度、化学腐蚀等。
对粘合剂要求：
（1）有一定的粘结强度； （2）能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量； （3）蠕变、机械滞后小； （4）有足够的稳定性能； （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。
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制作工艺：采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘 基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，
最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。
特点：电阻值高于箔式，形状和尺寸更精确；散热性好，
适于较宽温度范围，应达－197～317℃；电阻值精度高，
达0.01%；无胶结，避免了分选和粘贴。
公式：
第二章 电阻式传感器
第2章---电阻式传感器
eebbay
Uxmax / Uxm a x
n
100 %
1 n
100
%
图2-5 理想阶梯特性曲线
电阻式传感器
理论直线：
过中点并穿过阶梯线的直线。 阶梯曲线围绕其上下跳动，从 而带来一定的误差，这就是阶 梯误差。
j
(1 Umax) 2n Umax
1 2n
100%
图2-5 理想阶梯特性曲线
二、非线性电位器
电阻式传感器
2.2 电阻应变式传感器--应变片
电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金 属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所 受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。
电阻式传感器 一、 电阻应变片的工作原理
提出问题
金属丝受拉或受压时，l、r 和 R 将如
何变化？
电阻式传感器
一.线性电位器的空载特性
当被测量发生变化时，通过电刷触点在 电阻元件上产生移动，该触点与电阻元 件间的电阻值就会发生变化，即可实现 位移(被测量)与电阻之间的线性转换。
电阻式传感器
Ux
Байду номын сангаас
Rx Rmax
U max
x xmax
U max
Rx
Rmax xmax
x kRx
Ux
U max xmax
x
ku x
电阻式传感器 二、 电阻应变片的主要特性
例 如果将100 的电阻应变片贴在弹性
试件上，试件受力横截面积S＝0.5×10－4 m2， 弹性模量E＝2×1011 N/m2，若有F＝5×104 N的
拉力引起应变片电阻变化为1 。试求该应变 片的灵敏系数。
电阻式传感器
二、 电阻应变片的主要特性
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。
第02章 电阻式传感器
金属箔式应变片：利用光刻、腐蚀等工艺制成的一
种很：薄的金属箔栅, 其厚度一般在0.003～0.01mm。
其优点是散热条件好, 允许通过的电流较大, 可制 成各种所需的形状, 便于批量生产。
金属箔式应变片的结构形式
几种金属箔式应变片--可以根据测试物体的需要来选择各种形状的应变片
金属薄膜应变片： 采用薄膜技术（真空蒸发）， 优点是灵敏系数大； 可在大温差下工作（-197--317℃） （二）应变片的粘贴技术---简单了解 粘贴剂； 粘贴工艺；
dr dl
r
l
dS 2 dr Sr
dR d (1 2) dl d (1 2)
R
l
dR 令 R K 由上式，得到
d K (1 2)
K——金属电阻丝的相对灵敏度系数。
金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：
（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即 (1下列材料制成： （1）康铜（铜镍合金）：最常用； （2）镍鉻合金：多用于动态； （3）镍鉻铝合金：作中、高温应变片； （4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片； （5）铂及铂合金：高温动态应变测量。
（二）应变片的测量原理
用应变片测量应变或应力时,把应变片粘帖在被测对象表面上, 在外力作用下, 被测对象产生机械变形时, 应变片敏感栅也随着 变形, 应变片的电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值 变化量ΔR时, 便可得到被测对象的应变值ε(ΔR/R=k ε),再根据 应力σ与应变的关系（材料力学）, 得到应力值σ
σ=E·ε
式中 : σ——试件的应力; ε——试件的应变;
E——试件材料的弹性模量（材料固定，是已知量）。
由此可知, 应力值σ正比于应变ε, 而试件应变ε正比于电阻 值的变化, 所以应力σ正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片 测量试件应力σ的基本原理。
第2章-电阻式传感器PPT优秀课件
第２章 电阻式传感器
被测量↕→电阻↕ 测量电路 输出
电阻式缺少的手段传感器的种类繁多，应用广泛， 主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、 测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检 测以及实现生产自动化不可之一。
2.1 电阻式位移传感器
2.2 应变式电阻传感器
2.3 压阻式传感器
2.4 电阻式传感器的应用
——电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料 （即有机实心电位计）等。
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2.1 电阻式位移传感器
（2）电刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成 ，接触端处弯曲成弧形。利用电刷与电阻本身的弹性变形产 生的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两 者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。 线圈绕于骨架上，电刷可在绕线上滑动，从一匝滑到另 一匝，当滑动电刷在绕线上的位置改变时，改变了绕线的长 度，从而改变了电阻。
和非线形型。 • 按电位计的输入/输出特性可分为：线性电位器、非线
性电位器
图2-1 电位计的结构类型
（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型
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2.1 电阻式位移传感器
2.1.2 工作原理
当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生 移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实 现位移(被测量)与电阻之间的线性转换。
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2.1 电阻式位移传感器
位移是指物体的某个表面或某点相对于参 考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角 位移两种。
线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离； 角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。
