位移传感器及工程应用.ppt

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1、第7章位移传感器及工程应用7.1电位器式位移传感器7.2电感式位移传感器7.3电容式位移传感器7.4霍尔式位移传感器7.5位移传感器工程应用案例返回主目录7.1电位器式位移传感器把位移变化转换成电阻值变化的敏感元件称作电位器式位移传感器，简称为电位器。电位器种类繁多，若按其结构形式分类，可分为绕线式、薄膜式、分段式和液体触点式等多种。若按其输入/输出特性分类，可分为线性电位器和非线性电位器两种。7.1.1线性电位器1.线性电位器的结构如果电位器的输出电阻与被测位移量呈线性关系，则称该电位器为线性电位器。常见线性电位器的结构如图7-1所示。图7-1常见线性电位器的基本结构2.工作原理当电位器的

2、滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成线性关系，这就是线性电位器的工作原理。根据使用场合的不同，电位器既可以作为变阻器使用，也可以作为分压器使用。由于电位器的输出功率较大，在一般场合下，可用指示仪表直接接收电位器送来的信号，这就大大地简化了测量电路。7.1.2非线性电位器如果电位器的输出电阻与被测位移量呈非线性关系，则称它为非线性电位器。非线性电位器又称作函数电位器。1.非线性电位器的结构下面以图7-2(a)中所示的函数关系为例介绍非线性电位器的结构。首先对R=f(x)曲线进行分析，确定实现方案。一般来说，实现函数电位器的方案有三种。第一种方

3、法骨架结构示意图如图7-2(b)所示。该方法采用的是曲线骨架结构，通过精心设计骨架形状来逼近函数较精确，但曲线骨架制造困难。图7-2(b)采用曲线骨架结构示意图图7-2(a)非线性电位器的特性曲线第二种方法是在允许误差的范围内进行折线逼近，即用四条线段组成的折线代替原来的曲线来近似逼近曲线R=f(x)，采用阶梯骨架结构示意图如图7-2(c)所示。图7-2(c)采用阶梯骨架结构示意图图7-2(a)非线性电位器的特性曲线对于阶梯骨架结构，在骨架宽度b一定的情况下，骨架高度hi可按下式计算(7-1)式中：D为电阻丝直径；k为电阻丝绕制节距；ρ为电阻率；Ri为Ai点所对应的电阻值；xi为Ai点所对应

4、的位移；b为骨架宽度；R0=0；x0=0。图7-2(d)等截面骨架结构示意图第三种方法是采用等截面骨架和电阻并联的结构来实现的，它的结构示意图如图7-2(d)所示。图7-2(a)非线性电位器的特性曲线对于等截面骨架结构，各段并联的电阻值ri，一般可按下列公式计算(7-2)式中，R'i为等截面支架上xi-1点和xi点之间并联的电阻；R'(i-1)i为等截面支架上xi-1点和xi点之间电阻丝的电阻；Ri为i点所对应的电阻。由上可见，这种等截面骨架函数电位器最易实现，但它只保证了在x1、x2、x3、x4点处的电阻值符合曲线；当电刷处在各段中间位置时，由于分流作用将引起一定的误差。故多用于要求精度不

5、高的场合。2.工作原理非线性电位器的滑动触点一般位于直线面上，当滑动触点受到外界作用力而产生位移时，就改变了电位器的电阻值，这个电阻值的变化与位移变化成非线性关系，这就是非线性电位器的工作原理。7.1.3绕线式电位器的材料1.电阻丝电阻丝的优点是电阻率大、电阻温度系数小，耐磨损，耐腐蚀、焊接方便等。常用电阻丝材料有以下几种：1）铜锰合金类它的电阻温度系数为0.001％~0.003％/℃，比铜的热电势小，约为1~2μV/℃，其缺点是工作温度低，一般为-50~60℃。2）铜镍合金类它电阻温度系数最小，约±0.002％/℃，电阻率为0.45μΩm，机械强度高。但比铜的热电势大，康铜是这类合金的代表

6、。3）铂铱合金类它具有硬度高，机械强度大、抗腐蚀、耐氧化、耐磨等优点，电阻率为0.23μΩm，可制成很细的丝做高阻值电位器。此外，还有镍铬丝、卡玛丝及银钯丝等。2.电刷电刷结构往往反映出电位器的噪音电平。只有当电刷与电阻丝材料配合恰当，触点有良好的抗氧化能力，接触电势小，并有一定的接触压力时，才能使噪音降低。常用电位器的接触力在0.005～0.05N之间。3.骨架对骨架材料要求形状稳定，其热膨胀系数和电阻丝相近，表面绝缘电阻高，并且希望有较好的散热能力。4.噪音电位器传感器的噪声一般分为两类：一类是噪声来自电位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加在电阻的工作电流上；另一类是电刷沿电位器

7、移动时因接触电阻变化引起的接触噪声。此外，还有摩擦电噪声，振动噪声和高速噪声。7.1.4电位器传感器的应用绕线式角位移电位器传感器的工作原理如图7-3所示。绕线式角位移电位器传感器一般性能如下：动态范围：±10～±165°线性度：±0.5～±3％电位器全电阻：102~103Ω工作温度：-50～150℃工作寿命：104次图7-3角位移电位器的工作原理7.2电感式位移传感器7.2.1自感式位移传感器把被测位移变化