非电量测量-讲义01-电阻式

回顾：物质中的电现象传感器设计的基本思路是，你想要测量的非电量，应该通过一种装置改变电路中的其中一种电学量。VRCL位移、角位移速度、角速度加速度力、重量、压力温度若改变的是电参量，则需要一定的测量电路将电参量的变化变成电量（电压或电流）才能显示测量值。+-IQ+-+-Ψ1I1M+-Ψ2I2V2变化磁场下：I2、V2不等于0基本问题？这个传感器干什么用的？（任务是什么）——用途打算利用哪些物理知识实现这个任务？（传感器实现任务的物理根据，即利用什么物理效应或理论完成任务）——工作原理测的什么量？或者说想把什么量（非电量）转化为电参量或电量？怎么利用这些物理知识去设计一个传感器完成任务？——基本结构总之：对于每个传感器，应掌握其输入输出量是什么，工作原理是什么，基本结构是什么？低级问题：干啥用？啥样？高级问题：为啥？大学里以解决高级问题为核心。其他问题？（应用方面）该传感器的应用领域？该传感器的特性？

灵敏度、分辨率、量程、线性度、变差等等两大类传感器阻抗式（电参数型：电阻电容电感）

阻抗值与阻抗元件长度成正比，横截面积成反比。

|Z|=C(L/S)

电量型（电压电流）

×电效应：一种力将体系中正负电荷分离引起电位差。

“磁电效应”热电效应压电效应光电效应电阻式传感器电位器式传感器应变式传感器压阻传感器重点掌握：

各类传感器基本工作原理和基本结构

应变效应和压阻效应；

差动半桥和全桥的灵敏度和线性度为何较高。VRI+-原理:设有一段长为l，截面为s，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻为SLρR如何依据该关系式设计传感器？选好输入输出量后，其他量的地位是什么？该公式描述哪几个量的关系？公式分析：这些量中，你打算选择哪个量为传感器输出量，哪个为传感器输入量？根据你的选择可以得到几种不同类型传感器？如何依据该关系式设计传感器？选好输入输出量后，其他量的地位是什么:传感器特性指标，如灵敏度。该公式描述哪几个量的关系：四个，****;公式分析：传感器输出量：只能是R（只有一个电参数或电量）。输入量：三个，***;根据选择的结果，按输出分类，只有一种类型传感器：电阻式传感器；按输入分类，有三种：变l,ρ,S;先从变l型电阻式传感器讲起输入：l输出：R设计依据：上述公式类型：变

l型电阻式传感器ρ/S：传感器的灵敏度。

高的灵敏度是传感器优良性能之一问题：结构简单，原理易懂最简单的变l型电阻式传感器线绕式电位器式位移传感器绝缘骨架金属绕线接上电源V被测物位移的变化导致电位器的输出电阻（电刷与电位器一端之间的绕线电阻）的变化，最终通过分压电路转换为电压Ｖ的变化。接上电刷及电阻分压电路被测物体与电刷刚性连接电位器式传感器：基本结构与测量电路x，RxVoL,RRVVi绝缘骨架的总有效长度L，电位器总电阻R，电刷（滑片）位移为x，电位器输出电阻Rx，电源电压为Vi，输出电压Vo。输出电路电阻RV。若RV远远大于Rx（RV处相当于断路），有：电位器（绝缘骨架及绕线）电刷基本结构：绝缘骨架绕线电刷测量电路：电阻分压电路传感器输入量、输出量、输入输出关系（特性关系）xRx细致分析，Rx~x关系并非连续函数，而是跃阶函数：是理想情况关于非线性型电位器式传感器如果是锥形骨架，传感器基本特性是Rx∝x2

为何要用这种非线性型传感器？（备注）设计更好的电位器式传感器前面解决了如何把传感器设计出来的问题？下面解决如何设计优良特性的传感器的问题。先解决了”有“的问题，再解决”更好“的问题。1.设计高灵敏度的传感器：选材上：高电阻率的材料结构设计上：薄或细的截面，下一ppt

