2.3.2 电阻应变片的结构
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Transcript 2.3.2 电阻应变片的结构
第二章电阻型传感器与测量电路
1.2.1 电阻型传感器的工作原理
金属导体都具有一定的电阻，电阻值因金属的种类而异。
同样的材料，越细或越薄，则电阻值越大。设有一根长度为L，
截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表
示：
L
R
A
从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度L或截面
积A)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此
可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度L，则可形
成电位器式传感器；改变L、A和则可做成电阻应变片式传
感器；改变，则可形成热敏电阻、压敏电阻类传感器。
2.2 电位器式传感器
2.2.1．电位器的结构类型
电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长
度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成
电压或电流的变化值。图2-1 电位器的结构类型
（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型
电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型
等，如图2-1所示。不管是哪种类型的传感器，都由线圈、
骨架和滑动电刷等组成。线圈绕于骨架上，电刷可在绕线上
滑动，当滑动电刷在绕线上的位置改变时，即实现了将位移
变化转换为电阻变化。
图2-1 电位器的结构类型
（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型
2.2.2 电位器式传感器的测量电路
• 电位器式传感器的测量电路通常采用电阻分压电路，
如图2-2所示。其中放大器是为了消除负载电阻的干扰
影响。
• 对于线性电位器，电刷的相对行程X与电阻的相对变化
成比例，即：
x
xmax
Rx
Rmax
Uin
若放大器的增益K=1，则：
U out
Rx
x
U in
U in
Rmax
xmax
X max
K
X
图2-2 电阻分压电路
Uout
2.2.3 新型电位器介绍
（1）合成膜电位器
合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮
液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。这种电位器的
优点是分辨率较高、输入一输出信号的线性度好。
（2）金属膜电位器
金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通
过真空溅射或电镀方法，在陶瓷基底上沉积一层薄膜而制
成。金属膜电位器具有高分辨率，接触电阻很小，耐热性
好。
（3）导电塑料电位器
导电塑料电位器又称有机实心电位器，这种电位器的
电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑
料电位器的耐磨性很好，能承受较大的功率。
（4）导电玻璃釉电位器
导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它是以合金、
金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉粉为粘
合剂，经混合烧结在陶瓷或玻璃整体上制成的。
2.3 应变式传感器
2.3.1 电阻应变效应
导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电
阻值也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。
设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为△l，并
因此截面积变化△A，电阻率的变化为△ρ，这时电阻相对
变化可表示为：
R
l
A
R
l
A
经过整理，变换可得：
R l
l
(1 2 )
(1 2
)
K 0
R
l
l l l
式中：K0为电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变
所引起的电阻值的相对变化。
2.3.2 电阻应变片的结构
电阻应变片的结构如图2-3所
示，一般由敏感栅(金属丝或箔)、
基底、覆盖层、黏合剂、引出线
等组成。敏感栅是转换元件，它
把感受到的应变转换为电阻的变
化；基底用来将弹性体的表面应
变准确地传送到敏感栅上，并使
敏感栅与弹性体之间相互绝缘；
覆盖层用来保护敏感栅；黏合剂
图2-3 电阻应变片
把敏感栅与基底粘贴在一起；引
出线作为连接测量导线之用。常
用电阻应变片有两大类：金属电
