第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器 工作原理：工作原理： 将被测物理量（如压力、速度、位移将被测物理量（如压力、速度、位移等非电量）的变化转换为电阻值的变化，等非电量）的变化转换为电阻值的变化，再变为电量输出再变为电量输出电阻式传感器的分类电阻式传感器的分类电位器式：电位器式：应变式：应变式：压阻式：压阻式： 物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感转换元件传感转换元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感转换元件传感转换元件电阻变化电阻变化 物理量变化物理量变化敏感元件敏感元件 电阻率电阻率传感转换元件传感转换元件电阻变化电阻变化属于微电阻变化型，灵敏度比应变式高属于微电阻变化型，灵敏度比应变式高5070倍倍3-1 应变式电阻传感器应变式电阻传感器优点：优点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；量，以及远距测量和遥测； 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；态测量； 可测多种物理量，如：位移、加速度、可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。
力、力矩、压力等 缺点：缺点：单点测量单点测量一片电阻应变片只能测定构件表面上一一片电阻应变片只能测定构件表面上一点的某个方向的应变点的某个方向的应变 ;并且只代表栅长范并且只代表栅长范围内的平均应变围内的平均应变应变片一般只能测量构件表面的应力应应变片一般只能测量构件表面的应力应变变,对结构内部的三维应力测量很难进行对结构内部的三维应力测量很难进行一、电阻应变效应一、电阻应变效应 一个金属电阻丝，未受力时电阻值：一个金属电阻丝，未受力时电阻值：在外力作用下，电阻变化了在外力作用下，电阻变化了 R： 金属的应变效应金属的应变效应 金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值金属丝的电阻值金属丝的电阻值金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象发生相应的变化的现象发生相应的变化的现象发生相应的变化的现象称为泊松比称为泊松比称为泊松比称为泊松比 二、结构和形式和类型二、结构和形式和类型 种类种类三、转换电路三、转换电路测量过程测量过程力、压力力、压力应变变化应变变化 电阻变化电阻变化 电压或电流的变化电压或电流的变化并显示和记录并显示和记录 敏感元件敏感元件 应变片应变片 电阻应变仪电阻应变仪 按按激激励励电电压压性性质质 直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥 1.直流电桥直流电桥工作原理工作原理电桥平衡条件：电桥平衡条件：IL=0。
即：即：R1R3=R2R4桥臂比：桥臂比：n=R2/R1=R4/R3直流电桥的电压灵敏度直流电桥的电压灵敏度R1为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化为工作应变片，由于应变而产生相应的电阻变化 R1R2、R3、R4为固定电阻，设为固定电阻，设RL= 初始条件下令电桥平衡，即初始条件下令电桥平衡，即U0=0当有应变时（当有应变时（R1 R1+ R1），），U0=n/(1+n)2 ( R1/R1)E电桥的电压灵敏度电桥的电压灵敏度Ku=(U0 -0) /( R1/R1)=n/(1+n)2E1）E越大，越灵敏但一般测量电压越大，越灵敏但一般测量电压 36V，通常取几伏通常取几伏另外由于箔丝很弱，另外由于箔丝很弱，mA级电流2）n=1时，时，Ku最大，所以一般采用最大，所以一般采用n=1的等臂电桥的等臂电桥此时此时Ku=（1/4）E3）非线性误差为（近似于线性）非线性误差为（近似于线性）对于对称电桥，对于对称电桥，n1时时若想获得真正的线性，可采用差动电桥，即若想获得真正的线性，可采用差动电桥，即2个应变片个应变片半桥和全桥半桥和全桥假设假设 R1= R2= R3= R4 根据参与工根据参与工作的桥臂数作的桥臂数半桥半桥半桥单臂半桥单臂半桥双臂半桥双臂全桥全桥二、交流电桥二、交流电桥输出电压输出电压输出电压输出电压 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件 设各臂阻抗为设各臂阻抗为设各臂阻抗为设各臂阻抗为 ZZ复阻抗的模复阻抗的模复阻抗的模复阻抗的模 则则则则 根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为 在在在在测测测测量量量量前前前前对对对对电电电电桥桥桥桥应应应应分分分分别别别别进进进进行行行行电电电电阻阻阻阻、电容平衡，即电容平衡，即电容平衡，即电容平衡，即R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 R R1 1C C1 1=R=R2 2C C2 2 交、直流电桥的优、缺点交、直流电桥的优、缺点直流电桥的优缺点直流电桥的优缺点优点：高稳定直流电源易于获得；电桥优点：高稳定直流电源易于获得；电桥调节平衡电路简单。
调节平衡电路简单缺点：容易产生零点漂移；线路复杂缺点：容易产生零点漂移；线路复杂交流电桥的优缺点交流电桥的优缺点优点：零漂小优点：零漂小缺点：电路调节繁杂缺点：电路调节繁杂电阻应变仪电阻应变仪上述交、直流电桥可将应变片电阻的变化上述交、直流电桥可将应变片电阻的变化转换成相应的电压或电流信号，但这种转换成相应的电压或电流信号，但这种信号较弱，且其波形并不是试件应变变信号较弱，且其波形并不是试件应变变化波形使用一些部件，将这一电信号化波形使用一些部件，将这一电信号进行放大，并精确复现试件应变波形，进行放大，并精确复现试件应变波形，组成一台应变测量仪，称为电阻应变仪组成一台应变测量仪，称为电阻应变仪它分为直流电阻应变仪和交流电阻应变它分为直流电阻应变仪和交流电阻应变仪四、温度误差及其补偿四、温度误差及其补偿（一）温度误差（一）温度误差1.敏感栅电阻随温度的变化引起的误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 2.2. 试件材料的线膨胀引起的误差试件材料的线膨胀引起的误差外界温度变化，有时会产生与真实应变同数量级的误差，外界温度变化，有时会产生与真实应变同数量级的误差，外界温度变化，有时会产生与真实应变同数量级的误差，外界温度变化，有时会产生与真实应变同数量级的误差，必须采取措施补偿温度误差。
