第2章
电阻式传感器
目录
2.1 电阻应变式传感器
第
2
2.2 压阻式传感器
章
2.3 电位器式传感器
2.4 实训
电阻式传感器
电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成与之有对 应关系的电阻值的变化，再经过相应的转换电路变成一定的电量 ，电量的变化反映了被测物理量的变化。
按构成电阻的材料的不同，分别介绍应变式传感器、压阻式传感 器和电位器式传感器。
与应变量成正比。
可见，当金属电阻丝受到外界应 力的作用时，其电阻的变化与受 到应力的大小成正比。
2.1.2 电阻应变片的结构、种类
1.应变片的结构 金属电阻应变片主要由基片、金属丝（电阻丝） 或金属箔、覆盖层以及引线等4部分组成。
（1）敏感栅是应变片最重要的组成部分，由金属细丝绕成栅形。 （2）基底和覆盖层 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对 位置；覆盖层既 可保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护 敏感栅。 （3）黏结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将覆盖层与基底粘贴在 一起。 （4）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。
假设激励电压U是恒压源，电桥的输出电压为 Uo=Ub－Ud
由式可见，若R1R3=R2R4，则输出电压Uo＝0 R1R3=R2R4称为直流电桥的平衡条件。
输出电压Uo与桥臂电阻变化的关系
• 根据可变电阻在电桥电路中的分布方式，电桥分为单臂电桥、双臂电桥 和全桥3种形式
（1） 单臂电桥
当一个桥臂的电阻发生变化，假设桥臂R1的阻值变为R1+ΔR1，则电桥的
双臂电桥电压的灵敏度
双臂电桥的两个相邻的应变片一 个受拉，另一个受压构成的电桥还 称为差动电桥。 采用差动电桥，电桥的输出提高 一倍，即灵敏度提高了一倍。
（3）全桥
当四个桥臂的电阻都发生变化。假设桥臂的阻值变化量分别为∆R1、∆R2 、∆R3、∆R4，且R1＝R2＝R3＝R4＝R，则电桥的输出电压为
面是电阻丝材料与试件材料的线膨胀系数不同。
• 电阻应变片温度补偿方法有线路补偿和应变片自补偿两大类。 • 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿，电桥补偿法如图所示。
若要实现完全补偿，必须满足以下三个条件：
①R1和RB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。
• 根据激励电源不同，测量转换电路有直流电桥和交流电桥两种。
2.1.3 测量转换电路
• 1.直流电桥
设桥臂的电阻分别为R1、R2、R3和R4，
由于其中1个桥臂（或2个、3个、4个桥 臂）的应变电阻受外界物理量的变化而
发生微小变化ΔR。将引起直流电桥的 输出电压Uo发生变化，所以，可以由此
测量被测的物理量。
相邻的两桥臂电阻变化所引起的输 出电压的变化互相削弱，而相对的两 桥臂电阻变化所引起的输出电压的变 化互相增强。
• 假如相邻的桥臂，一个受拉，一个受压，
受拉的桥臂，电阻增大，变化量为+∆R； 受压的桥臂，电阻减小，变化量为﹣∆R。
2.1.1 电阻应变效应
电阻应变效应就是导体或半导体在受到外力的作用下，会产生机械变形，从而导致 其电阻值发生变化的现象。
假设温度保持不变，一根金属电阻丝，其电阻值R与长度l成正比， 与横截面积S成反比，与它的电阻率ρ成正比，即
当金属电阻丝在受到外力作用时，ρ、l、S这三者都会发生变化 。
实验证明，在电阻丝形变的弹性限度范围内，电阻的相对变化量ΔR/R
2）绝缘电阻（RG）。应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片
的引线与被测试件之间的电阻值，通常要求在50~100 M Ω 以上。
3）灵敏度系数（K）。应变片阻值的相对变化与被测物表面上安装应变片区
域的轴向应变之比。
4）应变极限（max）。在恒温条件下，使非线性达到10%时的真实应变值，
称为应变极限。
5）允许电流（Ie）。指应变片允许通过的最大电流。
目录
2.1 电阻应变式传感器 2.1.1 电阻应变效应 2.1.2 电阻应变片的结构、种类 2.1.3 测量转换电路
2.1.4 应变式传感器的应用
2.1电阻应变式传感器
电阻应变式传感器主要利用电阻 应变效应或半导体材料的压阻效应制作 成敏感元件，是测量微小变化的理想传 感器。
特点：
具有体积小、质量轻、结构简单、灵敏度 高、性能稳定、适于动态和静态测量的特 点，因此被广泛应用在测量力、应力、应 变、荷重和加速度等物理量
② 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，二者 的线膨胀系数相同。 ③ 两应变片应处于同一温度场中。
2.1.3 测量转换电路
• 由于机械应变一般都很小，要将微小的应变引起的微小电阻变化 测量出来，同时要把应变片电阻的相对变化∆R/R转换为电压或电 流的变化，才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电路实现微 小阻值变化的转换。
6）机械滞后、蠕变及零漂。指所粘贴的应变片在温度一定时，在增加或减 少机械应变过程中真实应变与约定应变之间的最大差值。
4．温度误差及其补偿
• 外界温度的变化会给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。 • 温度误差原因主要是因环境温度改变引起敏感栅电阻值的变化。 • 引起电阻变化的主要因素有两方面：一方面是应变片电阻丝的温度系数；另一方
输出电压为
在实际使用中，一般采用等臂电桥，即
R1=R2=R3=R4=R，设ΔR1=ΔR，所以上式即为
若电桥用微电阻变化测量，ΔR＜＜R，所以可略上式中
分母的ΔR项，即为
U0
R U 4R
单臂电桥电压的灵敏度
（2） 双臂电桥
当两个桥臂的电阻发生变化，R1、R2为受力相反的应变片，其余电阻不 变。假设桥臂R1的阻值变为R1+ΔR1，而桥臂R2的阻值变为R2 －ΔR2，且 R1=R2=R3=R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR，则电桥的输出电压为
2.应变片的类型
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。金属应变 片可分成金属丝式、箔式和薄膜式3种。
a） 金属丝式
b）金属箔式
c）半导体应变片
1—电阻丝 2—金属箔 3—半导体 4—基片
3. 应变片参数
1）标准电阻值（R0）。指的是在无应变（即无应力）的情
况下的电阻值，单位为欧姆（Ω），主要规格有60Ω，90Ω ，120Ω，150Ω，350Ω，600Ω，1000Ω等。