第2章-电阻式传感器.ppt
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1、 被测量电阻 输出 电阻式缺少的手段传感器的种类繁多,应用广泛,主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可之一。测量电路2.1 电阻式位移传感器2.2 应变式电阻传感器 2.3 压阻式传感器 2.4 电阻式传感器的应用 第章电阻式传感器第章电阻式传感器.位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。n线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离;n角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。在机械工程中经常要精确测量零部件的位移或位置,并且力、压力、扭矩、速度、加速度、温度、流量等参数也可经
2、转换为位移进行测量。2.1 电阻式位移传感器.电阻实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关。式中称为电阻率,是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l 是导体的长度,S 为导体的截面积。2.1 电阻式位移传感器.从上式可见,若导体的三个参数(电阻率、长度L或截面积S)中的一个或数个发生变化,则电阻值随着变化,因此可利用此原理来构成传感器。电位计和应变片就是根据这一原理制成的。例如,若改变长度L,则可制成电位计;改变L、S则可制成电阻应变式2.1 电阻式位移传感器.2.1.1 电位器如果电阻丝直径(S)和材质()一定时,则电阻值随导线长度L而变化。根据这一原理制成电位器2.1 电阻式位移
3、传感器.2.1.1 电位器-结构 电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件(线圈)及电刷(滑动触点)等零件组成。其形式有直滑式和旋转式。旋转式有单圈和多圈两种。(a)直滑式;(b)单圈旋转式;(c)多圈旋转式 2.1 电阻式位移传感器.(1)电阻元件通常由极细的绝缘导线按照一定规律整齐地绕在一个绝缘骨架上形成。在它与电刷接触的部分,去掉绝缘导线表面的绝缘层并抛光,形成一个电刷可在其上滑动的光滑而平整的接触道。电阻元件除了由极细的绝缘导线绕制外,还可以采用具有较高电阻率的薄膜制成。电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料(即有机实心电位计)等。2.1 电阻式位移传感器.(2)电
4、刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成,接触端处弯曲成弧形。利用电刷与电阻本身的弹性变形产生的弹性力,使电刷与电阻元件有一定的接触压力,以使两者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。线圈绕于骨架上,电刷可在绕线上滑动,从一匝滑到另一匝,当滑动电刷在绕线上的位置改变时,改变了绕线的长度,从而改变了电阻。2.1 电阻式位移传感器.2.1.1 电位器-结构与材料1.绕线式电位器 常用的绕线式电位器通常由电阻丝、电刷及骨架构成。1)电阻丝 l要求:电阻系数高,电阻温度系数小,强度高,延展性好,对铜的热电势尽可能小,耐磨耐腐蚀,焊接性好。l常用材料:铜镍合金类、铜锰合金类、铂铱合金类、镍铬丝、卡
5、玛丝及银钯丝等。2.1 电阻式位移传感器.l 材料:要与电阻丝材料配合选择,通常是使电刷材料的硬度与电阻丝材料的硬度相近或稍高些,而且要保证电刷触点具有良好的抗氧化能力、接触电势要小。常用的电刷触头材料有银、铂铱、铂铑等金属。2)电刷l 结构:由具有弹性的金属薄片或金属丝制成,末端弯曲形成弧形。3)骨架 l 材料:形状稳定,电气绝缘好,有足够的强度和刚度,散热性好,耐潮湿,易加工。2.1 电阻式位移传感器.2.非线绕式电位器 1)薄膜电位器l 碳膜电位器:在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液,经烘干聚合后而制成电阻。优点:分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成 本较 低、线性度较好。缺点:接触电阻
