§4—1

應變電阻傳感器學習目標1.掌握電阻應變片的結構、原理、特點及分類。2.熟悉電阻應變片的基本參數。3.熟悉應變電阻傳感器轉換電路。4.能根據實際應用場合正確選用電阻應變片。相關知識一、電阻應變片的結構、原理、特點及分類1.電阻應變片的結構和原理電阻應變片的工作原理是利用導體或半導體材料的電阻應變效應，即導體或半導體材料在外力作用下，會產生機械變形，其電阻值也將隨著發生變化的現象。實驗表明，在金屬絲的彈性變形范圍內，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，當金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。應變片利用應變效應，通過測量電阻的變化而對應變進行測量。金屬應變片的電阻變化率與軸向應變成正比例關系。-----金屬絲軸向應變電阻絲應變片結構示意圖1-電阻絲2-基底3-覆蓋層4-引出線2.電阻應變片的特點和分類應變片分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。金屬應變片又按敏感柵的形式分成絲式、箔式和薄膜式三種。半導體應變片使用最多的材料是是單晶硅半導體。半導體應變片具有靈敏度高、動態響應好、準確度高、易于微型化和集成化等特點。名稱特點絲式制造簡單、價格便宜、性能穩定、易于粘貼等優點，但蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代，多用于大批量、一次性試驗箔式表面積與截面積之比大，散熱條件好，允許通過較大電流，從而增大輸出信號，提高靈敏度；可根據測量需要制成任意形狀，在制造工藝上能保證敏感柵尺寸準確線條均勻；具有較好的可撓性，有利于粘貼及應變的傳遞；易加工，適于批量生產薄膜式應變靈敏系數大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現工業化生產，但難以控制電阻與溫度和時間的變化關系，是一種很有前途的新型應變片二、電阻應變片的基本參數1.幾何尺寸與電阻值R0應變片的規格以使用面積和電阻值表示，如（3×10）mm2，120Ω。2.應變片的靈敏系數K3.應變片允許工作電流4.應變極限5.橫向效應三、電阻應變片的選用1.電阻應變片的選擇（1）應變片結構形式的選擇選擇應變片的形式是根據應變測量的目的、被測試件的材料及其應力狀態以及測量精度。

（2）應變片使用溫度的選擇根據使用溫度選用符合要求的敏感柵和基底材料的應變片。

（3）電阻值的選擇依據測量電路或儀器選定應變片的標稱阻值。

（4）應變片尺寸的選擇選擇應變片尺寸時應考慮應力分布、動靜態測量、彈性體應變區大小等因素。

2.電阻應變片的應用舉例當殼體與被測物體一起做加速度運動時，由于質量塊的慣性使懸臂梁發生彎曲變形，粘貼在懸臂梁上的應變片隨之發生形變，其阻值發生相應變化，通過測量其阻值變化可求出待測物體的加速度。應變式加速度傳感器的外形和結構示意圖

ａ)外形ｂ)結構示意圖

１—質量塊２—彈性懸臂梁３—應變片４—機座外殼

四、轉換電路應變電阻傳感器主要由電阻應變片和測量轉換電路等組成。用電阻應變片測試應變時，將應變片粘貼在試件表面。當試件受力變形后，應變片電阻值發生變化。但應變片阻值變化較小，為了方便顯示或記錄，還要把電阻的變化轉換為電壓或電流的變化，通常采用電橋電路測量微小阻值變化。

（a）四臂直流電橋電路(b)單臂半橋電橋電路

(c)雙臂半橋電橋電路(d)四臂全橋電橋電路當四個橋臂的初始電阻滿足時，橋路輸出電壓為零，即橋路平衡。當應變電阻阻值發生變化時，電橋的輸出電壓三種工作方式中，四臂全橋電橋電路靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。雙臂半橋或全橋的另一好處是可以將應變片的溫度誤差和非線性誤差相互抵消，提高測量精度。§4—2

壓電式傳感器學習目標1.掌握壓電式傳感器的結構、原理、分類和特點。2.熟悉壓電元件的基本參數。3.掌握壓電元件的等效電路和壓電式傳感器的測量轉換電路。4.能根據實際應用場合正確選用壓電式傳感器。相關知識一、壓電式傳感器的結構、原理、特點及分類1.壓電式傳感器的結構和原理壓電式傳感器是一種雙向有源傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應。某些電介質，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在其兩個表面上生成符號相反的電荷，當外力去掉后，又會恢復到不帶電狀態，這種現象稱為壓電效應。壓電效應屬于將機械能轉化為電能的一種效應。反之，在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應，或叫做電致伸縮效應。它屬于將電能轉化為機械能的一種效應。壓電式傳感器是以具有壓電效應的壓電元件為核心組成的傳感器。當外力作用到壓電元件表面時會產生電荷，從而實現非電物理量到電量轉換。常見的壓電式傳感器2.壓電材料特點和分類用于制作壓電元件的壓電材料一般分為三大類：一是壓電晶體（單晶），它包括石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷；三是新型壓電材料，其中有壓電半導體和有機高分子壓電材料兩種。石英晶體薄片壓電陶瓷二、壓電材料的主要特性參數1.壓電常數壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，它直接關系到壓電元件輸出的靈敏度。2.彈性常數壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電元件的固有頻率和動態特性。3.介電常數對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。4.機械耦合系數在壓電效應中，其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。5.壓電材料的絕緣電阻絕緣電阻大時將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。6.居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。三、壓電元件的等效電路壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯的等效電路，也可以等效為一個電容與一個電壓源串聯的形式。

