位移检测传感器之电阻式.ppt

第二章 位移检测传感器第二章 位移检测传感器 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；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，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第二章 位移检测传感器n常用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法本常用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法本章主要介绍电测法章主要介绍电测法——电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检测的一种方法。

测的一种方法——电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等n位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或记录仪器三部分组成记录仪器三部分组成参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等即电阻、电容或电感等电参数（电阻、电参数（电阻、电容、电感电容、电感被测物理量被测物理量 传感器传感器第一节：参量型位移传感器第一节：参量型位移传感器第一节：参量型位移传感器第一节：参量型位移传感器电阻：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式中ρ称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量l 是导体的长是导体的长度，度， S 为导体的截面积为导体的截面积一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器 从上式可见，若导体的三个参数从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度电阻率、长度L或截面积或截面积S)中的一个或数个发生变化，则电阻值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一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器（一）电位计（一）电位计一、电阻式位移传感器一、电阻式位移传感器如如果果电电阻阻丝丝直直径径（（S)S)和和材材质质( (ρ)ρ)一一定定时时，，则则电电阻阻值值随随导导线线长长度度L L而而变变化化根根据据这这一一原原理理制制成成电电位计位计电位计结构：电位计结构： 电位计是一种常用的机电元件通常由骨架、电阻元件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（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 电位计结构：电位计结构：（（1 1））电阻元件电阻元件通常由极细的绝缘导线按照一定规律整齐地绕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，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）等即有机实心电位计）等电位计结构：电位计结构：（（2 2））电刷电刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成，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。

度，从而改变了电阻电位计结构：电位计结构：线绕电位器线绕电位器电位计类型：电位计类型：————按按电电位位计计的的结结构构形形式式可可分分为为：：直直线线位位移移型型、、角角位位移移型型和和非线形型非线形型————按按电电位位计计的的输输入入/ /输输出出特特性性可可分分为为：：线线性性电电位位器器、、非非线线性电位器性电位器 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ØØ电电位位计计是是通通过过滑滑动动触触点点把把位位移移转转换换为为电电阻阻丝丝的的长长度度变变化化，，从从而而改改变变电电阻阻值值大大小小，，进进而而再再将这种变化值转换成电压或电流的变化值将这种变化值转换成电压或电流的变化值电位计工作原理：电位计工作原理：Ø电电刷刷相相对对于于电电阻阻元元件件的的运运动动可可以以是是直直线线运运动动、、转转动动或或螺螺旋旋运运动动，，因因而而可可以以将将直直线线位位移移、、转转角角等机械量转换成电阻变化等机械量转换成电阻变化电位计工作原理：电位计工作原理：　　根据电工知识，电位计的位移→电压转换原理如图所示 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 式中，x为位移量。

优点：电位计结构简单；优点：电位计结构简单；价格低廉；对环境条件要求不高；输输出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输出）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损耗由于有摩缺点：要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗由于有摩擦，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，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，分辨力有产生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有限，限， 精度不够高，精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢的量电位计优缺点：电位计优缺点：（（1）线性电位计的空载特性）线性电位计的空载特性 线性电位计：其单位长度（或转角）的电阻值是线性电位计：其单位长度（或转角）的电阻值是常数常数以直线电位计为例），如下图以直线电位计为例），如下图——电位计电阻长度为电位计电阻长度为L，总电阻为，总电阻为R,电刷位移电刷位移X,相应的电相应的电阻为阻为Rx,电源电压电源电压Ui,输出电压输出电压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电位计输出空载电压为:（（1）线性电位计的空载特性）线性电位计的空载特性线绕电位计线绕电位计 线线绕绕电电位位计计电电阻阻元元件件由由康康铜铜丝丝、、铂铂铱铱合合金金及及卡卡玛玛丝丝等等电电阻阻丝丝绕绕制制，， 因因而而能能承承受受较较高高的的温温度度，， 常常被被制制成成功功率率型型电电位位计计，， 其其额额定定功功率率范范围围一一般般为为0.25～～50 W，， 阻阻值值范范围围为为100 ΩΩ～～100 kΩΩ 对对于于线绕电位计，线绕电位计， ——对于线绕电位计，对于线绕电位计，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开这一匝而与下一匝接触时这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值电阻突然增加一匝阻值,因此电阻因此电阻是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现阶跃变化，电刷每移过一匝阶跃变化，电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次输出电压便阶跃一次,当电位计当电位计有有W匝时，就会产生匝时，就会产生W个电压阶梯个电压阶梯,。

线绕电位计的阶梯特性线绕电位计的阶梯特性——因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理想直线，而是阶梯状，称为想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性阶梯特性如图所示如图所示局部剖面和阶梯特性 线绕电位计的阶梯误差和分辨率线绕电位计的阶梯误差和分辨率——从右图中可见从右图中可见,在理想情在理想情况下况下,特性曲线每个阶梯的特性曲线每个阶梯的大小完全相同大小完全相同,则通过每个则通过每个阶梯中点的直线即是理论阶梯中点的直线即是理论特性曲线特性曲线,阶梯曲线围绕它阶梯曲线围绕它上下跳动上下跳动,从而带来一定误从而带来一定误差差,这就是这就是阶梯误差阶梯误差通过阶梯中点的直线是理论特阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为波动，这种输出误差称为阶梯误差阶梯误差，该误差是一种，该误差是一种原理误差它限制了线绕原理误差它限制了线绕电位计的精度和分辨力电位计的精度和分辨力如图所示）（如图所示）阶梯误差的计算阶梯误差的计算 电位器的阶梯误差电位器的阶梯误差δj通常以理想阶梯特性曲线对理论通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的比之的百分特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的比之的百分数来表示。

