第二讲位移传感器PPT课件
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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
6
结构和工作原理
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 bc
R l A
7
• 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。
U100%
U0
一定，对K求一阶
导数，并令其= 0，得：
K 2 时，
m3a x0.1 5
18
3、减小电位器负载误差的方法
—— 负载系数减小法 m ax 0 .15
例2-1 设电位器总电阻 R01k，要求负载误差
max0.1%，确定负载电阻 RL 。
R L R 0 0 .1R 5 0 0 .1 5 1 K 1K 5 0 max 0 .1 %
13
1、线绕电位器的结构
14
15
2、线绕电位器的输出特性 （1）空载下
Usc U 0 R R0
Usc U 0 L L0
电阻灵敏度 KR R R0 L L0
电压灵敏度 KV Usc U 0 L L0
线性电位器
16
（2）负载下
U0U xRL
R (R0
R)Ux
RLR
UxRLR0 RL RR0RR2U0
4、阶梯特性、误差和分辨率
U U 0 n
Un U0 mU0m n1 n
U0m( 1 1) n1 n
19
Un U
阶梯误差
ei 1 2U n010% 0110% 0
U0
2n
U0
电压分辨率 RV n 10% 0 110% 0
U0
n
L
行程分辨率 RL n10% 0 110% 0
L
n
20
二、非线绕电位器式传感器
电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以 将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有结构简单， 价 格低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易 于转换， 便于维修的优点。 其缺点是存在摩擦， 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， 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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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
12
一、线绕电位器式传感器
机械位移信号
电信号
精密电位器
位 移
1. 线绕电位器
令 K R 分压系数 R0
Ux KU0
1K(1K)
R 0 负载系数 RL
Ux Usc
Usc RU0KU0 U s cK ,U s cR ,U s cL
R0
17
令 K R 分压系数 R0
Ux KU0
1K(1K)
UscKU 0
R 0 负载系数 RL
负载误差
U U sc U x
相对负载误差
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。
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位移传感器的分类
2
第一节 参量型位移传感器 一、电阻式位移传感器
电位器式电传位感器器式传感器
线绕线式电 绕阻 式传感器 非非线线绕式 绕电 式阻传感器
薄膜电位器 导电塑料电位器 光电电位器
3
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。
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。
10
图3-2 （a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多圈旋转式
• 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
1、薄膜电位器
转换元件
线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻 丝绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位器， 其额定功率范围一般为0.25～50 W， 阻值范围为100 Ω～100 kΩ。 线绕电位器的突出优点是结构简单， 使用方便； 缺点是 分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接 触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。
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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）电压为Ui，则滑动端
输出电压为
Uo
Ui l
x
(3-1)
式中，x为位移量。
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பைடு நூலகம்
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。
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
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 bc
R l 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。
U100%
U0
一定，对K求一阶
导数，并令其= 0，得：
K 2 时，
m3a x0.1 5
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3、减小电位器负载误差的方法
—— 负载系数减小法 m ax 0 .15
例2-1 设电位器总电阻 R01k，要求负载误差
max0.1%，确定负载电阻 RL 。
R L R 0 0 .1R 5 0 0 .1 5 1 K 1K 5 0 max 0 .1 %
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1、线绕电位器的结构
14
15
2、线绕电位器的输出特性 （1）空载下
Usc U 0 R R0
Usc U 0 L L0
电阻灵敏度 KR R R0 L L0
电压灵敏度 KV Usc U 0 L L0
线性电位器
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（2）负载下
U0U xRL
R (R0
R)Ux
RLR
UxRLR0 RL RR0RR2U0
4、阶梯特性、误差和分辨率
U U 0 n
Un U0 mU0m n1 n
U0m( 1 1) n1 n
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Un U
阶梯误差
ei 1 2U n010% 0110% 0
U0
2n
U0
电压分辨率 RV n 10% 0 110% 0
U0
n
L
行程分辨率 RL n10% 0 110% 0
L
n
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二、非线绕电位器式传感器
电位器是人们常用到的一种电子元件， 它作为传感器可以 将机械位移或其他能变换成位移的非电量变换为电阻值的变化， 并容易转换成电压的变化。 电位器式传感器具有结构简单， 价 格低廉， 性能稳定， 对环境条件要求不高， 输出信号大， 易 于转换， 便于维修的优点。 其缺点是存在摩擦， 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， 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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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
电信号
精密电位器
位 移
1. 线绕电位器
令 K R 分压系数 R0
Ux KU0
1K(1K)
R 0 负载系数 RL
Ux Usc
Usc RU0KU0 U s cK ,U s cR ,U s cL
R0
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令 K R 分压系数 R0
Ux KU0
1K(1K)
UscKU 0
R 0 负载系数 RL
负载误差
U U sc U x
相对负载误差
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。
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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
电位器式电传位感器器式传感器
线绕线式电 绕阻 式传感器 非非线线绕式 绕电 式阻传感器
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。
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
• 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
1、薄膜电位器
转换元件
线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻 丝绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位器， 其额定功率范围一般为0.25～50 W， 阻值范围为100 Ω～100 kΩ。 线绕电位器的突出优点是结构简单， 使用方便； 缺点是 分辨率低， 这是由于电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 当接 触电刷从这一匝移到另一匝时， 阻值的变化呈阶梯式。
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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）电压为Ui，则滑动端
输出电压为
Uo
Ui l
x
(3-1)
式中，x为位移量。
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பைடு நூலகம்
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。