阻应变片和半导体应变片。
金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。
丝式应变片如图2-4(a)所示，它是将金属丝短接后粘接剂
粘贴在基底上而成。基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。
电阻丝两端焊有引出线，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。
箔式应变片如图2-4(b)、(c)、(d)所示，它的敏感栅是通
过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003～0.01mm
之间。与丝式应变片相比其表面积大，散热性好，允许通过
较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可挠性，灵
敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，
适合批量生产。
图2-4 金属电阻应变片结构
1——基底； 2——敏感栅； 3——引线
（a）金属丝短接式；（b）金属箔式；（c）用于扭矩测量；（d）用于流体压力测量
2.3.3 电阻应变片的粘贴技术
应变片在使用时通常是用粘接剂粘贴在在弹
牲体上的，粘贴技术对传感器的质量起着重要的
作用。
应变片的粘接剂必须适合应变片基底材料和
被测材料，另外还要根据应变片的工作条件、工
作温度和湿度、有无腐蚀、加温加压固化的可能
性、粘贴时间长短等因素来进行选择。常用的粘
接剂有硝化纤维素粘合剂、酚醛树脂胶、环氧树
脂胶、502胶水等。
应变片在粘贴时，必须遵循正确的粘贴工艺，
保证粘贴质量，这些都与最终的测量精度有关。
应变片的粘贴步骤如下。
2.3.4 电阻应变片的特性及参数
（1）灵敏度系数K
K为金属应变片的灵敏系数，与金属单丝的灵敏系
数K有一定差别，主要由实验测得。大量实验结果表明，
应变片的灵敏系数K恒小于金属丝线材的灵敏系数K。
究其原因主要是胶体的传递变形失真及横向效应两个方
面。
K
R R
x
（2）电阻值
应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受力时，在
室温下测定的电阻值。目前应变片的电阻值(标称值)也有
一个系列，如60、120、350、600、1000Ω等，其中以
120Ω最为常用。实际使用的应变片的阻值相对于标称值
可能存在一些偏差，因此使用前要进行测量分选。
（3）最大工作电流
最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特
性的最大电流值。当应变片接入测量电路后，在敏感栅
中要流过一定的电流，此电流使得应变片温度上升，从
而影响测量精度，甚至烧毁应变片。通常在静态测量时，
允许电流一般规定为25mA，动态测量时可达75～
100mA；箔式应变片可更大些。
（4）横向效应
应变片受力时，不仅构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发
生变化，而且其垂直于应变片轴向的横向应变εr，也将
使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。应变片的这种既
受轴向应变影响又受横向应变影响而引起电阻变化的现
象称为横向效应。
通过公式推导以及大量的实验数据证明：敏感栅越窄
(r愈小)、基长越长(L愈大)的应变片其横向效应引起的误
差越小。
（5）迟滞
应变片粘贴在被测试件上以后，在一定温度下，应变片
电阻相对变化εi(ΔR／R)与试件机械应变εm (ΔL／L，实际
应变)之间加载和卸载的特性曲线并不重合，这种现象称为
应变片的迟滞。加载和卸载特性曲线之间的最大差值△ε
称为最大迟滞误差。
（6）零飘与蠕变
对于粘贴好的应变片，当温度恒定、不承受应变时，其
电阻值随时间的变化而变化的特性，称为应变片的零点漂
移，简称零漂。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的
机械应变，其电阻值随时间的变化而变化的特性称为蠕变。
实验证明，选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适
当减小胶层和基底的厚度，并使之充分固化，有利于蠕变
性能的改善。
（7）应变极限
应变片电阻的相对变化与所承受的轴向应变成正比这一
关系只在一定的范围内成立，当试件输入的真实应变超过
某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条
件下，使非线性误差达到10％时的真实应变值，称为应变
极限。应变极限是衡量应变计测量范围和过载能力的指标。
（8）温度误差
在采用应变片进行应变测量时，希望它的阻值变化只与
应变有关，而不受其他因素的影响。但是在应变片的实际
应用中，温度变化会导致应变片电阻变化，将会给测量带
来误差。温度变化导致电阻变化的主要原因有两个，一是
在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化；
