《现代检测技术》 第4章 电阻式传感器

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1、4.1电位器式传感器4.2电阻应变式传感器4.3压阻式传感器第四章电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值，通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器的种类很多，例如电位器式传感器、电阻应变式传感器、压阻式传感器、气敏电阻和湿敏电阻等。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。4.1电位器式传感器4.1.1基本工作原理4.1电位器式传感器4.1.2输入—输出特性按输入输出特性，电位器式传感器可分为线性电位器和非线性电位器两类。4.1电位器式传感器1

2、.线性特性——线性电位器空载时其输出电压（电阻）与电刷位移之间具有线性关系的电位器称为线性电位器，其输出电压（电阻）与电刷位移成正比4.1电位器式传感器2.非线性特性——非线性电位器空载时其输出电压（电阻）与电刷位移之间具有非线性关系的电位器称为非线性电位器，也称为函数电位器。（4-5）（4-6）4.1电位器式传感器用非线性电位器可使传感器获得各种特殊要求的非线性函数（如指数函数、三角函数、对数函数及其他任意函数）输出，同时也可以通过它的非线性来修正仪表对于传感器或带有负载的电位器的非线性，从而最终获得线

3、性输出特性。4.1电位器式传感器4.1.3结构形式线绕电位器的优点是精度高、性能稳定，易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性。但也存在许多缺点，如阶梯误差、分辨力低、耐磨性差、寿命较低等。因此发展了在某些性能方面优于线绕电位器的非线绕电位器。非线绕电位器目前常见有合成膜、金属膜、导电玻璃釉电位器等。它们在结构上的共同特点是在绝缘基座上制成各种电阻薄膜元件，因此比线绕电位器具有高得多的分辨力，并且耐磨性好，寿命长，如导电塑料电位器使用寿命可达上千万次。它们的缺点是特性对温度、湿度变化比较敏感，且要求接触压

4、力大，只能用于推动力大的敏感元件。4.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广的电阻应变片有两种：金属应变片和半导体应变片。应用金属应变片的传感器就称为电阻应变式传感器，基于金属的电阻应变效应原理。应用半导体应变片的传感器称为压阻式传感器，基于压阻效应原理。电阻应变传感器是将被测量的力(压力、荷重、扭力等)通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。4.2电阻应变式传感器优点精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，尺寸小，重量轻，因此在测试时

5、，对工件工作状态及应力分析影响小；频率响应特性好，应变片响应时间约为；可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境条件下工作;应变片种类繁多、价格便宜。4.2电阻应变式传感器缺点在大应变状态下具有较大非线性；输出信号微弱；不适用于高温环境中（以上）；应变片实际测出的只是某一面积上的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的情况。4.2电阻应变式传感器4.2.1电阻应变片一、金属丝的电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应，即当金属丝在外力下作用发生机械变形时，其电阻值

6、将发生变化。设有一根长度为，截面积为，电阻率为的金属丝。在未受力时，原始电阻为4.2电阻应变式传感器图4-3金属丝伸长后的几何尺寸4.2电阻应变式传感器当金属丝受到轴向拉力作用时，将伸长，横截面积相应减少。电阻率因晶格变化等因素的影响而改变，故引起电阻值变化。对两边取对数，等式两边微分，则得（4-7）也可用则相对变化量来表示，有4.2电阻应变式传感器称为金属丝长度方向的应变或轴向应变；为金属丝半径的相对变化，即径向应变。轴向应变与径向应变存在下列关系：式中，—金属丝的泊松比。4.2电阻应变式传感器由（4-

7、8）式可知，受两个因素影响，前一部分仅由电阻丝材料受力后其几何尺寸变化引起的；另一个是由电阻丝的电阻率随应变引起的的变化。金属材料的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。4.2电阻应变式传感器二、应变片的基本结构及测量原理1、应变片的基本结构根据应变片原材料形状和制造工艺的不同，它的结构形式有丝绕式、箔式和薄膜式三种。电阻应变片的结构形式各异，但其结构大体相同，一般由敏感栅、引出线、基底、覆盖层、粘合剂等组成。4.2电阻应变式传感器图4-4电阻丝应变片结构示意图4.2电阻应变式传感器2、粘合剂和粘贴技术应变片的

8、种类很多，选择何种应变片是测试前应确定的问题。一般根据试验环境、应变性质、试件状况及测试精度选择合适的应变片。应变片在试件上的安装质量是决定测试精度及可靠性的关键之一，必须予以高度重视。安装方法有三种，粘贴法是最常用的，焊接法适用于金属基底的应变片，喷涂法主要用于高温应变测量。应变片是用粘合剂粘贴到被测件上去，粘合剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的应变传递到应变片的敏感栅上去，所以粘合剂与粘贴技术对测量结果有直接影响