6、大、噪声大。l 金属膜电位器:在玻璃或胶木基体上,用高温蒸镀或电镀方法,涂覆一层金属膜而制成。优点:温度系数小,可在高温环境下工作。缺点:耐磨性差、功率小、阻值不高(1k2k)。2.1 电阻式位移传感器.这种电位器由塑料粉及导电材料粉(合金、石墨、炭黑等)压制而成,它又称为实心电位器。优点:耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力 较大,适用于振动、冲击等恶劣条件下工作,且阻值范围大,能承受较大的功率。缺点:温度影响较大、接触电阻大、精度不高。2)导电塑料电位器2.1 电阻式位移传感器.3)光电电位器光电电位器原理图 优点:耐磨性好,精度、分辨率高,寿命长(可达亿万次循环)、可靠性好,阻值范围
7、宽(50015M)等。缺点:输出电流较小,需配备高输入阻抗放大器工作,工作温度的范围比较窄,线性度不高。此外,光电电位器需要照明光源和光学系统,其结构较复杂,体积和重量较大。2.1 电阻式位移传感器.2.1.1 电位器-类型:按电位计的结构形式可分为:直线位移型、角位移型和非线形型。按电位计的输入/输出特性可分为:线性电位器、非线性电位器 图2-1 电位计的结构类型(a)直线位移型;(b)角位移型;(3)非线性型2.1 电阻式位移传感器.2.1.2 工作原理 当被测量发生变化时,通过电刷触点在电阻元件上产生移动,该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化,即可实现位移(被测量)与电阻之间的线性转换
8、。1)线性电位器 直线位移式电位器传感器原理图 2.1 电阻式位移传感器.角位移式电位器传感器原理图 2.1 电阻式位移传感器.线性直线位移式电位器工作原理示意图 2.1 电阻式位移传感器.2)非线性电位器 输入量位移和输出电压之间呈现某种函数规律的非线性变化,可以实现任意函数,常用的非线性电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等四种。变骨架式非线性电位器 2.1 电阻式位移传感器.电阻灵敏度为电压灵敏度为2.1 电阻式位移传感器.2.1.3 基本特性 1)阶梯特性(线绕电位计)当电刷在多匝导线上移动时,电位器的阻值和输出电压不是连续变化,而是阶跃式地变化。电刷每移动过一匝线圈,电
9、阻就突然增加一匝阻值,输出电压就产生一次阶跃。线性电位器的阶梯 特性曲线图 2.1 电阻式位移传感器.当电刷从m-1匝移至m匝时,电刷瞬间使相邻两匝线圈短接,于是电位器的总匝数从n匝减少到n-1匝,则:在理想情况下,特性曲线各个阶梯的大小完全相同,则穿过每个阶梯中点的直线即是理论直线,阶梯曲线围绕它上下波动从而产生一定的偏差,这种偏差就是阶梯误差。理想阶梯特性曲线图 2.1 电阻式位移传感器.电位器的阶梯误差 通常用理想阶梯特性曲线对理论直线最大偏差值与最大输出电压值之比的百分数表示,即l 阶梯误差 2.1 电阻式位移传感器.l分辨率线绕式电位计的分辨率是指电位计所能反映的输入量的最小变化量与
10、全量程输入量的比值2.1 电阻式位移传感器.n 线绕式电位计的阶梯误差和分辨率是由于其工作原理的不完善而引起的,是一种原理性误差,它决定了线绕式电位计所能达到的最高精度。n在实际设计中,减少阶梯误差的主要方式就是增加匝数。当骨架长度一定时,就要减小导线直径(小型电位计通常选0.5mm或更细的导线);反之当导线直径一定时,就要增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器)。n分辨率与阶梯误差有关,当骨架长度一定时,阶梯误差由线绕电位计的导线直径决定。线径越小,匝数越多,阶梯误差越小,分辨率越高。反之亦然。.2)负载特性(线性电位器)带负载的电位器电路 电位器的负载电阻为 ,则此电位器的输出电压为:2.1
11、电阻式位移传感器.设电阻的相对变化 负载系数 则电位器相对输出电压为 可见,当m0,即RL 不是无穷大时,Y 与r 为非线性关系。2.1 电阻式位移传感器.l 电位器的负载特性曲线 负载特性曲线(m0)均为下垂曲线,说明负载输出电压比空载输出电压低,这种偏差即为负载误差。电位器负载特性曲线 负载误差 2.1 电阻式位移传感器.对于线性电位器有 线性电位器负载误差曲线 故 可见,无论 为何值,电刷在起始位置和最大位置时,负载误差都为零,当电刷处于行程中心位置时,负载误差最大。2.1 电阻式位移传感器.l线性电位计的空载特性 线性电位计:其单位长度(或转角)的电阻值是常数。(以直线电位计为例),如
