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（2） 电阻式传感器的测量电路
由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻
值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化
R R
转换
为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，
压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。
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（3）按信号变换特征分类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实
现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变
化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计. （4）按能量关系分类
能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量 使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称 有源传感器。
利用半导体电阻率变化引起电 阻的变化。用半导体应变片制 成的传感器亦称为压阻传感器。 半导体应变片具有很高的灵敏 度（是金属丝应变片灵敏度大 50～70倍 ），但其最大的特 点是温度灵敏度高，非线性严 重及安装困难。
当测量较小应变时，一般选用压阻 效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选 用应变效应工作的应变片
从半导体物理可知，半导体在压力、温度及 光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。
优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。
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金属电阻应变片
半导体应变片
利用金属导体形变引起电 阻的变化 。一般制作应变 片的金属丝的灵敏度K0在 1.7～3.6之间，有些工程 书上，直接将金属丝应变 片的灵敏度K0定义为2。
第四章 敏感元件及与传感器技术
4.1 传感器概论
1）传感器的定义 传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应） 规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲， 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。
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3） 传感器分类
（1）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振
动、噪声 … … 热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力
（差）、液位 … … 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 … … 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质
量… … ……
（2）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、
传感元件为 电阻元件
其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳
定、输出功率大，是目前在非电量检测技术 中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.
可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。
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❖ 电阻应变式
导体或半导体 材料在外界力 的作用下产生 机械变形时， 其电阻值相应 发生变化。
转换元件
应变片电阻改变
能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作， 由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻 式、电容式、电感式.也称无源传感器。
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4.2 电阻式传感器
把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型 传感器
被测信息
敏感元电件阻元电转件阻换元件
信号调理电路 输出信息
辅助电源
❖ 电位器式 ❖ 电阻应变式 ❖ 热敏效应式
通常静态测量时，允许 的电流一般规定为 25mA，动态测量时可 达75~100mA，箔式应 变片则可更大些。
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半导体应变片： dR E
R
灵敏度： K E
工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压
阻传感器。
｛压阻效应｝指某些半导体材料在沿某一轴向 受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
敏感元件
膜片形变（应变）
压力作用
按应变片所用的材料可分为：
❖ 金属电阻应变片 ❖ 半导体应变片
主要作用是敏感元 件实现应变—电阻 的变换。7Leabharlann （1）电阻应变片工作原理：
工作原理：
电阻值： R l
A
A r2
对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：
dR dl dA d R l A
dl 2 dr d l r
2）传感器的组成
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转换元件 应变片电阻改变
敏感元件 膜片形变（应变）
压力作用
敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分
转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转 换为适于传输和测量的电信号部分。 信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的 有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等
的变化而发生变化的现象。
常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金 常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式
敏感元件是金属丝栅。
电阻丝应变片
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敏感元件是通过光照相制版或光刻腐蚀等工 艺制成的薄金属箔栅。
箔式应变片
优点：
1. 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面 应力状态更接近 2. 箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过 较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测 量灵敏度 3. 箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状， 扩大了应变片的使用范围
缺点：
1. 生产工序较复杂； 2. 引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。 3. 价格较贵
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选用应变片时，要考虑 应变片的性能参数，主 要是应变片的电阻值、 灵敏度、允许电流、应 变极限等。
一般市售电阻应变片的 标准阻值有60、120、 350、600、1000欧等， 其中120欧应用最多。
纵向应变
dl
l
横向应变：
当电阻丝沿轴 向伸长时，必 沿径向缩小
电阻丝电阻率相对变化，与电阻
丝轴向所受正应力 有关。
d E
纵向压阻系数 弹性模量
dr dl
r
l
泊松比
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因此：
dR dl 2dr d Rl r dR (1 2 E) (1 2) E K
R
分析： (1 2) 是由电阻丝几何尺寸改变引起的。 E 是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。
注意：对金属电阻丝来说，E 是很小的，可忽略；对半导 体应变片来说，(1 2) 是很小的，可忽略。
这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。
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金属电阻应变片：dR (1 2)
R
灵敏度： S (1 2)
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，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)