北航傳感器原理13

1、傳感器技術(shù)及應(yīng)用傳感器技術(shù)及應(yīng)用幾種幾種典型的模擬式典型的模擬式傳感器傳感器( (二二) )李成李成2013.05.072013.05.07 思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )1.1.變電阻式傳感器的主要類型變電阻式傳感器的主要類型? ?課程回顧：課程回顧：回答要點(diǎn)：回答要點(diǎn)：電位器式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器電位器式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )2.2.電位器電位器式、應(yīng)變式、壓阻式式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器的主要區(qū)別傳感器的主要區(qū)別? ?課程回顧：課程回顧：回答要點(diǎn)：

2、回答要點(diǎn)： 物理量變化物理量變化電阻變化電阻變化傳感轉(zhuǎn)換元件傳感轉(zhuǎn)換元件大大電阻變化型，電阻變化型，R：0R傳傳物理量變化物理量變化變形變形（應(yīng)力、應(yīng)變）（應(yīng)力、應(yīng)變）敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件電阻變化電阻變化微微電阻變化型，電阻變化型，R：020%R傳傳敏感元件敏感元件轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換元件元件電阻變化電阻變化 電阻率電阻率微微電阻變化型，靈敏度比應(yīng)變式高電阻變化型，靈敏度比應(yīng)變式高5070倍倍物理量變化物理量變化思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )3.3.簡述電位器式傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)簡述電位器式傳感器的應(yīng)用特點(diǎn)? ?（1010分）分）課程回顧：

3、課程回顧：回答要點(diǎn)：回答要點(diǎn)：（1 1）位移式變換原理（）位移式變換原理（2 2分）分）（2 2）可以直接輸出較大信號（）可以直接輸出較大信號（4 4分）分）（3 3）磨損，有較大的負(fù)載效應(yīng)和負(fù)載誤差（）磨損，有較大的負(fù)載效應(yīng)和負(fù)載誤差（4 4分）分）在理想情況下,特性曲線每個(gè)階梯的大小完全相同,則通過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論特性曲線,階梯曲線圍繞它上下跳動(dòng),從而帶來一定誤差,這就是階梯誤差。工程上常把實(shí)際階梯曲線簡化成理想階梯曲線。n 階梯特性和階梯誤差階梯特性和階梯誤差課程回顧：課程回顧：思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )4 4. .如

4、何改善階梯誤差和分辨率如何改善階梯誤差和分辨率? ?課程回顧：課程回顧：回答要點(diǎn)：回答要點(diǎn)：在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為改善階梯誤差和分辨率：（1）需增加匝數(shù),即減小導(dǎo)線直徑（小型電位器通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線）；（2）增加骨架長度（如采用多圈螺旋電位器)。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 靈敏度靈敏度 xtxqxxhxbxxR2 IxtxqxxhxbIxxRxxU2 線性線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率電阻率有關(guān)外，還與骨架尺寸有關(guān)外，還與骨架尺寸h和和b、導(dǎo)線橫截面積、導(dǎo)線橫截面積

5、q、繞線節(jié)距、繞線節(jié)距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。電壓靈敏度還與通過電有關(guān)。電壓靈敏度還與通過電位器的電流位器的電流I的大小有關(guān)。的大小有關(guān)。課程回顧：課程回顧：思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )5.5.為什么使用非線性電位器為什么使用非線性電位器? ?課程回顧：課程回顧：回答要點(diǎn)：回答要點(diǎn)：u 需要非線性輸出(指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù))；u 修正、補(bǔ)償非線性；u 改善負(fù)載誤差。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.2.1 4.2.1 概概 述述4.2.2 4.2.2 線繞式電位

