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1、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。,第二章 位移检测传感器,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、涡流式、压电式、感应同步式、磁
2、栅式、光电式等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。,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。,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。,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。,一、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
3、可制成电阻应变式,一、电阻式位移传感器,（一）电位计,一、电阻式位移传感器,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计,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（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,电位计结构：,（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
4、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。,电位计结构：,（2）电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。,电位计结构：,线绕电位器,电位计类型：,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-
5、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,电位计是通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再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：,电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动或螺旋运动，因而可以将直线位移、转角等机械量转换成电阻变化。,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；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
6、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。,电位计优缺点：,（1）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电位计的电压灵敏度(V/m)，当电位计结构及电源电压确定后，Ku和KR为常数，线性电位计输出与电刷
7、位移（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:,（1）线性电位计的空载特性,线绕电位计,线绕电位计电阻元件由康铜丝、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计，其额定功率范围一般为0.2550 W，阻值范围为100 100 k。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，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，当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,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阶跃变化，电刷每移
8、过一匝,输出电压便阶跃一次,当电位计有W匝时，就会产生W个电压阶梯,。,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想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。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,从右图中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。通过阶梯中点的直线是理论特性线，阶梯特性在其上下波动，这种输出误差称为阶梯误差，该误差是一种原理误差。它限制了线绕电位计的精度和分辨力。（如图所示）,阶梯误差的计算,电位器的阶梯误差j通常以理想阶梯特性
9、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数来表示。,对于线性电位计，当电位计的总匝数为W,总电阻为R时，其阶梯误差为：,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全量程输入量的比值,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。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)。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
10、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。,非线性电位计,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。,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。,非线性电位器,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。,变骨架高度式非线性电位器,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。当电位计在空载时
11、，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,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);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,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。,电阻灵敏度,电压灵敏度,非线性电位计 空载特性,
12、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,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（）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（精度）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=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K
13、R(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=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）,18、绕线式非线性电位计的最大阶梯误差发生在特性曲线（）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性曲线（斜率）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=20，输入电压Ui=24V,试求：（单元测试一）,（1）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和
14、电位计输出的空载电压U0,31、某绕线式线性电位计如图所示，电位计的总长度为L=100mm,总电阻为R=20，输入电压Ui=24V,试求（单元测试一）,（1）电位计的灵敏度KR输和电压灵敏度KU;,电位计电阻灵敏度:,（2）当电刷的位移x=24mm时，相应的电阻Rx和电位计输出的空载电压U0,5、某一圆形截面绕线式位移传感器的线圈直径为10mm,共绕制100匝，线圈总电阻为2k,则传感器的电阻总灵敏度为（全真模拟二）,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10mm,共绕制100匝，线圈总电阻为2k,则传感器的电阻总灵敏度为,B.,1、下列被测物理量中，适合使用电位
15、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KR;（2）当电源电压为Ui=10V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KR;,（2）当电源电压为Ui=10V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。
16、,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=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）,（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。,