必须采取措施补偿温度误差必须采取措施补偿温度误差必须采取措施补偿温度误差二）温度补偿（二）温度补偿 1.自补偿法自补偿法 1）单丝自补偿法）单丝自补偿法 2）组合式自补偿法）组合式自补偿法 2.线路补偿法线路补偿法 1 1）电桥补偿法）电桥补偿法）电桥补偿法）电桥补偿法 2 2）采用差动电桥补偿法）采用差动电桥补偿法）采用差动电桥补偿法）采用差动电桥补偿法3 3）热敏电阻补偿法）热敏电阻补偿法）热敏电阻补偿法）热敏电阻补偿法4 4）二极管补偿法）二极管补偿法）二极管补偿法）二极管补偿法五、应变式传感器的应用五、应变式传感器的应用 测量原理演示测量原理演示U0=( R/R)UE测结构的应变或应力测结构的应变或应力与弹性元件结合构成各种应变与弹性元件结合构成各种应变式传感器式传感器应变式加速度传感器应变式加速度传感器应变式液体重量传感器应变式液体重量传感器应变式传感器实例应变式传感器实例 应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 3-2 压阻式电阻传感器压阻式电阻传感器一、半导体压阻效应一、半导体压阻效应 半导体材料有明显的压阻效应，即半导体材料有明显的压阻效应，即半导体材料的电阻率随作用应力而变化。
半导体材料的电阻率随作用应力而变化 压阻效应系数压阻效应系数压阻效应系数压阻效应系数 E E 弹性模数弹性模数弹性模数弹性模数 实验表明：实验表明：实验表明：实验表明： E1+2E1+2 半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数 二、结构二、结构三、温度误差补偿三、温度误差补偿四、转换电路四、转换电路同一半导体材料的压阻效应与其晶向有同一半导体材料的压阻效应与其晶向有关五、压阻式传感器应用五、压阻式传感器应用工作过程演示工作过程演示压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器 3-3 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器一、电位器式传感器工作原理一、电位器式传感器工作原理将机械的线位移（直线运动）、角位移（转动）、将机械的线位移（直线运动）、角位移（转动）、直线角位移（螺旋运动）的变化直线角位移（螺旋运动）的变化 电阻或电压的变化电阻或电压的变化一定函数关系一定函数关系变变阻阻器器式式变变压压器器式式电位器式传感器的优、缺点：电位器式传感器的优、缺点：优点：优点： 结结构构简简单单、尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、精精度度高高(0.1% 0.05%)、性性能能稳稳定定、受受环环境境因因素素影影响响小小，可可实实现现输输出出-输输入入任任意意函函数数关关系，输出信号较大，一般不用放大。
系，输出信号较大，一般不用放大缺点：缺点： 存存在在滑滑动动触触头头与与线线圈圈等等之之间间的的摩摩擦擦，输输入入能能量量要要求求较较大大，且且磨磨损损降降低低寿寿命命和和可靠性，也会降低测量精度可靠性，也会降低测量精度电位器分类电位器分类电位器分类电位器分类按输出按输出- -输输入特性入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在在传感器中应用较多传感器中应用较多薄膜式薄膜式具具有较高的精度和线性特性有较高的精度和线性特性光电式光电式无无摩擦和磨损，分辨率高摩擦和磨损，分辨率高二、线绕电位器的结构二、线绕电位器的结构 三、转换电路三、转换电路 电位器其输出电压或电阻与电刷位移或转角之间可以是线性关系，电位器其输出电压或电阻与电刷位移或转角之间可以是线性关系，也可以是非线性关系，即其它函数关系以直线位移电位器为例，其也可以是非线性关系，即其它函数关系以直线位移电位器为例，其转换电路如图所示：转换电路如图所示：空载特性：空载特性：空载时：空载时： 空载特性：空载特性：负载特性：负载特性：负载时：负载时： 负载特性：负载特性： 三、转换电路三、转换电路电阻灵敏度：电阻灵敏度： 电压灵敏度：电压灵敏度：设电阻相对变化为设电阻相对变化为负载系数负载系数则：负载特性则：负载特性 空载特性空载特性由于由于m 0，即，即RL ，是，是负载特性和空载特性之间产生偏差。
负载负载特性和空载特性之间产生偏差负载输出电压比空载输出电压低，这种偏差与输出电压比空载输出电压低，这种偏差与m、r有关 对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 当当 时，特时，特性曲线变成直线，性曲线变成直线，它实为空载特性它实为空载特性 当带有负载时，当带有负载时，曲线下垂，负载曲线下垂，负载越小，下垂越多，越小，下垂越多，产生的负载误差产生的负载误差越大 对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 负载误差负载误差 由于负由于负载电阻不是无限大，载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻而是可与电位计电阻值相比的有限值，造值相比的有限值，造成负载特性为一下垂成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也曲线，产生误差，也称非线性误差称非线性误差电刷在起始和最终位电刷在起始和最终位置时，负载误差置时，负载误差 eL=0 电刷在相对行程电刷在相对行程X=1/2时，负载误差时，负载误差 eL max，且，且m ，eL 对负载特性的讨论：对负载特性的讨论： 负载误差：负载误差：为了减小负载误差，首先要尽量减小为了减小负载误差，首先要尽量减小m，通常通常m0.1为此采用高输入阻抗放大器，为此采用高输入阻抗放大器，或将电位器空载特性设计成某种上凸特性，或将电位器空载特性设计成某。