1、第三章 電阻式傳感器 工作原理： 將被測物理量（如壓力、速度、位移等非電量）的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再變?yōu)殡娏枯敵?。電阻式傳感器的分類電位器式：應變式：壓阻式?物理量變化電阻變化傳感轉(zhuǎn)換元件屬于大電阻變化型，R：0R傳物理量變化變形（應力、應變）敏感元件屬于微電阻變化型，R：020%R傳傳感轉(zhuǎn)換元件電阻變化 物理量變化敏感元件 電阻率傳感轉(zhuǎn)換元件電阻變化屬于微電阻變化型，靈敏度比應變式高5070倍3-1 應變式電阻傳感器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量，以及遠距測量和遙測； 靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量； 可測多種物理量，如：位移、

2、加速度、力、力矩、壓力等。 缺點：單點測量一片電阻應變片只能測定構(gòu)件表面上一點的某個方向的應變 ;并且只代表柵長范圍內(nèi)的平均應變。應變片一般只能測量構(gòu)件表面的應力應變,對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維應力測量很難進行。一、電阻應變效應 一個金屬電阻絲，未受力時電阻值：在外力作用下，電阻變化了R： 金屬的應變效應 金屬絲的電阻應變效應 金屬絲的電阻值隨著金屬絲的幾何尺寸變化（伸長或縮短）而發(fā)生相應的變化的現(xiàn)象。稱為泊松比 二、結(jié)構(gòu)和形式和類型 種類三、轉(zhuǎn)換電路測量過程力、壓力應變變化 電阻變化 電壓或電流的變化并顯示和記錄 敏感元件 應變片 電阻應變儀 按激勵電壓性質(zhì) 直流電橋交流電橋 1.直流電橋工作原理電橋

3、平衡條件：IL=0。即：R1R3=R2R4橋臂比：n=R2/R1=R4/R3直流電橋的電壓靈敏度R1為工作應變片，由于應變而產(chǎn)生相應的電阻變化 R1R2、R3、R4為固定電阻，設RL=初始條件下令電橋平衡，即U0=0當有應變時（R1 R1+R1），U0=n/(1+n)2 (R1/R1)E電橋的電壓靈敏度Ku=(U0 -0) /(R1/R1)=n/(1+n)2E1）E越大，越靈敏。但一般測量電壓36V，通常取幾伏。另外由于箔絲很弱，mA級電流。2）n=1時，Ku最大，所以一般采用n=1的等臂電橋。此時Ku=（1/4）E。3）非線性誤差為（近似于線性）對于對稱電橋，n1時若想獲得真正的線性，可采用

4、差動電橋，即2個應變片。半橋和全橋假設R1=R2=R3=R4 根據(jù)參與工作的橋臂數(shù)半橋半橋單臂半橋雙臂全橋二、交流電橋輸出電壓 平衡條件 設各臂阻抗為 Z復阻抗的模 則 根據(jù)復數(shù)相等條件可得交流電橋平衡條件為 在測量前對電橋應分別進行電阻、電容平衡，即R1R4=R2R3 R1C1=R2C2 交、直流電橋的優(yōu)、缺點直流電橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：高穩(wěn)定直流電源易于獲得；電橋調(diào)節(jié)平衡電路簡單。缺點：容易產(chǎn)生零點漂移；線路復雜。交流電橋的優(yōu)缺點優(yōu)點：零漂小缺點：電路調(diào)節(jié)繁雜。電阻應變儀上述交、直流電橋可將應變片電阻的變化轉(zhuǎn)換成相應的電壓或電流信號，但這種信號較弱，且其波形并不是試件應變變化波形。使用一些部件，

5、將這一電信號進行放大，并精確復現(xiàn)試件應變波形，組成一臺應變測量儀，稱為電阻應變儀。它分為直流電阻應變儀和交流電阻應變儀。四、溫度誤差及其補償（一）溫度誤差敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差 試件材料的線膨脹引起的誤差外界溫度變化，有時會產(chǎn)生與真實應變同數(shù)量級的誤差，必須采取措施補償溫度誤差。（二）溫度補償 自補償法 1）單絲自補償法 2）組合式自補償法 2.線路補償法 1）電橋補償法 2）采用差動電橋補償法3）熱敏電阻補償法4）二極管補償法五、應變式傳感器的應用 測量原理演示U0=(R/R)UE測結(jié)構(gòu)的應變或應力與彈性元件結(jié)合構(gòu)成各種應變式傳感器應變式加速度傳感器應變式液體重量傳感器應變式傳感器

6、實例 應變式壓力傳感器 應變式力傳感器 3-2 壓阻式電阻傳感器一、半導體壓阻效應 半導體材料有明顯的壓阻效應，即半導體材料的電阻率隨作用應力而變化。 壓阻效應系數(shù) E 彈性模數(shù) 實驗表明： E1+2 半導體應變片的靈敏系數(shù) 二、結(jié)構(gòu)三、溫度誤差補償四、轉(zhuǎn)換電路同一半導體材料的壓阻效應與其晶向有關。五、壓阻式傳感器應用工作過程演示壓阻式加速度傳感器 3-3 電位器式電阻傳感器一、電位器式傳感器工作原理將機械的線位移（直線運動）、角位移（轉(zhuǎn)動）、直線角位移（螺旋運動）的變化 電阻或電壓的變化一定函數(shù)關系變阻器式變壓器式電位器式傳感器的優(yōu)、缺點：優(yōu)點： 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高(0.1%0

7、.05%)、性能穩(wěn)定、受環(huán)境因素影響小，可實現(xiàn)輸出-輸入任意函數(shù)關系，輸出信號較大，一般不用放大。缺點： 存在滑動觸頭與線圈等之間的摩擦，輸入能量要求較大，且磨損降低壽命和可靠性，也會降低測量精度。電位器分類電位器分類按輸出-輸入特性線性電位計非線性電位計按結(jié)構(gòu)形式線繞式在傳感器中應用較多薄膜式具有較高的精度和線性特性光電式無摩擦和磨損，分辨率高二、線繞電位器的結(jié)構(gòu) 三、轉(zhuǎn)換電路 電位器其輸出電壓或電阻與電刷位移或轉(zhuǎn)角之間可以是線性關系，也可以是非線性關系，即其它函數(shù)關系。以直線位移電位器為例，其轉(zhuǎn)換電路如圖所示：空載特性：空載時： 空載特性：負載特性：負載時： 負載特性： 三、轉(zhuǎn)換電路電阻靈

8、敏度： 電壓靈敏度：設電阻相對變化為負載系數(shù)則：負載特性 空載特性由于m0，即RL ，是負載特性和空載特性之間產(chǎn)生偏差。負載輸出電壓比空載輸出電壓低，這種偏差與m、r有關。 對負載特性的討論： 當 時，特性曲線變成直線，它實為空載特性 當帶有負載時，曲線下垂，負載越小，下垂越多，產(chǎn)生的負載誤差越大。 對負載特性的討論： 負載誤差 由于負載電阻不是無限大，而是可與電位計電阻值相比的有限值，造成負載特性為一下垂曲線，產(chǎn)生誤差，也稱非線性誤差。電刷在起始和最終位置時，負載誤差 eL=0 電刷在相對行程X=1/2時，負載誤差 eL max，且m，eL 對負載特性的討論： 負載誤差：為了減小負載誤差，首先要盡量減小m，通常m0.1。為此采用高輸入