6、器的特性線繞式電位器的特性4.2.3 4.2.3 非線性電位器非線性電位器4.2.4 4.2.4 電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差4.2.5 4.2.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料4.2.6 4.2.6 非線繞式電位器非線繞式電位器4.2.7 4.2.7 典型的電位器式傳感器典型的電位器式傳感器4.2 4.2 電位器式傳感器電位器式傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.思考題思考題( (第第4 4講：幾種典型的模擬式傳感器講：幾種典型的模擬式傳感器) )5 5. .骨架為如下圖形所示的電位器的電阻變化骨

7、架為如下圖形所示的電位器的電阻變化? ?課程回顧：課程回顧：回答要點(diǎn)：回答要點(diǎn)： xxtxqxxhxyxR2kxy2axy xdxtqhkxxR02 xdxtqhaxxR022School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 電位器的負(fù)載特性電位器的負(fù)載特性一般情況下,電位器接有負(fù)載, 由于負(fù)載電阻和電位器的比值為有限值,此時(shí)所得的特性為負(fù)載特性。負(fù)載特性相對于空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差。對于線性電位器負(fù)載誤差即對于線性電位器負(fù)載誤差即是其非線性誤差是其非線性誤差。School of Instru. Sci. & Opto-ele

8、ctro. Eng.n 電位器的負(fù)載特性電位器的負(fù)載特性200ffinin0ffffout)(RRRRRRRUURRRRRRRRRRUf2f1KrKrrYf2f1KXKXXY或或電壓的相對輸出電壓的相對輸出Y Y：0RRr 0ffRRK 0LxX inoutUUY School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 電位器的負(fù)載特性電位器的負(fù)載特性f2f1KrKrrYf2f1KXKXXY或或n 注意：注意：負(fù)載負(fù)載系數(shù)系數(shù)K Kf f的定義的定義0ffRKR01ffRmRK或或本教材對負(fù)載本教材對負(fù)載系數(shù)系數(shù)K Kf f的定義的定義其他其他教材對負(fù)

9、載教材對負(fù)載系數(shù)系數(shù)m m的的定義定義適用于適用于線性電位器線性電位器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 電位器的負(fù)載誤差電位器的負(fù)載誤差( (相對負(fù)載誤差相對負(fù)載誤差) )n 減小負(fù)載誤差的措施減小負(fù)載誤差的措施kzfzYY 2f2) 1(rrKrr0ddfzr02) 13(2ff23KKrrrf2fz)1 (Krr32mrfmaxfz148. 0Ku 提高負(fù)載系數(shù)提高負(fù)載系數(shù)u 限制電位器的工作范圍限制電位器的工作范圍u 重新設(shè)計(jì)電位器的空載特性重新設(shè)計(jì)電位器的空載特性School of Instru. Sci. & O

10、pto-electro. Eng.n 注意：注意：電位器的電位器的負(fù)載誤差負(fù)載誤差( (相對負(fù)載誤差相對負(fù)載誤差) )kzfzYY 2f2) 1(rrKrr本教材本教材其他教材其他教材kzkzfYYYf11 100%1(1)1 100%(1)ffmXXKKrr負(fù)載誤差負(fù)載誤差School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 注意：注意：電位器的電位器的負(fù)載誤差負(fù)載誤差( (相對負(fù)載誤差相對負(fù)載誤差) )f11 100%1(1)1 100%(1)ffmXXKKrr無論無論m為何值，為何值，X=0和和X=1時(shí)時(shí),即電刷在起始位置和最終位即電刷在起始位

11、置和最終位置時(shí)置時(shí),負(fù)載誤差都為零負(fù)載誤差都為零;當(dāng)當(dāng)X=1/2時(shí)時(shí),負(fù)載誤差最大，且增大負(fù)載誤差最大，且增大負(fù)載系數(shù)時(shí)負(fù)載系數(shù)時(shí),負(fù)載誤差也隨之增加負(fù)載誤差也隨之增加。對線性電位器。對線性電位器,當(dāng)電刷處當(dāng)電刷處于行程中間位置時(shí)于行程中間位置時(shí),其非線性誤差最大。其非線性誤差最大。f f與與m m、X X的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 注意：注意：電位器的電位器的負(fù)載誤差負(fù)載誤差( (相對負(fù)載誤差相對負(fù)載誤差) )11 100%() 100%3%1141(1)22fmmmn則必須使則必須使Rf10Rmax

