传感器科学应用技术第3章.ppt

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1、第3章无源型位移传感器3.1电位器式传感器3.2应变式传感器3.3电容式传感器3.4电感式传感器3.5电涡流式传感器3.63.1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。图3-1电位器式传感器的外形

2、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3.1.1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(3-1)式中，x为位移量。3.1.2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

3、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。图3-2电位器的原理图（a）直滑式；(b)单圈旋转式；(c)多圈旋转式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。2.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

4、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。2）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

5、了它的使用范围。3)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%。4）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

6、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。3.2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，测量压力可达10～1011Pa、0.1%F.S，测量应变可达με～kμε级；（2）动态响应好，一般电

7、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。3.2.1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(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。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(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。2.半导体的压阻效应与压阻系数