数来表示 对于线性电位计，当电位计的总匝数为对于线性电位计，当电位计的总匝数为W,总总电阻为电阻为R时，其阶梯误差为：时，其阶梯误差为： 分辨率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线绕式电位计的分辨率是指电位计所能反映的输入量线绕式电位计的分辨率是指电位计所能反映的输入量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全量程输入量的比值的最小变化量与全量程输入量的比值的最小变化量与全量程输入量的比值的最小变化量与全量程输入量的比值n 线线绕绕式式电电位位计计的的阶阶梯梯误误差差和和分分辨辨率率是是由由于于其其工工作作原原理理的的不不完完善善而而引引起起的的，，是是一一种种原原理理性性误误差差,它它决决定定了了线线绕绕式电位计所能达到的最高精度式电位计所能达到的最高精度n在在实实际际设设计计中中,减减少少阶阶梯梯误误差差的的主主要要方方式式就就是是增增加加匝匝数数当当骨骨架架长长度度一一定定时时，，就就要要减减小小导导线线直直径径（（小小型型电电位位计计通通常常选选0.5mm或或更更细细的的导导线线）） ；；反反之之当当导导线线直直径径一一定定时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器时，就要增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。

n分分辨辨率率与与阶阶梯梯误误差差有有关关，，当当骨骨架架长长度度一一定定时时，，阶阶梯梯误误差差由由线线绕绕电电位位计计的的导导线线直直径径决决定定线线径径越越小小，，匝匝数数越越多，阶梯误差越小，分辨率越高反之亦然多，阶梯误差越小，分辨率越高反之亦然非线性电位计 n非非线线性性电电位位计计的的输输出出电电压压（（或或电电阻阻））与与电电刷刷位位移移之之间间具具有有非非线线性性函函数数关关系系，，即即电电位位计计可可以以将将位位移移或或转转角角变变换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出换成与之有某种函数关系的电阻或电压输出 n非非线线性性电电位位计计的的结结构构形形式式有有变变骨骨架架式式、、变变节节距距式式、、分分路路电电阻式和电位给定式等阻式和电位给定式等非线性电位器 n变变骨骨架架式式电电位位器器是是利利用用改改变变骨骨架架高高度度或或宽宽度度的的方方法法来来实实现现非非线线性性函数特性函数特性变骨架高度式非线性电位器n变变骨骨架架式式非非线线性性电电位位器器是是在在保保持持电电位位器器结结构构参参数数ρ、、S、、t不不变变时时,只只改改变变骨骨架架宽宽度度b或或高高度度h来来实实现现非非线线性性函函数数关系关系n我我们们以以只只改改变变高高度度h的的变变骨骨架架高高度度式式非非线线性性线线绕绕电电位位器器为例为例,则保持则保持ρ、、S、、t、、b 不变。

不变n当当电电位位计计在在空空载载时时，，要要求求输输出出电电阻阻R为为电电刷刷位位移移x的的某某种函数种函数f(x)，则需求出骨架高度，则需求出骨架高度h随随x的变化规律的变化规律非线性电位计 —— 骨架高度与位移的关系n在在上上图图所所示示曲曲线线上上任任取取一一小小段段,则则可可视视为为直直线线,当当电电刷刷移移动微笑位移为动微笑位移为dx时，引起相应的电阻变化就是时，引起相应的电阻变化就是dR,则则式中 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) ρ——导线电阻率（Ω.m); 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n由由于于S、、t、、ρρ、、b b、、I I均均为为常常数数，，而而dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx都都是是x x的的函函数数，，所所以以骨骨架架高高度度h h是是电电刷刷位位移移x x的的函函数数，，且且与与dR/dxdR/dx和和dUdU0 0/dx/dx有关n电阻灵敏度电阻灵敏度n电压灵敏度电压灵敏度非线性电位计—— 空载特性n由由于于非非线线性性电电位位计计输输出出电电压压（（或或））电电阻阻与与电电刷刷位位移移之之间间是是非非线线性性函函数数关关系系，，因因此此空空载载特特性性是是一一条条曲曲线线。

其其电电压压、、电电阻阻灵灵敏敏度度与与电电刷刷位位移移x有有关关，，由由于于骨骨架架高高度度是是变变化化的的,因因而而阶阶梯梯特特性性的的阶阶梯梯也也是是变变化化的的,最最大大阶阶梯梯值值发发生生在在特特性性曲曲线线斜斜率率最最大大处处,故阶梯误差发生在特性曲线斜率最高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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）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）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ρ=0.6*10（-6） Ω.m；总匝数W=1000试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010））31、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ρ=0.6*10（-6） Ω.m；总匝数W=1000。

试计算该电位计的空载电阻灵敏度KR(2010））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））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））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=20Ω，输入电压Ui=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U0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=20Ω，，输输入入电压电压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:（（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U0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2kΩ,则传则传感感器的器的电电阻阻总总灵敏度灵敏度为为（全真模（全真模拟拟二）二）A. B. C. D. 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2kΩ,则传则传感感器的器的电电阻阻总总灵敏度灵敏度为为B. 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B. 温度C. 湿度D. 扭矩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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）（（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25、什么是参量型的位移传感器（密押二）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。

课下作业31、某电位计式位移传感器的测量电路如图所示E=15V,R=20kΩ,AB为线性电位计，导线总长度为 总长为300mm,总电阻为24kΩ,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）（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？输出电压的范围从-8V到2V.（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。