第二讲_位移传感器

其形式有直滑式和旋转式， 旋转式有单圈和多圈两种。 电刷由
触头、 臂、 导向及轴承等装置组成； 触头常用银、 铂铱、 铂 铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料； 骨架常用陶瓷、
酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。 电阻元件有线绕电阻、 薄膜
电阻、 导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻等。
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图3-2 （a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式
线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。
b x
R
a
b
c
l R A
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•
电阻体是由电阻系数很高的极细均匀导线， 按照一定的规律整齐地绕在一个绝缘的骨架上 制成的。在它与电刷相接触的部分，将导线表 面的绝缘去掉，然后加以抛光，形成一个电刷 可在其上滑动的接触道。电刷通常是由具有弹 性的金属薄片或金属丝制成，其末端弯曲成弧 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。电位器常用的电阻丝材料为铜镍合金 （铜60％、镍40％），电刷为磷青铜，骨架为 陶瓷酚醛树脂等。
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1、线绕电位器的结构
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15
2、线绕电位器的输出特性
（1）空载下
U0 Usc R R0 U0 Usc L L0
电阻灵敏度 KR
R R0 L L0
L L0
线性电位器
电压灵敏度 K V U sc U 0
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（2）负载下
RL R U 0 Ux ( R 0 R)Ux RL R
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2） 金属膜电位器 金属膜电位器由合金、 金属或金属氧化物等材料通过真空
溅射或电镀方法， 在瓷基体上沉积一层薄膜而制成。 金属膜电
位器具有无限分辨力， 接触电阻很小， 耐热性好， 满负荷达 70℃。 与线绕电位器相比， 它的分布电容和分布电感很小， 特别适合在高频条件下使用。 它的噪声仅高于线绕电位器。金 属电位器的缺点是耐磨性较差， 阻值范围窄，一般在10～100
图3-3 应变式传感器原理框图
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应变式传感器具有以下优点： （1） 测量范围宽、精度高，如测量力可达 10-1 ～106N 、 0.05% F.S， 10～1011Pa、0.1% F.S，测量应变可
达με～kμε级；
（2） 动态响应好，一般电阻应变片响应时间为10-7s， 半 导体式应变片响应时间达10-11s； (3) 结构简单，使用方便，体积小，重量轻；品种多，价 格低， 耐恶劣环境， 易于集成化和智能化。
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二、非线绕电位器式传感器
1、薄膜电位器 基体、电阻膜带、电刷、转轴、导电环
合成膜电位器 金属膜电位器
2、导电塑料电位器
3、光电电位器 无接触式电位器 光电导层 暗电阻:绝缘体 明电阻:良导体
105 ~ 108
优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽
缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高 结构复杂、体积和重量大
测量误差。 圆角丝栅横向应变灵敏度高， 误差较大， 但耐疲
劳性好， 一般用于动态测量。 直角丝栅横向应变灵敏度小， 因而精度高， 但耐疲劳性差， 适用于静态测量。
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箔式电阻应变片是用光刻技术将康铜或镍铬合金箔腐蚀成 栅状而成。 其丝栅形状可与应力分布相适应， 制成各种专用应
变片。它的电阻值分散度小， 可做成任意形状， 易于大量生产，
R K R
(3-3）
式中，K为应变灵敏度系数。由表3-1可以看出，金属应变片K≈2。
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2. 半导体的压阻效应与压阻系数
对于半导体材料， 在某一晶向施加一定应力σ时， 其电阻 率将产生较大的变化， 而几何尺寸变化很小，这种现象称为压 阻效应。 相应的， 半导体应变电阻也常称为压阻元件。 半导体 材料压阻灵敏度为
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位移传感器的分类
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第一节 参量型位移传感器
一、电阻式位移传感器
电位器式传感器 电位器式传感器
线绕式电阻传感器 线绕式
非线绕式电阻传感器 非线绕式
薄膜电位器
导电塑料电位器
光电电位器
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电阻、电容、电感式位移传感器的特点
• 常用的位移传感器
• 1. 电阻式 包括电位器式和电阻应变式两类。适 用于几毫米到几百毫米的位移测量。 • 2.电容式 可用来测量0.1 ～10mm的线位移和1(″) 到几十(°)的角位移。 • 3.电感式 电感式位移传感器分为自感和互感两 类。前者可适于测量较大位移(数mm到数百 mm)，。互感式 (±0.1～±200mm)，电涡流式 位移传感器，可以测量小到微米级，大到几百毫 米的位移。
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电位器式传感器的转换原理 根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。
电位器的位移→电压转换原理如图3-1（c）所示。 设电阻体的
长度为l，电阻值为R，两端所加（输入）电压-1)
式中，x为位移量。
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电位器式传感器的结构与类型 如图3-2所示，电位器由电阻元件、 电刷、 骨架等组成。
体型半导体应变片结构示意图， 它由基片1、 条状半导体2、
引线3组成。 体型半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半 导体材料经过切割、 研磨、 切条、 焊引线、 粘贴等工艺过程 制成的。
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图3-5 体型半导体应变片结构示意图
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表3-1 应变片主要技术参数
精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量， 常 用作位置信号发生器。 图3-1(a)和(b)分别为直线位移和角位移传 感器的外形图。
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图3-1 电位器式传感器的外形及电压转换原理图 （a） 直线位移传感器； (b) 角位移传感器； (c) 电位器的位移→电压转换原理图
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结构和工作原理
max 0.1%，确定负载电阻 RL 。
RL R0