12、下图电位计电阻长度为L,总电阻为R,电刷位移X,相应的电阻为Rx,电源电压Ui,输出电压U0.Ku电位计的电位计的电压灵敏度电压灵敏度(V/m),当电位计结构及电源电,当电位计结构及电源电压确定后,压确定后,Ku和和KR为常数,线性电位计输出与电刷位移为常数,线性电位计输出与电刷位移(或)转角呈线性关系。(或)转角呈线性关系。若电位器为空载(RL=)时,即空载特性为:电位计输出空载电压为:l线性电位计的空载特性.优点:电位计结构简单;价格低廉;对环境条件要求不高;输出信号大,易于转换(一般不需要放大就可以直接作为输出);性能稳定,并容易实现任意函数关系。缺点:要求输入能量大(触点始终存在摩擦和
13、损耗。由于有摩擦,就要求电位计有比较大的输入功率,否则就会降低电位计的性能);由于电刷与电阻元件之间有摩擦,容易磨损,产生噪声干扰,因此可靠性不太好,灵敏度较低,分辨力有限,精度不够高,动态响应较差,仅适于测量变化较缓慢的量。2.1 电阻式位移传感器2.1.4 优缺点.2.1.5 非线性电位计 n非线性电位计的输出电压(或电阻)与电刷位移之间具有非线性函数关系,即电位计可以将位移或转角变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出。n非线性电位计的结构形式有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等。2.1 电阻式位移传感器.n变骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。变骨
14、架高度式非线性电位器2.1 电阻式位移传感器.n变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、S、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系n我们以只改变高度h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例,则保持、S、t、b 不变。n当电位计在空载时,要求输出电阻R为电刷位移x的某种函数f(x),则需求出骨架高度h随x的变化规律。非线性电位计 骨架高度与位移的关系2.1 电阻式位移传感器35.n在上图所示曲线上任取一小段,则可视为直线,当电刷移动微笑位移为dx时,引起相应的电阻变化就是dR,则式中 b骨架宽度(m);S导线的导电截面积 t 绕线节距,即相邻两导线间距离(m)导线电阻率(.m);
15、I流过电位计的电流(A)U0_ 电位计输出电压(V)非线性电位计 骨架高度与位移的关系2.1 电阻式位移传感器.n由于S、t、b、I均为常数,而dR/dx和dU0/dx都是x的函数,所以骨架高度h是电刷位移x的函数,且与dR/dx和dU0/dx有关。n电阻灵敏度n电压灵敏度非线性电位计 空载特性n由于非线性电位计输出电压(或)电阻与电刷位移之间是非线性函数关系,因此空载特性是一条曲线。其电压、电阻灵敏度与电刷位移x有关,由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误差发生在特性曲线斜率最高处。.总结总结原始原始输入量输入量 变换变换原理原理 物
16、理物理现象现象 能量能量关系关系 输出量输出量 位移 欧姆定律结构型 控制型 电阻或电压.n课堂练习39.15、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的()和分辨力:(模拟五)和分辨力:(模拟五)40.15、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的、绕线式线性电位计阶梯误差的存在限制了它的(精度精度 )和分辨力:(模拟五)和分辨力:(模拟五)41.31、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm,总长度L0=100mm,导线直径d=0.1mm,电阻率=0.6*10(-6).m;总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010)42.31