12、。但是有時(shí)負(fù)載滿足不了這個(gè)條件。但是有時(shí)負(fù)載滿足不了這個(gè)條件,一般可以采取限制電位器工作區(qū)間的辦法減小負(fù)載誤差一般可以采取限制電位器工作區(qū)間的辦法減小負(fù)載誤差;或?qū)㈦娢黄鞯目蛰d特性設(shè)計(jì)為某種上凸的曲線或?qū)㈦娢黄鞯目蛰d特性設(shè)計(jì)為某種上凸的曲線,即設(shè)計(jì)出即設(shè)計(jì)出非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差。非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差。 若要求負(fù)載誤差在整個(gè)行程都保持在若要求負(fù)載誤差在整個(gè)行程都保持在3%以內(nèi)以內(nèi),由于當(dāng)由于當(dāng)X=1/2時(shí)時(shí),負(fù)載誤差最大負(fù)載誤差最大,即即School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 減小負(fù)載誤差的措施減小負(fù)載誤差的措施u 限

13、制電位器的工作范圍限制電位器的工作范圍School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 減小負(fù)載誤差的措施減小負(fù)載誤差的措施u 重新設(shè)計(jì)電位器的空載特性重新設(shè)計(jì)電位器的空載特性)(XfY 2411f2ffKXfKXfKr XFdefXY 2411f2ffKXKXKr2411f2ffKYKYKr設(shè)計(jì)非線性設(shè)計(jì)非線性電位器電位器( (將電將電位器的空載特性設(shè)計(jì)為位器的空載特性設(shè)計(jì)為某種上凸的某種上凸的曲線曲線3)3), ,此非此非線性電位器的空載特性線性電位器的空載特性曲線曲線3 3與與線性電位器的線性電位器的負(fù)載特性負(fù)載特性曲線曲線3,3,以特性以

14、特性直線直線1 1互互為為鏡像鏡像, ,以以消除消除負(fù)載負(fù)載誤差。誤差。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 基于運(yùn)放的負(fù)載特性的補(bǔ)償措施基于運(yùn)放的負(fù)載特性的補(bǔ)償措施最大負(fù)載電流最大負(fù)載電流由由15mA15mA提升至提升至100mA100mASchool of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.2.1 4.2.1 概概 述述4.2.2 4.2.2 線繞式電位器的特性線繞式電位器的特性4.2.3 4.2.3 非線性電位器非線性電位器4.2.4 4.2.4 電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差電位器的負(fù)載

15、特性及負(fù)載誤差4.2.5 4.2.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料4.2 4.2 電位器式傳感器電位器式傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 電阻絲電阻絲n 活動(dòng)電刷活動(dòng)電刷n 骨架骨架4.2.5 4.2.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料電 刷電 阻1、電阻絲：電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強(qiáng)度、電勢及加工、電阻絲：電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強(qiáng)度、電勢及加工2、電、電 刷：電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置刷：電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置3、骨、骨 架：膨脹系數(shù)、絕緣性能、強(qiáng)度及加工架：膨脹系數(shù)、絕緣性能、強(qiáng)度及加工 觸觸 頭

16、：頭：常用常用銀、鉑銥、鉑銠等銀、鉑銥、鉑銠等金屬；金屬；電刷臂：電刷臂：常用磷常用磷青銅等彈性較好的材料青銅等彈性較好的材料；骨骨 架：架：常用常用陶瓷、酚醛樹脂及工程塑料等陶瓷、酚醛樹脂及工程塑料等絕緣材料。絕緣材料。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.2.5 4.2.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料1. 1. 線繞電位器線繞電位器電阻元件由康銅絲、鉑銥合金及卡瑪絲等電阻絲繞制，其額定功率范圍一般為0.2550W，阻值范圍為100100k之間。當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另一匝時(shí)，阻值的變化呈階梯式。2. 2. 非線繞電位器非