被测量↕→电阻↕ 测量电路 输出
电阻式缺少的手段传感器的种类繁多，应用广泛， 主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、 测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检 测以及实现生产自动化不可之一。
2.1 电阻式位移传感器
2.2 应变式电阻传感器
2.3 压阻式传感器
2.4 电阻式传感器的应用
——电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料 （即有机实心电位计）等。
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2.1 电阻式位移传感器
（2）电刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成 ，接触端处弯曲成弧形。利用电刷与电阻本身的弹性变形产 生的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两 者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。 线圈绕于骨架上，电刷可在绕线上滑动，从一匝滑到另 一匝，当滑动电刷在绕线上的位置改变时，改变了绕线的长 度，从而改变了电阻。
和非线形型。 • 按电位计的输入/输出特性可分为：线性电位器、非线
性电位器
图2-1 电位计的结构类型
（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型
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2.1 电阻式位移传感器
2.1.2 工作原理
当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生 移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实 现位移(被测量)与电阻之间的线性转换。
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2.1 电阻式位移传感器
位移是指物体的某个表面或某点相对于参 考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角 位移两种。
线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离； 角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。
传感器与检测技术第2章-1_应变式传感器
E 4
R1 R
R2 R
R3 R
R4 R
EK 4
1
2
3
4
当仅桥臂AB单臂工作时，理想输出电压为
Ug E R E K
4R 4
44
电桥分类
B R1=R
A
Ug
R2=R C
R3=R’ R4=R’
E
D
第一对称电桥
2、第一对称电桥
若电桥桥臂两两相等，即R1 =R2=R ， R3=R4=R′ ， 则 称
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2.1数 （二）横向效应 （三）动态特性
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应变片的电阻值 R
• 应变片在未经安装也不受外力情况下， 于室温下测得的电阻值
• 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 Ω
电阻值大
可以加大应变片承受电压， 输出信号大， 敏感栅尺寸也增大
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25
设环境引起的构件温度变化为Δt（℃）时，
粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系
数为αt ，则应变片产生的电阻相对变化为
R R
1
t t
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由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当
Δt 存在时，引起应变片的附加应变，其值为
2t g s t
βg—试件材料线膨胀系数；βs—敏感栅材料线膨胀系数。
金属箔式应变片
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金属薄膜应变片
• 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上 形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜敏感栅， 再加上保护层，易实现工业化批量生产
• 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范 围广，易实现工业化生产
• 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系
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检测技术及仪表 电阻传感器 第二章
常用应变片二（箔式）
箔式应变片
原理： 它是利用光刻腐蚀法将电 阻箔材在绝缘基底上制成各种 图形的应变片； 优点： 敏感栅尺寸准确，线条均 匀； 其弯头横向效应可以忽略； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高；
箔式应变片的外形
二、种类
（3）金属薄膜应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基
d dR R K (1 2 )
压阻效应 （2-6）
应变效应
灵敏系数K 受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何 尺寸的变化， 即 1+2μ ；另一个是应变片受力后材料的电阻率 发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。
对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2μ的值要比
(dρ/ρ)/ε大得多;
（2-2）
由公式（2-2）可以看出，当 R 2 R 4 R1R 3时电桥
平衡，此时电桥输出 U o 0 。
Ui R1 R2 R3 R4 Uo ( ) 4 R1 R2 R3 R4
（2-3）
单臂
半桥
全桥
一个桥臂是应变片
二个桥臂是应变片
四个桥臂均是应变片
1
单臂 R1 R2
基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。
一、结构 （3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引 线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可 制作引线。
二、种类
金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。 （1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴 于弹性体上就可构成应变式传感器。
第2章电阻应变式传感器1ppt课件
线膨胀 系数β/ （106/℃）
康铜
Cu55 0.45~0.