另一个是试件材料和敏感栅材料线膨胀系数不一致时，环
境温度变化会使敏感栅产生附加变形，其电阻值也会改变。
2.3.5 电阻应变片的测量转换电路
电阻应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表
(万用表电阻挡)测量其电阻的变化将十分困难，且误差很
大。通常采用电桥电路，将应变片微小的电阻变化转化为
易测量的电压或电流信号。通过电桥电路输出的信号既可
用指示仪表(如电压表)直接测量，也可以通过放大器放大
作进一步的信号处理。由于电桥测量电路简单，具有较高
的精确度和灵敏度，能预调平衡，易消除温度及环境的影
响，因此在测量系统中被广泛采用。
按照所采用的激励电源不同，电桥可分为直流电桥和
交流电桥。直流电桥主要的优点是所需的高稳定度直流电
源较易获得；电桥输出是直流量，可以用直流仪表测量，
精度较高；对传感器至测量仪表的连接导线要求较低；电
桥的预调平衡电路简单，仅需对纯电阻加以调整即可。但
是零漂、温漂和地电位的影响较大。交流电桥采用交流激
励电源，结合调制解调技术，能较好克服零漂和温漂的影
响，但是其电路相对复杂。
1．电桥的工作原理
图2-5是直流电桥的基本形式。
Rl、R2、R3、R4称为桥臂电阻，Ei
为电桥激励电压源。
当电桥输出端b、d接入输入阻
抗较大的仪表或放大器时，可视为
开路，输出电流为零，输出电压为
Eo。此时输出电压
Eo U ab U ad
R1
R4
Ei
R1 R2 R3 R4
图2-5 直流电桥
R1 R3 R2 R4
Ei
( R1 R2 )( R3 R4 )
由式(2-9)可见。欲使输出电压为零，即电桥平衡，应满足：
R1R3=R2R4
(2-10)
式(2-10)是直流电桥的平衡条件。适当选择各桥臂的电
阻值，可使电桥测量前满足平衡条件，输出电压E0=0。实
际的测量电桥往往取4个桥臂的初始电阻相等，即
R1=R2=R3=R4=R
称为全等臂电桥。若桥臂电阻R1(如电阻应变片)产生
ΔR变化，输出电压
R1 R
R4
R
Ei
Eo
Ei
4 R 2R
R1 R R2 R3 R4
由于ΔR<<R，可忽略分母中的2ΔR项。则：
1 R
Eo
Ei
4 R
式(2-11)表明，电桥输出电压与电桥的电源电压成正
比，在ΔR<<R的条件下，电桥输出电压也与桥臂电阻的
变化率ΔR/R成正比。
若电桥初始处于平衡状态，当各桥臂电阻均发生不同
程度的微小变化ΔR1、ΔR2、ΔR3和ΔR4时，电桥就失去
平衡，此时输出电压
( R1 R1 )( R3 R3 ) ( R2 R2 )( R4 R4 )
Eo
Ei
( R1 R1 R2 R 2 )( R3 R3 R 4 R4 )
式(2-12)为电桥输出电压与各桥臂电阻变化量的一
般关系式。由于ΔR<<R，忽略分母中的ΔR项和分子中
ΔR的高次项，对于最常用的全等臂电桥，式(2-12)可简
化为
E
Eo i ( R1 R2 R3 R4 )
4R
式（2-13）表述了惠斯登电桥的两个重要特性：
相邻相减、相对相加。
2．电桥的连接方式
（1）单臂电桥
如图2-6所示，R1为测量应
变片，其余为固定电阻。当R1
的阻值变化ΔR时，电桥输出电
压为：
1 R
Ei
Eo
Ei
K
4 R
4
图2-6 单臂电桥
单臂电桥的灵敏度最低，因此在实际测量中很少采用。
（2）差动半桥
差动半桥利用了相邻相减的特性，将2个相邻的应变片
布置在受力变形相反的地方，形成电压差动方式。
如图2-7所示，R1、R2为应变片，发生应变时，其ΔR的
变化是相反的，因此电桥输出电压为：
1 R
Ei
Eo
Ei
K
2 R
2
R4 R3
R1
F
R2
图2-7 差动半桥
R1、R2测量片；R3、R4温度补偿片
(3) 差动全桥
差动全桥是使用最多的测量电路，有最高的测量灵敏
度，而且自然地形成了温度补偿。如图2-8所示，4个应变
片都是测量片，R1、R3与R2、R4的应变相反。电桥输出
电压为：
Eo
R3 R1
R
Ei Ei K
R
F
R4 R2
图2-8 差动全桥
R1、R2 、R3、R4测量片
（4）双臂半桥
在某些场合，难以构建全桥测量电路，如图2-9所
示。这种情况下，构建双臂半桥就是必然的。双臂半
桥的电压输出与差动半桥一样，同式（2-15）。
R4
R2
R3
R1
P
图2-9 双臂半桥
R1、R3测量片；R2、R4温度补偿片
3．调零电路
上述的单臂电桥、差动半桥和
差动全桥等连接方式，其输出电压
的计算都是假设R1=R2=R3=R4=R计
算出来的。实际使用中，由于生产
工艺等因素的影响，R1、R2、R3、
R4不可能严格地全等，R的稍许偏
差，就将造成即使在未受力的时候，
桥路的输出也不一定为零。因此必
须设置调零电路，如图2-10所示。
调节Rp，最终可以使R1/R2= R4/R3， 图2-10 直流电桥的调零
电桥趋于平衡，Eo被预调到零位。
图中的R5是用于减小调节范围的限
流电阻。这种方法在应变和力等相
关测量仪器中被广泛使用。
2.3.6 电阻应变片的测量放大电路
应变片的电桥电路是将应变量ε（ΔR）转换成不平衡
电压的敏感电路，金属电阻应变片受到允许通过电流
（20mA左右）的限制，供桥电压一般不大于10V。若采用
最常用的120Ω电阻的应变片，供桥电压多采用5V。测量的
