北航傳感器原理13

傳感器技術(shù)及應(yīng)用——幾種典型的模擬式傳感器(二)李成2013.05.07

思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)1.變電阻式傳感器的主要類型?課程回顧：回答要點：電位器式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)2.電位器式、應(yīng)變式、壓阻式傳感器的主要區(qū)別?課程回顧：回答要點：

物理量變化電阻變化傳感轉(zhuǎn)換元件大電阻變化型，R：0—R傳電位器式傳感器物理量變化變形（應(yīng)力、應(yīng)變）敏感元件轉(zhuǎn)換元件電阻變化微電阻變化型，R：0—20%R傳應(yīng)變式傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件電阻變化

電阻率微電阻變化型，靈敏度比應(yīng)變式高50~70倍壓阻式傳感器物理量變化思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)3.簡述電位器式傳感器的應(yīng)用特點?（10分）課程回顧：回答要點：（1）位移式變換原理（2分）（2）可以直接輸出較大信號（4分）（3）磨損，有較大的負(fù)載效應(yīng)和負(fù)載誤差（4分）Q：電位器傳感器在使用中還需考慮那些特性？在理想情況下,特性曲線每個階梯的大小完全相同,則通過每個階梯中點的直線即是理論特性曲線,階梯曲線圍繞它上下跳動,從而帶來一定誤差,這就是階梯誤差。工程上常把實際階梯曲線簡化成理想階梯曲線。階梯特性和階梯誤差線繞式電位器的特性課程回顧：思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)4.如何改善階梯誤差和分辨率?課程回顧：回答要點：在實際設(shè)計中,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)。靈敏度線繞式電位器的特性線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率ρ有關(guān)外，還與骨架尺寸h和b、導(dǎo)線橫截面積q、繞線節(jié)距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。電壓靈敏度還與通過電位器的電流I的大小有關(guān)。課程回顧：思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)5.為什么使用非線性電位器?課程回顧：回答要點：

需要非線性輸出(指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù))；修正、補償非線性；改善負(fù)載誤差。4.2.1概述4.2.2線繞式電位器的特性4.2.3非線性電位器4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差4.2.5電位器的結(jié)構(gòu)與材料4.2.6非線繞式電位器4.2.7典型的電位器式傳感器4.2電位器式傳感器思考題(第4講：幾種典型的模擬式傳感器)5.骨架為如下圖形所示的電位器的電阻變化?課程回顧：回答要點：電位器的負(fù)載特性4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差一般情況下,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)載誤差即是其非線性誤差。電位器的負(fù)載特性或4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差電壓的相對輸出Y：電位器的負(fù)載特性4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差或注意：負(fù)載系數(shù)Kf的定義或本教材對負(fù)載系數(shù)Kf的定義其他教材對負(fù)載系數(shù)m的定義適用于線性電位器電位器的負(fù)載誤差(相對負(fù)載誤差)減小負(fù)載誤差的措施提高負(fù)載系數(shù)限制電位器的工作范圍重新設(shè)計電位器的空載特性4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差注意：電位器的負(fù)載誤差(相對負(fù)載誤差)4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差-補充本教材其他教材Q1：分母？Q2：分母？負(fù)載誤差注意：電位器的負(fù)載誤差(相對負(fù)載誤差)4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差-補充無論m為何值，X=0和X=1時,即電刷在起始位置和最終位置時,負(fù)載誤差都為零;當(dāng)X=1/2時,負(fù)載誤差最大，且增大負(fù)載系數(shù)時,負(fù)載誤差也隨之增加。對線性電位器,當(dāng)電刷處于行程中間位置時,其非線性誤差最大。δf與m、X的關(guān)系曲線Q：由右圖可得出什么結(jié)論？注意：電位器的負(fù)載誤差(相對負(fù)載誤差)4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差-補充則必須使Rf>10Rmax。但是有時負(fù)載滿足不了這個條件,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;或?qū)㈦娢黄鞯目蛰d特性設(shè)計為某種上凸的曲線,即設(shè)計出非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差。若要求負(fù)載誤差在整個行程都保持在3%以內(nèi),由于當(dāng)X=1/2時,負(fù)載誤差最大,即減小負(fù)載誤差的措施限制電位器的工作范圍4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差減小負(fù)載誤差的措施重新設(shè)計電位器的空載特性4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差設(shè)計非線性電位器(將電位器的空載特性設(shè)計為某種上凸的曲線3),此非線性電位器的空載特性曲線3與線性電位器的負(fù)載特性曲線3,以特性直線1互為鏡像,以消除負(fù)載誤差。基于運放的負(fù)載特性的補償措施4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差最大負(fù)載電流由15mA提升至100mA4.2.1概述4.2.2線繞式電位器的特性4.2.3非線性電位器4.2.4電位器的負(fù)載特性及負(fù)載誤差4.2.5電位器的結(jié)構(gòu)與材料4.2電位器式傳感器電阻絲活動電刷骨架4.2.5電位器的結(jié)構(gòu)與材料1、電阻絲：電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強度、電勢及加工2、電刷：電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置3、骨架：膨脹系數(shù)、絕緣性能、強度及加工觸頭：常用銀、鉑銥、鉑銠等金屬；電刷臂：常用磷青銅等彈性較好的材料；骨架：常用陶瓷、酚醛樹脂及工程塑料等絕緣材料。4.2.5電位器的結(jié)構(gòu)與材料1.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0.25～50W，阻值范圍為100Ω～100kΩ之間。當(dāng)接觸電刷從這一匝移到另一匝時，阻值的變化呈階梯式。2.非線繞電位器