2.设计高分辨率的传感器3.其它性能的改善传统线绕型电位器式传感器优缺点线绕式电位器由于其电刷移动时电阻以匝电阻为阶梯而变化，其输出特性亦呈阶梯形。如果这种位移传感器在伺服系统中用作位移反馈元件，则过大的阶跃电压会引起系统振荡。因此在电位器的制作中应尽量减小每匝的电阻值。电位器式传感器的另一个主要缺点是易磨损（电刷与绕线的摩擦），分辨率低（绕线的直径）。它的优点是：结构简单，性能稳定，输出信号大，使用方便，对环境要求低，价格低廉。

备注问题：缺点如何克服？分辨率低如何克服？易磨损如何克服？克服低分辨率问题：非线绕型电位器克服磨损问题：非接触式（非线绕型）电位器V绕线式：阶跃输出，分辨率低，磨损电位器传感器结构变化V膜式和导电塑料：磨损电位器传感器结构变化V光电式：无磨损电位器传感器结构变化薄膜电阻带：高电阻率材料光电导层：无光绝缘，有光低阻电极：低电阻率材料衬底：绝缘材料光直线位移型角位移型非线性型（骨架截面不均匀）螺旋型线绕型电位器骨架由直线形式、环形到螺旋型变化的启示：尽量小的空间容纳尽量长的绕线，以具有尽量大的量程。变l型传感器——电位器式传感器（各种类型）电位器图片展变l与S型：应变式电阻传感器原理：应变效应：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。

如前所述，设有一段长为l，截面为s，电阻率为

ρ的金属丝，则它的电阻为

当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其

l、

s、

ρ均发生变化，如图3-1所示，如取金属丝是半径为r的圆形截面s=πr2，那么

故电阻的相对变化为若金属丝沿长度方向受力而伸长Δl，通常将Δl/l

称为纵向应变，标为ε。因为它的数值在通常的测量中甚小，故常用10-6作为单位来表示，称为微应变，标以με。例如ε=0.001就可以表示为1000με，称为具有1000微应变。金属丝沿其轴向拉长使其径向缩小，二者之间的关系为所以μ:泊松比对于大多数金属电阻丝材料来说所以该式就是应变效应的数学表达式，也是应变式传感器的工作原理细看本式，应变式传感器实质上也是一种变l

型电阻式传感器（应变是l的相对变化）。如果一定要说与电位器式传感器的不同，那就是它的输入是长度的相对变化而非长度的绝对值，输出是电阻的相对变化而非电阻的绝对值。上式描述的是长度相对变化值与电阻相对变化值之间的关系。从l的测量到dl的测量到dl/l的测量关注绝对值→绝对变化值→相对变化值认识层次的提高两个式子都可以用来描述应变效应，但有何不同？1.一个是输入与输出的代数关系式，一个是输入输出的微分关系式。2.与用代数式描述数学关系相比，用微分关系式描述关系，”站得更高“，”想得更深“，思想境界大不相同。因为后者学会了在”变化的角度“看问题。3.微分关系式与代数关系式本身有何关系？类似干细胞与功能细胞的关系两式联系关注物理量的绝对值→绝对变化值→相对变化值RdR

dR/R

传感器利用应变效应将被测非电量（长度的相对变化，应变）转化为电参量（R）的相对变化，任务还只完成一半。电阻或电阻的相对变化是没法直接测量的，必须在转化为电流或电压之后才能测出。何种办法完成另一半任务？测量电路下面介绍一种测量电路：电桥，看它如何完成任务：将电阻的相对变化转换成电压的测量电路/转换电路——直流电桥(a)单臂电桥电路(b)差动半桥电路(c)差动全桥电路单臂（R1）电桥电路测量前：

