3.2.1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电阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化,是能量控制型传感器。

•按其工作原理可分为电阻应变式、固态压阻式和变阻器式(电位器式)传感器三种。

优点：①精度高，测量范围广

      ②频率响应特性较好

       ③结构简单，尺寸小，重量轻

       ④可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣       条件下正常工作

       ⑤易于实现小型化、固态化

       ⑥价格低廉，品种多样，便于选择

缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。        

1、金属电阻应变片

工作原理：应变片发生变形时，阻值发生变化

金属丝式应变片

金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝做成敏感栅，有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向效应较大。图b为短接式应变片，它的敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。丝式应变片敏感栅常用的材料有:康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及铂、铂钨合金等。

金属箔式应变片

金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。

(1).应变效应

Ø导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。 

传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。 

当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。 

ØS由两部分组成： 

ü前一部分(1+2γ)单由金属导线的几何尺寸变化引起的； 

ü后一部分λE是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关

压阻效应：半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。

(3).应变片的主要参数

1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。

2)电阻值：应变计的原始电阻值。

3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。

4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

2、应变片的主要特性

(1)灵敏系数

Ø金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；

Ø实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变ε在很宽的范围内均为线性关系。

(2)横向效应   

金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变ε使敏感栅电阻发生变化，其横向应变εr也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了ε起作用外)，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。

为减小横向效应，常采用箔式应变片。 

(3)机械滞后

      应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性

不重合，即为机械滞后。

产生原因：

        a、应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发

生少量不可逆变化；

          b、在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的

变形或者粘结剂固化不充分。

(4)零点漂移和蠕变

   对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。

   如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。

(5)应变极限

（6）动态特性

  当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2μs)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。                             

3、应变片的测量电路（信号调理电路）

    由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很微弱的，因此须采用高精度的测量电路——电桥。

电桥的作用：将电阻、电感、电容等微小电参量的变化转换为电压或电流的变化。

               应变片实物图

（3）应变片种类

• 按材料分：

    金属式： 丝式、箔式、薄膜型

    半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 

丝式 ：Ф0.025mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅

箔式 ：用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.003—0.01 的金属箔栅

薄膜式：真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几～几百纳米金属电阻薄膜。

•按结构分：单片、双片、特殊形状

•按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下

当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。

结论：上述可知，面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。

4.测量电路（转换电路）

分布电容（每米可达几百皮法）常常比传感器电容（一般几十个皮法）还大，为克服分布电容影响,常采用双层屏蔽等位传输技术，又叫“驱动电缆技术”。为提高电容传感器的稳定性，克服寄生电容耦合（不稳定值），所采取的屏蔽措施。

（1）电桥电路

由变压器副边、电容组成的交流电桥，电容变化转换为电桥电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。

（2）谐振电路 

电容传感器的电容作为谐振回路(L2、C2、CX)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波、滤波即可得到相应的输出。 

为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。

（3）二极管双T型电路

（4）差动脉冲调宽电路

  利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。

（5）运算放大器电路 

采用比例运算放大器电路，可以使变极距型电容式传感器输出电压与位移的关系转换为线性关系。

5、电容式传感器的应用

电容传感器中电容值变化都很微小，电缆分布电容影响大,不能直接显示记录，必须将电容变化转换为电流、电压的变化。

3.2.3 电感式传感器

电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。

1.可变磁阻式(自感型)

原理:电磁感应                                  

当μ0、δ固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系

当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。 

测量电路

  （1）交流电桥

 交流电桥是自感传感器的主要测量电路，为了提高灵敏度，改善线性度，自感线圈一般接成差动形式。

(2)变压器式交流电桥

电桥的两臂是传感器线圈阻抗臂、另外两个臂是交流变压器次级线圈各占1∕2，交流供电。

（3）谐振式（调幅、调频）

2.涡流式电感传感器

Ø当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。 

Ø涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。 

Ø涡流式电感传感器可分为 

1）高频反射式  2）低频投射式 

(1).高频反射式（集肤效应）

(2).低频透射式（互感原理）

涡流式传感器的应用

案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量

案例:转速的测量

测厚和计数

无损检测