1.电阻式传感器

在众多传感器中，有一类是通过电阻参数的变化来达到非电量测量的目的的，它们被统称为电阻式传感器。这是一种先将被测信号的变化转换成电阻值的变化，然后经相关测量电路处理后，在终端仪器、仪表上显示或记录被测量变化状态的测量装置。利用电阻式传感器可对位移、形变、力、力矩、加速度、湿度、温度等物理量进行测量。由于各种电阻材料在受到被测量作用时转换成电阻参数变化的机理各不相同，因此电阻式传感器有许多种类。下面主要介绍电阻应变片式传感器。

电阻应变片式传感器是目前应用比较广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，加上相应的测量电路就可以检测位移、加速度、力、力矩等参数变化。电阻应变片是电阻应变片式传感器的核心器件。这种传感器具有结构简单、使用方便、性能稳定可靠、易于自动化、多点同步测量、远距离测量和遥控等特点，并且测量灵敏度、速度都很高，无论是静态测量还是动态测量都很适用，在煤炭、机械、电力、化工、建筑、医疗、航空等领域都得到了广泛的应用。

1）电阻应变片的结构

电阻应变片的结构各异，但其结构组成与图5-3所示的电阻丝式应变片的结构基本相同。图中，L为应变片的标距（或称工作基长），它是敏感栅沿轴向测量变形的有效长度；b为敏感栅的宽度（或称基宽）。

电阻应变片有金属应变片和半导体应变片两类，如图5-4所示。

（1）金属应变片又有丝式、箔式、薄膜式之分。其中金属丝式应变片使用最早最多，它有纸基型、胶基型两种，因制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺，将电阻箔片在绝缘基片上制成各种图案而形成的应变片，其厚度通常为0.001～0.01 mm，因散热效果好、通过电流大、横向效应小、柔性好、寿命长、工艺成熟且适于大批量生产而得到广泛应用。金属薄膜式应变片是薄膜技术发展的产物，它采用真空蒸镀的方法成形，因灵敏系数高、易于批量生产而备受重视。

（2）半导体应变片是用半导体材料作为敏感栅而制成的，其灵敏度高（一般比金属丝式应变片、金属箔式应变片高几十倍），且横向效应小。

图5-3　电阻丝式应变片的结构示意

1—基底；2—敏感栅；3—覆盖层；4—引线

图5-4　电阻应变片

（a）金属丝式应变片；（b）金属箔式应变片；（c）半导体应变片

2）电阻应变片及桥式电路的工作原理

电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应，即导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形（拉伸或压缩）时，其电阻值也随之发生相应的变化。金属丝的电阻（R）与材料的电阻率（ρ ）及材料的几何尺寸（长度L、截面面积A）有关，即

金属丝在产生机械变形的过程中，L、A都要发生相应的变化，这必然引起金属丝的电阻值发生变化。工程上利用这一原理设计制造了一系列应变片，以满足信号检测的需要。

在电阻式传感器中，最常用的转换测量电路是桥式电路。按拱桥电源的性质，桥式电路可分为交流电桥电路和直流电桥电路，目前使用较多的是直流电桥电路。下面以直流电桥电路为例，简单介绍其工作原理。

如图5-5所示，直流电桥电路的4个桥臂由电阻R1，R2，R3，R4组成，其中a，c两端接直流电压U，而b，d两端为输出端，其输出电压为ΔU。一般情况下，桥路应接成等臂电桥（即R1=R2=R3=R4）且输出电压ΔU=0。这样无论哪个桥臂受到外来信号作用，桥路都将失去平衡，从而导致有信号输出，其输出电压为

单臂电桥在工作（即只有一路被测信号ΔR进入电桥电路，如图5-6所示）时，其输出电压为ΔU=ΔRU/（4R）。这说明，当电桥的桥臂电阻受被测信号的影响发生变化时，电桥电路的输出电压也将随之发生变化，从而实现由电阻变化到电压变化的转换。

图5-5　直流电桥电路原理示意

图5-6 单臂电桥工作原理示意

3）电阻应变片的应用

（1）位移传感器。应变式位移传感器是把被测位移量转换成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥输出1个正比于被测位移的电量。它可进行近地或远地静态与动态的位移量检测。使用时要求用于测量的弹性元件刚度要小，被测对象的影响反力要小，系统的固有频率要高，动态频率响应特性要好。

图5-7（a）所示为国产YW系列应变式位移传感器结构示意。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此测量的位移较大（通常测量范围为10～100 mm）。其工作原理如图5-7（b）所示。