R1=R0，电桥平衡（输出电压=0）测量时：

R1=R0+ΔR，被测量打破电桥平衡，输出电压≠0测量前，各桥臂电阻之间需满足一定关系：R1/R2=R3/R4，电桥才能平衡选择等臂电桥电路（R0=R2=R3=R4）。灵敏度最大，此时有电桥电压的灵敏度

，即为供电电压Vi的1/4。(略去分母中的)提示：在一定的测量范围内，可认为传感器输入输出关系是线性的，此时，公式中的dR可以替换为ΔR。R的变化R的微小变化如推导过程中不略去分母中的ΔR/R0，实际输出电压非线性误差和补偿方法：(n=1)对于一般应变片，ε≤5ⅹ10-3，若取应变片的灵敏度K0

，K0=（ΔR/R0）/ε）等于2，非线性误差为0.5%；若K0=130，ε=1ⅹ10-3，ΔR/R0=0.130，非线性误差将高达6%。所以，当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。消除办法：采用如下两种差动电桥。差动半桥和差动全桥电桥电压的灵敏度

电桥电压的灵敏度R1R4R3R2ViVo电桥电压的灵敏度

，是单臂电桥的4倍

等臂电桥电路（R1=R2=R3=R4=R0）。金属应变片箔式应变片压阻式传感器对于前面的应变式传感器中，敏感元件应变片采用金属材质，它受力变形后，等号右边第二项远小于第一项，可忽略；回顾材料变形行为的电阻效应公式：压阻效应如果应变片选用某些半导体材料，则变形后，等号右边第一项远小于第二项而可忽略回顾材料变形行为的电阻效应公式：这就是半导体材料的压阻效应。压阻效应“官方定义”因此，半导体应变片应变灵敏度为弹性模量压阻系数压阻效应：沿一块半导体某一轴向施加一定应力时，除了产生一定应变外，材料的电阻率也要发生变化，这种现象称为半导体的压阻效应。数学表达为压阻式传感器优缺点优点：突出优点是灵敏度高(比金属丝高50～100倍)，尺寸小，横向效应也小，滞后和蠕变都小，适用于动态测量。广泛应用的材料：单晶硅。沿硅的[111]方向取硅片，此方向压阻效应最显著。缺点：温度影响较大，需温度补偿或恒温使用；工艺较复杂和造价高等压阻式传感器应用非常广泛，举例如下：爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量；测量直升飞机机翼的气流压力分布；在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器，其工作温度达500℃以上；在生物医学方面，已制成扩散硅膜薄到10微米、外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器；压阻式传感器图例宝鸡恒通电子有限公司

HT24硅压阻式芯体的核心是高稳定性扩散硅元件，被测介质压力通过隔离膜片及硅油传递到硅桥片，利用扩散硅的压阻效应原理，实现测量液体、气体压力大小的目的。该产品采用平膜结构。HT19硅压阻式传感器的核心是高稳定性扩散硅元件，被测介质差压通过316L隔离膜片及硅油传递到硅桥片，利用扩散硅的压阻效应原理，实现测量液体、气体压力大小的目的压阻式传感器图例低压腔连通大气，高压腔连通被测气体或液体测其压力。YCO-l50型压力传感器原理图应用：电位器式传感器波尔铜管波尔铜管（C形管），弹簧管膜盒电位器式压力传感器原理图膜盒与波纹管测小位移传感器示意图电位器式加速度传感器示意图荷重传感器弹性元件的形式应用：应变式传感器静载称重梁式力传感器扭矩传感器应变式加速度传感器总结:非电量电量转化途径及传递系数传感器灵敏度（1+2μ）λE应变效应（金属）压阻效应（半导体）非电量应变电阻相对变化量电压放大后的输出电压Vi/4Vi/2Vi/1单臂电桥差动半桥差动全桥放大电路习题什么是应变效应？什么是压阻效应？为什么要使用非线性电位器式传感器？为什么差动电桥要比单臂电桥的灵敏度高并且非线性误差