17、、某线绕式线性电位计的骨架直径D0=10mm,总长L0=100mm,导线直径d=0.1mm,电阻率=0.6*10(-6).m;总匝数W=1000。试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010)43.18、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线(性曲线()的最大处:()的最大处:(2010)44.18、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线(性曲线(斜率斜率 )的最大处:()的最大处:(2010)45.31、某绕线式线性电位计如图所示,电位计的总长度为L=100mm,总电阻为R=20,输入电压Ui
18、=24V,试求:试求:(单元测试一)(单元测试一)(1)电位计的灵敏度)电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度输和电压灵敏度KU;(2)当电刷的位移)当电刷的位移x=24mm时,相应的电阻时,相应的电阻Rx和电位计输和电位计输出的空载电压出的空载电压U046.31、某绕线式线性电位计如图所示,电位计的总长、某绕线式线性电位计如图所示,电位计的总长度为度为L=100mm,总电阻为总电阻为R=20,输入电压,输入电压Ui=24V,试求(单元测试一)试求(单元测试一)(1)电位计的灵敏度)电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度输和电压灵敏度KU;电位计电阻灵敏度电位计电阻灵敏度:47.(2)当电刷的位移)当电刷
19、的位移x=24mm时,相应的电阻时,相应的电阻Rx和电位计输和电位计输出的空载电压出的空载电压U048.5、某一圆形截面绕线式位移传感器的线圈直径为、某一圆形截面绕线式位移传感器的线圈直径为10mm,共绕制共绕制100匝,线圈总电阻为匝,线圈总电阻为2k,则传则传感器的电阻总灵敏度为(全真模拟二)感器的电阻总灵敏度为(全真模拟二)A.B.C.D.49.5、某一圆形截面绕线式位移传感器的线圈直径为、某一圆形截面绕线式位移传感器的线圈直径为10mm,共绕制共绕制100匝,线圈总电阻为匝,线圈总电阻为2k,则传则传感器的电阻总灵敏度为感器的电阻总灵敏度为B.50.1、下列被测物理量中,适合使用电位器
20、式传感器进行测量的是A.位移B.温度C.湿度D.扭矩51.1、下列被测物理量中,适合使用电位器式传感器进行测量的是A.位移52.31、某绕线式线性电位计,骨架截面为圆形,直径D0=20mm,总长为L0=100mm,导线直径d=0.2mm,(1)电位计的空载电阻灵敏度)电位计的空载电阻灵敏度KR;(2)当电源电压为)当电源电压为Ui=10V时,求输出电压灵敏度时,求输出电压灵敏度KU电阻率总匝数W=1000,求(模拟三)53.(1)电位计的空载电阻灵敏度)电位计的空载电阻灵敏度KR;(2)当电源电压为)当电源电压为Ui=10V时,求输出电压灵敏度时,求输出电压灵敏度KU54.25、什么是参量型的
21、位移传感器(密押二)55.25、什么是参量型的位移传感器(密押二)将被测物理量的变化转化为电参数如电阻,电容,电感等的传感器。56.课下作业57.31、某电位计式位移传感器的测量电路如图所示。E=15V,R=20k,AB为线性电位计,导线总长度为 总长为300mm,总电阻为24k,C点为电刷位置。(密押一)(1)计算此线性电位计的电阻灵敏度和电压灵敏度(2)当位移x从40mm变化到240mm时,输出电压的范围是多少?34、图示为一绕线式电位计式位移传感器,试回答:(1)该传感器的电压灵敏度、分辨力与哪些因素有关?为什么?(2009)58.(1)计算此线性电位计的电阻灵敏度和电压灵敏度59.(2
22、)当位移x从40mm变化到240mm时,输出电压的范围是多少?输出电压的范围从-8V到2V.60.(1)传感器的电压灵敏度是外加电压和电位计的有效长度之比,Ku=Ui/L 分辨力与阶梯误差有关,阶梯误差大,分辨力就低,阶梯误差由绕组匝数决定,在保持骨架长度一定的情况下,线径越小,匝数越多,则阶梯误差越小,则分辨力越高。61.2.2.1 应变效应和工作原理 应变效应:导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时,将产生机械变形,机械变形会导致其电阻值变化。金属丝伸长后几何尺寸变化设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩),则:2.2 应变式电阻传感器.用相对变化表示 对于半径为 的电阻丝,截面
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