应变量多数情况下是微应变级的（1ε=106με），产生的电
桥不平衡电压通常也是微伏级（μV）的。如此小的电压量
是不能直接提供给显示仪表、A/D转换电路的，必需经过放
大电路，放大到V级，才能提供给显示仪表等。
这个放大倍数K=102～103，从数百倍到数千倍都有。
一般来说，供桥电压高，放大倍数低点，供桥电压愈低，
放大倍数愈高。又因为信号本身是μV级，因此放大器的内
部干扰和外部噪声都必须不大于μV。如此高的放大要求和
精度要求，一般的运算放大器都不能满足要求，必需采用
高精度的仪表用放大器或专用放大器。
＋12V
0.1μF
(7) ＋VS
Ra
R
＋IN (3)
RG (8)
3DH020
R4
VDZ
U4=12V
－12V
R1
R0
R3
R2
A1
AD622
RG
RG (1)
(6) OUTPUT
A3
(5) REF
A2
数
字
电
压
表
－IN (2)
(4) －VS
0.1μF
图2-11 采用仪表放大器的测量电路
图2-11是采用仪表放大器的测量电路，用于静态或缓变量的测量。
图中3DH020是集成恒流三极管（可用3DH系列），Ra可变电阻用于
调节供桥电流稳定在20mA。VDZ是稳压管用于稳定供桥电压，稳压管
电流约为10 mA。R1、R2、R3、R4是公称阻值120Ω的金属膜式电阻
应变片，R0是电桥调零可变电阻，因为用于静态测量，所以没设电容
平衡。仪表放大器AD622的放大倍数由RG电阻调节，RG=50.5KΩ/(K
－1),式中K为所需的放大倍数。设K=100～1000，则RG=500～50Ω。
图2-11适合测量缓变的、具有正负方向的应力应变，其
输出也以正负电压表示。当需要测量快速变化的量时就不适
合了，如应变式加速度传感器测量，动态测量电路如图2-13。
＋12V
Ra
0.1μF
(7) ＋VS
R
Cy
3DH020
A1
Ry
R1
R4
VDZ
U4=12V
＋IN (3)
CR
R0
R3
R2
RG (8)
RG
Cy
6) OUTPUT
(
AD622
RG (1)
(5) REF
－IN (2) A2
Ry
A3
(4) －VS
－12V
图2-13 采用仪表放大器的动态测量电路
0.1μF
图2-13中CR是差动可调电容，用于电容平衡调节。Cy、
Ry组成高通滤波器，下限截止频率按式（2-17）计算：
fc
1
2C y Ry
Hz
（2-17）
式2-17中Cy取1μF，Ry≥500KΩ，fc≈0.34Hz。即这个
电路的动态测量下限为0.34Hz。若需更低的下限，如
0.034Hz，则可将Cy取10μF。
对于某些应用测量，如汽车地磅，轨道衡等，没有负
载荷，而且是静态测量。这样的电路可以做得更简单，使
用单电源供电。
2.4 压阻式传感器
压阻式传感器是利用半导体的压
阻效应制成的。半导体材料受到应力
作用时，其电阻率会发生变化，这种
现象称为压阻效应。
压阻式压力传感器与金属膜片式
传感器测量原理相同，只是属于变电
阻率ρ型，因而使用的材料和制作工
艺不同。如扩散硅压阻式传感器(整
图2-15 扩散硅压阻式传感器 体结构如图2-15所示)，由硅杯、硅
膜片组成，利用集成电路工艺，设置四个相等的电阻扩散在硅
膜片上，并构成应变电桥。膜片两边有两个压力腔，分别为低
压腔和高压腔，低压腔与大气相通，高压腔与被测系统相连接。
当两边存在压差时，就有压力作用在膜片上，膜片上各点的应
力分布与金属应变片式传感器相同。但压阻式传感器的灵敏度
比金属应变片高50～100倍，有时无需放大可直接测量。
普通压阻式压力传感器属于简单传感器，近年单片集成
硅压力传感器进入市场。单片集成硅压力传感器内部除传感
器单元外，还增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。
MPX2100／4100A／5100系列集成硅压力传感器，由美国
Motorola公司生产，适合测量管道中绝对压力，下列4种型
号压力传感器的内部结构、工作原理基本相同，主要区别是
测量范围、封装形式不同。
MPX2100、5100的测量范围：0～100kPa；MPX4100
的测量范围：15～115kPa；MPX5700的测量范围：0～
700kPa；电源电压范围：+4.85～5.36V；温度补偿范围；
－40～+125°C。
图2-16 MPX系列压力传感器结构
图2-17 MPX系列压力传感器输出特性
沈阳仪表科学研究院生产的HB2119
系列硅压阻中、高量程压力传感器具有
多种规格，基准量程从4MPa～60MPa，
满量程输出≥50mA，工作温度：－30～
+100℃，补偿温度：0～70℃，长期稳定
性0.2%F.S /年。供电电源：1mA或恒压
5V。其外形如图2-18所示。
图2-19是输出二线制直流信号的测量
电路。图中测压元件是HB2119，信号调
理芯片是XTR105。
XTR105是一种三放大器结构的集成
芯片，管脚布置如图2-20所示。输出4～
20mA的电流，在工业上适合信号远传。
管脚IR1和IR2的驱动电流都为0.8mA，
HB2119只需要任一脚供电即可。
图2-18 HB2119系列传感器
各种电阻型传感器
压力传感器
电子称用测力传感器
电阻应变式力传感器
轧钢机测力传感器
电阻式压力传感器