17、線繞電位器 (1) (1) 合成合成膜電位膜電位器器 優(yōu)點(diǎn)是分辨率較高，阻值范圍很寬（1004.7M），耐磨性較好，工藝簡單，成本低，線性度好等；主要缺點(diǎn)是接觸電阻大，功率不夠大，容易吸潮，噪聲較大等。 (2) (2) 金屬膜電位器金屬膜電位器 金屬膜電位器具有無限分辨力，接觸電阻很小，耐熱性好，特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲僅高于線繞電位器。金屬電位器的缺點(diǎn)是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10100之間，限制其使用范圍。School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.4.2.5 4.2.5 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料(3) (3)

18、導(dǎo)電塑料導(dǎo)電塑料電位器電位器 導(dǎo)電塑料電位器又稱實(shí)心電位器，耐磨性很好，使用壽命較長，允許電刷的接觸壓力很大，在振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率較高，線性度較好，阻值范圍大，能承受較大的功率。導(dǎo)電塑料電位器的缺點(diǎn)是阻值易受濕度影響，故精度不易做得很高。導(dǎo)電塑料電位器的標(biāo)準(zhǔn)阻值有1k、2k、5k和10k，線性度為0.1和0.2。(4) (4) 導(dǎo)電玻璃釉電位器導(dǎo)電玻璃釉電位器 導(dǎo)電玻璃釉電位器又稱金屬陶瓷電位器，它的耐高溫性和耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻濕度系數(shù)小且抗?jié)裥詮?qiáng)。導(dǎo)電玻璃釉電位器的缺點(diǎn)是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測量的高精度。School of Ins

19、tru. Sci. & Opto-electro. Eng. 特性穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)；特性穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)； 4.2.6 4.2.6 非線繞式電位器非線繞式電位器線繞式電位器線繞式電位器電 刷電 阻電阻體：合成膜、金屬膜、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉電阻體：合成膜、金屬膜、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉非線繞式電位器非線繞式電位器特點(diǎn)總結(jié)：特點(diǎn)總結(jié)：School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.光電電位器是一種非接觸式電位器，用光束代替電刷，克服上述接觸式電位器耐磨性差，壽命較短的共同缺點(diǎn)；壽命長（可達(dá)億萬次循環(huán)）、可靠性好，阻值范圍寬（500-15M）。1-1

20、-光電導(dǎo)層；光電導(dǎo)層；2-2-基體；基體；3-3-薄膜電阻帶；薄膜電阻帶；4-4-電刷窄光電刷窄光束；束；5-5-光電級光電級當(dāng)無光照射時(shí)，因光電導(dǎo)材料暗電阻極大，電阻帶與電極之間可視為斷路，當(dāng)窄光束4（電刷）照射在窄間隙上時(shí)，電阻帶與電極接通，這樣在外電源E的作用下，負(fù)載電阻上輸出的電壓隨著光束（電刷）移動(dòng)而變化。4.2.6 4.2.6 非線繞式電位器非線繞式電位器光電電位器光電電位器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.真 空 膜 盒彈 簧電 位 器電 刷殼 體引 線1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器4.2.7 4.2.7

21、典型的電位器式傳感器典型的電位器式傳感器真空膜盒真空膜盒（敏感結(jié)構(gòu)（敏感結(jié)構(gòu)School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器4.2.7 4.2.7 典型的電位器式傳感器典型的電位器式傳感器n彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測流體通入被測流體,在流體壓力在流體壓力作用下作用下,膜盒硬中心產(chǎn)生彈膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移性位移,推動(dòng)連桿上移推動(dòng)連桿上移,使曲使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電位器繞組上滑動(dòng)電位器繞組上滑動(dòng),同樣輸同樣輸出一個(gè)與被測壓力成比例出一個(gè)與被測壓力成比例