Ni45
52
±20
2.0
15
镍铬合 Ni80
金
Cr20
1.0~1.1
110~130
2.1~2. 3
14
卡玛合 金
6J22
Ni74,C r20
Al3,Fe 3
1.24~1. 42
±20
2.4~2. 6
13.3
伊文合 金
6J23
Ni75,C r20
产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形， 使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果 敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。
指
机械滞后值还与应变片 示
卸载
所承受的应变量有关，加载 应
时的机械应变愈大，卸载时
变 εi
Δε
的滞后也愈大。所以，通常
在实验之前应将试件预先加、
加载
卸载若干次，以减少因机械 滞后所产生的实验误差。
Δε1
机械应变ε
应变片的机械滞后
4.零漂和蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受 应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称 为应变片的零点漂移。
产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片 的如果内在应一力定温逐度渐下变，使化应；变粘片承结受剂恒固定的化机不械充应分变，等其。电阻值随
6.横向效应(transverse effect)
如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试 件上，这时各直线段上的金属丝只感 受沿其轴向拉应变εx，故其各微段电 阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微 段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却 并非是εx。所产生的电阻变化与直线 段上同长微段的不一样，在θ=90°的 微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产 生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变εy （=－μεx），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。
第2章 电阻式传感器 《传感器技术与应用》课件
R R
灵敏度为 K U i 4
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② 半桥双臂工作方式
安装两个工作应变片，一个受拉应变， 一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，称 为半桥差动电路，电桥的输出电压为
Uo
Ui 2
R R
灵敏度为
K Ui 2
线性关系，温度补偿等优点。
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③ 全桥4臂工作方式
若将电桥4臂接入4片应变片，即2个受拉应变， 2个受压应变，将2个应变符号相同的接入相对 桥臂上，构成全桥差动电路。电桥的4个桥臂 的电阻值都发生变化，电桥的输出电压为
电位器是一种常用的机电元件，广泛应 用于各种电器和电子设备中。它是一种 把机械的线位移或角位移输入量转换为 与它成一定函数关系的电阻或电压输出 的传感元件，主要用于测量压力、高度、 加速度、航面角等各种参数的测量
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3
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2.1.2 电位器式电阻传感器的基 本特性及误差
Uo
RU i R
灵敏度为 K U i
全桥差动电路没有非线性误差，电压灵敏度是 单片的4倍，具有温度补偿作用。
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电桥的线路补偿
① 零点补偿 要求电桥的4个桥臂电阻值 相同是不可能的，这样就使 电桥不能满足初始平衡条件
（即U0≠0）。为了解决这
一问题，可以在一对桥臂电 阻乘积较小的任一桥臂中串 联一个可调电阻进行调节补 偿。
1) 合成膜电位器 2）金属膜电位器 3) 导电塑料电位器 4) 光电电位器
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2.1.4 电位器式位移传感器
YHD型电位器式位移传感器
1—测杆；2—滑线电阻；3—电刷；4—弹簧；5— 滑快；6—导轨；7—外壳；8—无感电阻。