0.15R 0
max
0.15 1K 150K 0.1%
4、阶梯特性、误差和分辨率
U0 U n U0 U0 Un m m n 1 n 1 1 U 0 m( ) n 1 n
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Un U
1 U0 1 2 n 阶梯误差 ei 100% 100% U0 2n U0 1 n 100% 100% 电压分辨率 RV U0 n L 1 行程分辨率 RL n 100% 100% L n
导电塑料电位器的标准阻值有1 kΩ 、2 kΩ 、5 kΩ 和10 kΩ ，
线性度为0.1%和0.2% 。
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4） 导电玻璃釉电位器 导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器， 它是以合金、
金属氧化物或难溶化合物等为导电材料， 以玻璃釉粉为粘合
剂， 混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成的。 导电玻璃釉电位 器的耐高温性、 耐磨性好， 有较宽的阻值范围， 电阻湿度系 数小且抗湿性强。 导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化 大、 噪声大、 不易保证测量的高精度。
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2. 非线绕电位器 1) 合成膜电位器
合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂
在绝缘骨架上形成电阻膜而制成的。 其优点是分辨率较高，阻
值范围很宽（100 Ω ～ 4.7 MΩ ）， 耐磨性较好，工艺简单，
成本低， 线性度好等； 主要缺点是接触电阻大，功率不够大， 容易吸潮， 噪声较大等。
成本低， 散热性好， 允许通过大的电流， 灵敏度高， 耐蠕变 和耐漂移能力强。 薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝
缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜， 再加上保护层形成的。 其优
点是灵敏度高， 允许通过大的电流。
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图3-4 金属电阻应变片
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2） 半导体应变片 半导体应变片有体型、 薄膜型和扩散型等形式。 图3-5是
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变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 2) 分辨率; 3)整个电阻值的偏差;
4)移动或旋转角度范围; 5)电阻温度系数; 6)寿命;
变阻器式传感器的分类
按测量类型： 单圈电位器 多圈电位器
直线滑动式电位器
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一、线绕电位器式传感器
机械位移信号
精密电位器
转换元件
电信号
位 移
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3.2.1 应变效应与应变灵敏度
1. 金属导体的电阻应变灵敏度 金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。在温 度一定时， 其电阻定律为
l R S
ρ 为导体的电阻率。
(3-2）
式中，R为导体的电阻值；l为导体的长度；S为导体的截面积；
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当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会 变化，从而导致电阻值的变化。经证明可得
R0 负载系数 RL
负载误差
Usc KU 0
U Usc Ux
相对负载误差
一定，对K求一阶
导数，并令其= 0，得：
U 100% U0

2 K 时， 3
max
0.15
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3、减小电位器负载误差的方法 —— 负载系数减小法
max 0.15
例2-1 设电位器总电阻 R0 1k ，要求负载误差
第二章 位移检测传感器
位移可分为线位移和角位移 电阻式、电容式、涡流式、压电式、 感应同步式、磁栅式、光电式
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。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距 离；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、 流量等参数也可经转换为位移进行测量。位移测 量时，首先要根据不同的测量对象，选择适当的 测量点、测量方向和测量仪器。
Ω 。 由于这些缺点， 限制了它的使用范围。