(1)合成膜電位器優(yōu)點是分辨率較高，阻值范圍很寬（100Ω～4.7MΩ），耐磨性較好，工藝簡單，成本低，線性度好等；主要缺點是接觸電阻大，功率不夠大，容易吸潮，噪聲較大等。

(2)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。金屬電位器的缺點是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10～100Ω之間，限制其使用范圍。4.2.5電位器的結(jié)構(gòu)與材料(3)導(dǎo)電塑料電位器導(dǎo)電塑料電位器又稱實心電位器，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、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1kΩ、2kΩ、5kΩ和10kΩ，線性度為0.1％和0.2％。(4)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?。?dǎo)電玻璃釉電位器的缺點是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測量的高精度。

特性穩(wěn)定、易于實現(xiàn)；階梯誤差、分辨率低、耐磨性差、壽命短和功耗大等問題

4.2.6非線繞式電位器線繞式電位器電阻體：合成膜、金屬膜、導(dǎo)電塑料和導(dǎo)電玻璃釉分辨率高，耐磨，壽命長，校準(zhǔn)特性容易。其缺點是：受溫、濕度變化的影響大，較難實現(xiàn)高精度非線繞式電位器特點總結(jié)：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；壽命長（可達億萬次循環(huán)）、可靠性好，阻值范圍寬（500?-15M?）。1-光電導(dǎo)層；2-基體；3-薄膜電阻帶；4-電刷窄光束；5-光電級當(dāng)無光照射時，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，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）移動而變化。4.2.6非線繞式電位器光電電位器1.電位器式壓力傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器Q1：敏感結(jié)構(gòu)？Q2：工作原理？真空膜盒（敏感結(jié)構(gòu)1.電位器式壓力傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測流體,在流體壓力作用下,膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移,推動連桿上移,使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動,同樣輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。膜盒電位器式壓力傳感器原理圖工作機理真空膜盒被測壓力——膜盒位移——杠桿位移——電刷位移——電位器輸出

1.電位器式壓力傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器——波紋膜盒中心處的法向位移——電位器電刷位移

——不考慮彈簧的作用特性方程——真空膜盒串

——周邊固支的波紋膜片1.電位器式壓力傳感器——單個波紋膜片的位移特性——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——單個波紋膜片的等效剛度——膜盒系統(tǒng)的總等效剛度

1.電位器式壓力傳感器——電位器電刷位移(傳感器輸出)

——考慮彈簧的作用——膜盒系統(tǒng)的總等效剛度——整個受力結(jié)構(gòu)的總剛度

——整個受力結(jié)構(gòu)的位移

1.電位器式壓力傳感器思考題：畫出傳感器的原理框圖2.電位器式加速度傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器Q：測量參數(shù)？電位器式加速度傳感器,慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下,使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移,從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動,輸出一與加速度成比例的電壓信號。

電位器傳感器結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,性能穩(wěn)定,能承受惡劣環(huán)境條件,輸出功率大,一般不需要對輸出信號放大就可以直接驅(qū)動伺服元件和顯示儀表;其缺點是精度不高,動態(tài)響應(yīng)較差,不適于測量快速變化量。2.電位器式加速度傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器被測位移使測量軸沿導(dǎo)軌軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻式電橋的兩個橋臂，構(gòu)成電橋測量電路。3.電位器式位移傳感器4.2.7典型的電位器式傳感器Q：測量參數(shù)？被