第二讲 位移传感器

1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。2位移传感器的分类3第一节参量型位移传感器一、电阻式位移传感器线绕式薄膜电位器导电塑料电位器光电电位器非线绕式电位器式传感器线绕式电阻传感器非线绕式电阻传感器电位器式传感器4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。5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。6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7线绕电位器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。lRARbcabx8•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。9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xlUUoi(3-1)式中，x为位移量。10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。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。11图3-2（a）直滑式；(b)单圈旋转式；(c)多圈旋转式12变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;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13一、线绕电位器式传感器精密电位器机械位移信号电信号转换元件位移1.线绕电位器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0.25～50W，阻值范围为100Ω～100kΩ。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。141、线绕电位器的结构15162、线绕电位器的输出特性RRUUsc00LLUUsc0000LRLRKR电阻灵敏度电压灵敏度线性电位器（1）空载下00LULUKscV170200URRRRRRRULLx000KUURRUsc)1(10KKKUUx（2）负载下xUU0xLLURRRRRR)(00RRKLRR0令分压系数负载系数LURUKUscscsc,,scxUU0RRKLRR0令分压系数负载系数18)1(10KKKUUx0KUUsc负载误差xscUUU相对负载误差%1000UU时，32K15.0max一定，对K求一阶导数，并令其=0，得：0RRKLRR0令分压系数负载系数19KKRRRL150%1.0115.015.0max00例2-1设电位器总电阻，要求负载误差0.1%，确定负载电阻。kR10maxLR4、阶梯特性、误差和分辨率nUU0mnUmnUUn001)111(0nnmU3、减小电位器负载误差的方法——负载系数减小法15.0max20%10021%1002100nUnUei阶梯误差%1001%10000nUnURV电压分辨率%1001%100nLnLRL行程分辨率UnU21二、非线绕电位器式传感器1、薄膜电位器2、导电塑料电位器基体、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8510~10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222.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（100Ω～4.7MΩ），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。232）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10～100Ω。由于这些缺点，限制了它的使用范围。243)导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器，这种电位器的电阻是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成的。导电塑料电位器的耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大，在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不易做得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1kΩ、2kΩ、5kΩ和10kΩ，线性度为0.1%和0.2%。254）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。26三、电位器式传感器的应用1、航空飞行高度传感器272、液面高度测试仪283、电位器式位移传感器maxmaxUUmaxmaxUxx29303.2应变式传感器应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。其基本构成如图3-3所示。图3-3应变式传感器原理框图31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。323.2.1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SlR(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；ρ为导体的电阻率。33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KRR(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。342.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EK1(3-4)式中，E为半导体材料的弹性模量；πl为半导体材料的压阻系数。半导体应变片的K约为几十甚至几百，远大于金属电阻的应变灵敏度。但其温度稳定性远不如金属电阻应变片。353.2.2电阻应变片1.电阻应变片的类型与结构1）金属电阻应变片金属电阻应变片的类型和结构如图3-4所示，它有丝式、箔式和薄膜式。其中，图（a）为其结构示意图，敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层。基底有纸基和胶基两种。应变片的纵向尺寸为工作长度，反映被测应变，其横向应变将造成测量误差。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。36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，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。37图3-4金属电阻应变片382）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。39图3-5体型半导体应变片结构示意图40表3-1应变片主要技术参数412.应变片的使用1）电阻应变片的选择选择时主要考虑尺寸、初始电阻、绝缘电阻及允许工作电流。（1）应变片的几何尺寸：应变片的几何参数主要是指敏感栅基长l、基宽a和曲率半径r。一般基长l在3～35mm范围内，基宽α=0.03～10mm，圆角丝栅的曲率半径r=0.1～0.3mm。42（2）应变片的初始电阻和绝缘电阻：应变片的初始电阻值R0有60、120、200、350、600或1000Ω的应变片。绝缘电阻是指敏感栅与基底间的电阻，应防止应变片与试件间的漏电而造成误差。（3）允许工作电流和逸散功率：通常在测静态量时，允许电流小于25mA。在测动态量时，允许电流高一些。应变片的逸散功率是指当电流通过应变片时，在温度允许范围内，单位时间传给周围介质的热量。432）电阻应变片粘贴电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的，传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量。电阻应变片的粘贴工艺如下：（1）试件的表面处理：必须将试件表面处理干净，清除杂质、油污及表面氧化层等。（2）确定贴片位置：应变片应贴在试件应变最大的部位。44（3）粘贴：首先用甲苯、四氢化碳等溶剂清洗试件表面和应变片的底面，然后在试件表面和应变片的底面各涂一层薄而均匀的粘合剂，将应变片贴在确定的位置处。贴片后，在应变片上盖上一张