22、的電壓信號的電壓信號。膜盒電位器式壓力傳感器原理圖School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.真 空 膜 盒彈 簧電 位 器電 刷殼 體引 線工作機(jī)理工作機(jī)理 真空膜盒真空膜盒被測壓力被測壓力膜盒位移膜盒位移杠桿位移杠桿位移電刷位移電刷位移電位器輸出電位器輸出 1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器4.2.7 4.2.7 典型的電位器式傳感器典型的電位器式傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.真 空 膜 盒彈 簧電 位 器電 刷殼 體引 線34CCS,44EhpRAWWp波紋膜

23、盒中心處的法向位移波紋膜盒中心處的法向位移電位器電刷位移電位器電刷位移 3C4PCPCS,P4EhlARplllWWp不考慮彈簧的作用不考慮彈簧的作用 特性方程特性方程 真空膜盒串真空膜盒串 周邊固支的波紋膜片周邊固支的波紋膜片 34C1EhpRAWp2213132qqqAp225 . 11hHq1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.真 空 膜 盒彈 簧電 位 器電 刷殼 體引 線單個(gè)波紋膜片的位移特性單個(gè)波紋膜片的位移特性考慮彈簧的作用考慮彈簧的作用 作用于波紋膜片的壓力看成等效的集中力作用于

24、波紋膜片的壓力看成等效的集中力32eq32eqC11EhpRAAEhRFAWFF2eq321RqqA單個(gè)波紋膜片的單個(gè)波紋膜片的等效剛度等效剛度23CeqeqddREhAWFKF膜盒系統(tǒng)的總等效剛度膜盒系統(tǒng)的總等效剛度 23eqCT441REhAKKF1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.真 空 膜 盒彈 簧電 位 器電 刷殼 體引 線電位器電刷位移電位器電刷位移( (傳感器輸出傳感器輸出) ) 考慮彈簧的作用考慮彈簧的作用 膜盒系統(tǒng)的總等效剛度膜盒系統(tǒng)的總等效剛度23eqCT441REhAKK

25、F整個(gè)受力結(jié)構(gòu)的總剛度整個(gè)受力結(jié)構(gòu)的總剛度 E23ECTT4KREhAKKKFE23eqTeqCS,4KREhApAKFWF整個(gè)受力結(jié)構(gòu)的位移整個(gè)受力結(jié)構(gòu)的位移 E232eqCPCPCS,P44KRhEApRAllllWWF3C4PCPCS,P4EhlARplllWWp1.1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.活塞阻尼器殼體質(zhì)量塊彈簧片電阻元件電刷思考題：畫出傳感器的原理框圖思考題：畫出傳感器的原理框圖2.2.電位器式加速度傳感器電位器式加速度傳感器4.2.7 4.2.7 典型的電位器式傳感器典型的

26、電位器式傳感器School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.n 電位器電位器式加速度傳感器式加速度傳感器,慣性質(zhì)量塊在被測加慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下速度的作用下,使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移的位移,從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng)從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng),輸出一與加速度成比例的電壓信號。輸出一與加速度成比例的電壓信號。n 電位器電位器傳感器結(jié)構(gòu)簡單傳感器結(jié)構(gòu)簡單,價(jià)格低廉價(jià)格低廉,性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定,能承受惡劣環(huán)境條件能承受惡劣環(huán)境條件,輸出功率大輸出功率大,一般不需要對輸一般不需要對輸出信號放大就可以直接驅(qū)動(dòng)伺服元件和顯示儀表出信號放大就可以直接驅(qū)動(dòng)伺服元件和顯示儀表;其缺點(diǎn)是精度不高其缺點(diǎn)是精度不高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差,不適于測量快速不適于測量快速變化量變化量。2.2.電位器式加速度傳感器電位器式加速度傳感器4.2.7 4.2.7