由图5-7所示可知，4片应变片分别贴在距悬臂梁根部距离为a处正、反两面；拉伸弹簧的一端与测量杆相连，另一端与悬臂梁上端相连。在测量时，当测量杆随被测件产生位移d时，就带动弹簧使悬臂梁弯曲变形产生应变，其弯曲应变量与位移量呈线性关系。由于测量杆的位移d为悬臂梁端部位移量d1和螺旋弹簧伸长量d2之和，因此，由材料力学可知，位移量d与贴片处的应变e的关系为d=d1 + d2=Ke，其中，K为比例系数，它与弹簧元件尺寸和材料特性参数有关；e为应变量，它可以通过应变仪测量。

图5-7　国产YW系列应变式位移传感器的结构与工作原理示意

（a）结构示意；（b）工作原理示意

（2）电子皮带秤。电阻应变片在电子自动秤上的应用十分普遍，如电子汽车秤、电子轨道秤、电子吊车秤、电子配料秤、电子皮带秤、自动定量灌装秤等。其中电子皮带秤是一种能连续称量散装材料（矿石、煤、水泥、米、面等）质量的测量装置。它不但可以称出某一瞬间在输送带上输出物料的质量，还可以称出某一段时间内输出物料的总质量。

2.电容式传感器

电容式传感器是一种能将被测非电量转换成电容量变化的传感器件。这类传感器近年来有了比较大的发展。它不但能用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且正逐步应用于压力、压差、液面、料面、成分含量等项目的检测。在自动检测中，电容式传感器的应用越来越广泛。

1）电容式传感器的主要特点

电容式传感器是以不同类型的电容器作为传感元件，并通过电容传感元件把被测物理量的变化转换成电容量的变化，然后经转换电路转换成电压、电流或频率等信号输出的测量装置。其主要特点如下：

（1）结构简单、易于制造。

（2）功率小、阻抗高、输出信号强。由于电容式传感器中带电极板之间的静电引力很小，因此在信号检测过程中，只需施加较小的作用就可以获得较大的电容、变化量及高阻抗的输出信号。

（3）动态特性好。由于电容式传感器带电极板之间的静电引力很小，工作时需要的作用能量也很小，再加上可动体的质量很小，因此具有较高的固有频率和良好的动态响应特性。

（4）受本身发热影响小。电容式传感器的绝缘介质多为真空、空气或其他气体，由于介质损耗比较小，因此其本身的发热对传感器的影响可以忽略不计。

（5）可获得比较大的相对变化量。电容式传感器与高线性的电路连用时，相对变化量可近似达到100%，这给检测工作带来了极大的方便。

（6）能在比较恶劣的环境中工作。由于电容式传感器的组件一般都不用有机材料或磁性材料制作，因此其在高、低温或强辐射等环境中都能正常工作。

（7）可进行非接触式测量。当被测物有不能受力或高速运动或表面不允许划伤等情况时，电容式传感器可进行非接触测量，并且具有较好的平均效应。

（8）电容式传感器的不足主要是寄生电容影响比较大、输出阻抗比较高、负载能力相对比较大、输出为非线性。

随着电子技术的飞速发展，电容式传感器的性能得到很大的改善，寄生分布电容、非线性等影响不断被克服，因此，在自动检测中，电容式传感器的应用越来越广泛，正逐步成为一种高灵敏度、高精度，且在动态、低压及一些特殊场合中有发展前途的传感器。

2）电容式传感器的工作原理及结构形式

（1）工作原理。平行板电容器如图5-8所示。由物理学可知，由两平行极板所组成的电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

式中，A——两极板相互遮盖的面积，mm2；

　　　δ ——两极板间的距离，mm；

　　　ε——两极板间介质的介电常数，F/m。

由计算公式可见，当A、δ、ε 3个参数中任何一个发生变化时，电容量也随之发生变化。工程上正是利用这一原理制造了许多电容式传感器。

（2）结构形式。根据工作原理，电容式传感器可分为变面积（A）型、变极距（δ）型和变介电常数（ε）型3种基本类型。

① 变面积（A）型电容式传感器的结构如图5-9所示。当被测物体带动可动板2发生位移时，就改变了可动板与固定板之间的相互遮盖面积，并由此引起电容量C发生变化。

图5-8　平行板电容器

图5-9　变面积（A）型电容式传感器的结构

（a）单边直线位移式；（b）单边角位移式；（c）差分式

② 变极距（δ）型电容式传感器的结构如图5-10所示。图中，1和3为固定极板，2为可动板（或相当于可动板的被测物），其位移由被测物带动。从图5-10（a）、（b）可看出，当可动板由被测物带动向上移动（即δ 减小）时，电容值增大；反之，电容值减小。