只有在外電路負載為無窮大，且內部無漏電時，電荷源才能保持長期不變，如果負載不是無窮大，則電路就會按指數規律放電，而只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此壓電傳感器不適宜靜態測量，只適用于動態測量。壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常兩片或兩片以上粘結在一起使用，有串聯和并聯兩種接法。串聯常用于以電壓為輸出的場合：并聯常用于以電荷為輸出的場合：四、壓電傳感器的測量轉換電路壓電傳感器的輸出電壓非常小，一般需要將電信號放大才能測量。根據壓電元件的兩種等效電路，與壓電元件配套的測量轉換電路的前置放大器也有兩種形式：一種是電壓前置放大器，其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓

與輸入電荷成正比。

目前多采用性能穩定的電荷放大器五、壓電傳感器的應用壓電式傳感器是一種會發電的傳感器，具有體積小、質量輕、工作頻帶寬、靈敏度及測量精度高等特點，又由于其內部沒有運動部件。因此，其結構堅固，可靠性和穩定性高，是工業實踐中比較常用的一種傳感器。

§4—3

液體（氣體）壓力傳感器學習目標1.掌握壓力的基本概念。2.掌握液體(氣體)壓力傳感器的結構與原理。3.了解液體(氣體)壓力傳感器的應用。相關知識一、壓力的基本概念檢測領域和工業中的壓力指的是物理學中的壓強，單位“帕斯卡”，簡稱“帕”（Pa），1Pa表示1N（牛）的力垂直而均勻地作用于1m2面積上的壓力。根據不同的測量條件，壓力分為絕對壓力和相對壓力，相對壓力又分為差壓和表壓。測量壓力的傳感器可分為絕對壓力傳感器、差壓傳感器和表壓傳感器。

1.絕對壓力絕對壓力是相對于密封在絕對壓力傳感器內部的基準真空（零壓力參考點）而言的，是以真空為起點的壓力。2.差壓差壓是指兩個壓力和之差，又稱壓力差。

3.表壓表壓是差壓的特殊情況，以環境大氣壓為參考基準。差壓傳感器一側向大氣敞開，形成表壓傳感器。醫生測量血壓時，實際測量的是人體血壓與大氣壓力之差，即表壓。工業生產中所提到的壓力大部分是表壓。膜盒波紋管二、氣體（液體）壓力傳感器的結構及應用1.液柱式壓力表液柱式壓力表是以液體靜力學原理為基礎制成的壓力表，通過液柱高度來反映被測壓力的大小。U形玻璃管內液柱所產生的重力與被測壓力平衡，根據液柱高度差來確定被壓力大小。

當時，左右兩管中液體的高度相等；

當時，U形管兩管內的液面會產生高度差，設高度差為，依據液體靜力學原理有，被測壓力差正比于兩個液柱的高度差。液柱式壓力表2.壓阻式固態壓力傳感器

壓阻式固態壓力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應和集成電路工藝制成的傳感器，也稱固態傳感器，它利用壓阻效應把氣體（液體）壓力轉換為電阻阻值變化。壓阻式固態壓力傳感器由外殼、硅膜片、硅杯和引線等結構組成,其核心部件是一片方形硅膜片，在它上面制作了四個阻值相等的應變電阻。

封裝結構硅膜片及應變片

1.低壓腔2.高壓腔3.硅杯1.單晶硅膜片2.擴散型應變片

4.引線5.硅膜片3.擴散電阻引線4.電極及引線當硅杯兩側存在壓力差時，硅膜片產生變形，四個應變電阻在應力作用下，阻值發生變化，其中距圓心近，承受的應變是正的（拉應變），處于膜片的邊緣區，承受的應變是負的（壓應變）。四個電阻之間利用面積相對較大、阻值較小的擴散電阻引線連接構成四臂全橋。當硅杯兩側存在壓力差時，硅膜片發生變形，四個應變電阻在應力作用下，阻值發生變化，電橋失去平衡，輸出電壓與硅膜片兩側壓差成正比。3.波紋管式壓力傳感器波紋管式壓力傳感器是把氣體壓力轉換為電感線圈中的電感量的變化，它的測量氣路有背壓式和差壓式兩種形式。這兩種測量氣路精確度相同，但差動式測量氣路比背壓式的測量范圍大一倍。背壓式測量氣路

差壓式測量氣路

4.差動電容式差壓變送器差動電容式差壓變送器（是把壓力差轉換為電容的變化，它的核心結構是熱脹冷縮系數很小的兩個凹形玻璃（或絕緣陶瓷）圓片上的鍍金膜片作為定極板，兩個凹形鍍金膜片與夾在它們中間的彈性平膜片組成電容。

差動電容式差壓變送器結構示意圖1—高壓側進氣口2—低壓側進氣口3—過濾片4—空腔5—柔性不銹鋼波紋隔離膜片6—導壓硅油

7—凹形玻璃圓片8—鍍金凹形電極9—彈性平膜片10—腔11—鋁合金外殼