图5-10　变极距（δ ）型电容式传感器的结构

1，3—固定极板；2—可动板

③ 变介电常数（ε）型电容式传感器的结构如图5-11所示。其中，图5-11（a）中的两平行极板为固定极板，极距为δ0。相对介电常数为εr2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变了两种介质极板的覆盖面积。

图5-11　变介电常数（ε ）型电容式传感器的结构

（a）电介质插入式；（b）绝缘物位检测

上述原理可用于非导电绝缘流体材料的位置测量。如图5-11（b）所示，将电容器极板插入被测的介质中，随着灌装量的增加，极板覆盖面积也随之增大，从而测出输出的电容量。根据输出电容量的大小即可判断灌装物料的高度。

使用电容式传感器时有一点需要说明，当极板间有导电物质存在时，应选择电极表面涂有绝缘层的传感器件，以防止电极间短路。

（3）应用。差分式电容压力传感器广泛应用于液体、气体和蒸汽的流量、压力、液体位置及密度等的检测，其结构示意如图5-12所示。从图中可看出，由两盒体和1片感压薄膜构成的膜盒组件是其主要构件。它实质上是由金属膜片与镀金凹玻璃圆片所组成的采用差分电容原理设计的位移传感器。

当被测压力p通过过滤器通道进入空腔后，由于弹性膜片的两侧受到的压力不同而形成1个压力差。由于压力差的作用，使膜片凸向一侧产生位移。这一位移改变了2个镀金凹玻璃圆片与弹性膜片之间的电容量，而电容量的变化可由电路加以放大后取出，其原理示意如图5-13所示。

图5-12　差分式电容压力传感器的结构示意

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图5-13　差分式电容压力传感器的工作原理示意

差分式电容压力传感器的输出电流I0为：

式中，CH——高压侧极间电容值；

　　　CL——低压侧极间电容值；

　　　d0——电极间的初始间距；

　　　Δp——输入压差；

　　　IC，K——常数。

由上式可知，输出电流与介电常数的变化和激励电源频率的变化无关，而只与输入压差成正比。

差分式电容压力传感器的电路如图5-14所示，它主要由信号变换器电路及电流控制器电路两部分组成。其中，信号变换器电路可将差分电容量转换成电信号，而电流控制器电路可进一步将电信号变换成某一直流输出信号。

图5-14　差分式电容压力传感器的电路

3.电感式传感器

电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现信号测量的。根据转换原理，电感式传感器可分为自感式和互感式两大类。本书只介绍自感式电感式传感器。

自感式电感式传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型3种类型。

（1）变间隙型电感式传感器如图5-15所示。传感器由线圈、铁芯和衔铁组成。工作时可动衔铁与被测物体连接，被测物体的位移通过可动衔铁的上、下（或左、右）移动，引起空气气隙的长度发生变化，即气隙磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感量发生变化。实际检测时，正是利用这一变化来判断被测物体的移动量及运动方向的。

线圈的电感量可用公式L=N2/Rm计算。式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。对于变间隙型电感式传感器，如果忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为

式中，l1——铁芯磁路长；

　　　l2——衔铁磁路长；

　　　A——截面面积；

　　　μ1——铁芯磁导率；

　　　μ2——衔铁磁导率；

　　　μ0——空气磁导率；

　　　δ——空气隙厚度。

一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，可忽略，因此线圈的电感值可近似地表示为

（2）变面积型电感式传感器如图5-16所示。由图可以看出，线圈的电感量为

传感器工作时，当气隙长度保持不变，而铁芯与衔铁之间相对覆盖面积（即磁通截面）因被测量的变化而改变时，将导致电感量发生变化。由公式可知，线圈电感量与截面面积成正比，呈线性关系。

图5-15　变间隙型电感式传感器

1—线圈；2—铁芯；3—可动衔铁

图5-16 变面积型电感式传感器

2）螺管型电感式传感器

螺管型电感式传感器如图5-17所示。当传感器的衔铁随被测对象移动时，将引起线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，从而导致线圈电感量随之变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。设线圈长度为l，线圈的平均半径为r，线圈的匝数为N，衔铁进入线圈的长度为la，衔铁的半径为ra，铁芯的有效磁导率为μm，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为

通过对以上3种形式的电感式传感器的分析，可以得出以下结论：

（1）变间隙型电感式传感器灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难。

（2）变面积型电感式传感器灵敏度较低，但线性较好，量程较大，使用比较广泛。

（3）螺管型电感式传感器灵敏度较低，但量程大、结构简单且易于制作和批量生产，常用于测量精度要求不太高的场合。

图5-17　螺管型电感式传感器

1—线圈；2—铁芯

4.热电式传感器

对温度这一物理量的检测与控制是目前传感与检测技术中一项非常重要的内容。用于温度检测的方法、手段很多，从水银温度计到热敏电阻，从热电偶到温度比色仪，从接触式到非接触式等。以下对热电阻、热敏电阻及热电偶传感器的测温方法进行简要介绍。

1）热电阻、热敏电阻传感器

（1）热电阻传感器。热电阻是利用导体的电阻率随温度变化的物理现象来测量温度的。几乎所有物质都具有这一性质，但作为测温用的热电阻具有以下特性：

① 电阻值与温度变化具有良好的线性关系。

② 电阻温度系数大，便于精确测量。

③ 电阻率高，热容量小，反应速度快。

④ 在测温范围内具有稳定的物理性质和化学性质。

⑤ 材料质量要纯，容易加工复制，价格便宜。

根据以上特性，最常用的材料为铂和铜，但在低温测量中则使用铟、锰及碳等材料。

a.热电阻温度计。

通常工业上测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件，测量电路用得较多的是电桥电路。为了克服环境温度的影响，常采用图5-18所示的3导线1/4电桥电路。由于采用这种电路，热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中，从而使由环境温度变化所引起的引线电阻值变化造成的误差相互抵消。

图5-18　3导线1/4电桥电路

图5-19　热电阻流量计原理示意

b.热电阻流量计。图5-19所示是热电阻流量计原理示意。两个铂电阻探头，其中Rt1放在管道中央，它的散热情况受介质流速的影响；Rt2放在与流体温度相同但不受介质流速影响的小室中。当介质处于静止状态时，电桥处于平衡状态，流量计没有指示；当介质流动时，Rt1的热量被带走，温度的变化引起阻值变化，电桥失去平衡而有输出，电流计的指示直接反映流量的大小。

2）热电偶传感器

热电偶传感器是一种能够将温度变化量转换成电势变化的测量装置，属于接触式测温元件的一种，目前在工业生产和科研中得到了广泛应用。

热电偶传感器的工作原理基础是导体材料的热电效应。将两种不同成分的导体组成一闭合回路（如图5-20所示），当闭合回路的两个节点分别置于不同的温度场中时，回路中将产生一个电势，该电势的方向和大小与导体的材料及两节点的温度有关，这种物理现象称为热电效应，两种导体组成的回路称为热电偶，这两种导体称为热电极，产生的电势称为热电势。热电势由两部分组成，其中一部分是两种导体的接触电势，另一部分为单一导体的温差电势。

图5-20　热电偶回路

热电偶有如下几个基本定律：

（1）由两种化学成分不同的导体组成热电偶，并且两端点的温度不同时才能产生热电势。热电势的大小与材料性质及两端点的温度有关，与形状和尺寸无关。

（2）由两种化学成分相同的金属组成热电偶，无论热电偶两个端点的温度如何，热电偶回路内总热电势为零。

（3）化学成分不同的两种材料组成热电偶，若两个端点的温度相同，则回路的总热电势为零。

（4）热电偶回路中接入第三种材料导线，若第三种材料导线的两端温度相同，则对热电偶回路的总热电势没有影响。

这一定律具有特别重要的意义，因为利用热电偶测量温度时，必须在热电偶回路中接入测量仪表，它相当于接入了第三种导体材料，如图5-21所示，若图中节点2和3的温度相同（都等于t0），则热电偶回路总热电势未变。如果节点2和3的温度不同，热电偶回路总电势将发生变化，变化的大小取决于材料的性质和节点的温度。因此，接入的第三种导体材料的性质应与热电极的热电性质相近；否则会因温度变化而引起热电势变化，从而影响测量精度。

图5-21　在热电偶中接入第三种材料

热电偶只有保持冷端温度不变时，热电势才是被测温度的单值函数。由于热电偶工作端与冷端在应用时相距很近，冷端又暴露在空间，所以冷端温度易受周围介质温度的影响，难以保持恒定，必须进行补偿。