无源型位移传感器

第3章无源型位移传感器0755-83376489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3.6相敏检波第3章无源型位移传感器0755-833764893.1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第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-1（a）直线位移传感器；(b)角位移传感器；(c)电位器的位移→电压转换原理图第3章无源型位移传感器0755-833764893.1.1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xlUUoi(3-1)式中，x为位移量。第3章无源型位移传感器0755-833764893.1.2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。第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-2（a）直滑式；(b)单圈旋转式；(c)多圈旋转式第3章无源型位移传感器0755-833764891.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。第3章无源型位移传感器0755-833764892.非线绕电位器1)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。第3章无源型位移传感器0755-833764892）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。第3章无源型位移传感器0755-833764893)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%。第3章无源型位移传感器0755-833764894）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。第3章无源型位移传感器0755-833764893.2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。第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-3应变式传感器原理框图第3章无源型位移传感器0755-83376489（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。第3章无源型位移传感器0755-833764893.2.1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。第3章无源型位移传感器0755-83376489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。第3章无源型位移传感器0755-833764892.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。第3章无源型位移传感器0755-833764893.2.21.电阻应变片的类型与结构1）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。第3章无源型位移传感器0755-83376489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，第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-4金属电阻应变片第3章无源型位移传感器0755-833764892）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。第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-5体型半导体应变片结构示意图第3章无源型位移传感器0755-83376489表3-1应变片主要技术参数第3章无源型位移传感器0755-833764892.应变片的使用1）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。第3章无源型位移传感器0755-83376489（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。第3章无源型位移传感器0755-833764892）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（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。第3章无源型位移传感器0755-83376489（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玻璃纸并加压，排出多余的胶水和气泡。加压时要注意防止应变片错位。粘贴应变片的粘合剂的种类很多，要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂。（4）固化：根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理。第3章无源型位移传感器0755-83376489（5）粘贴质量检查：检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。（6）引线的焊接与防护：检查合格后即可焊接引线，引线要适当固定。然后在应变片上涂一层防护层，防止大气对应变片的侵蚀。第3章无源型位移传感器0755-833764893.2.3转换电路1.电阻电桥的输出电压直流电阻电桥如图3-6（a）、（b）、（c）所示，其初始状态可通过RP1调零。若采用交流电源供电，则称为交流电桥，如图3-6（d）所示，可通过RP1和RP2调零。当电桥平衡时，输出电压Uo=0。电桥的平衡条件是对边臂电阻乘积相等，即R1R3=R2R4(3-5）第3章无源型位移传感器0755-83376489图3-6（a）单臂；（b）双臂；(c)全桥；(d)交流电桥第3章无源型位移传感器0755-83376489由于通常四个电阻不可能刚好满足平衡条件，因此电桥都设置有调零电路。调零电路是由RP1及R5组成的。当电桥不平衡时，将有电压输出。根据电路原理，其输出电压为i41324231i414323o))((URRRRRRRRURRRRRRU（3-6）当四个桥臂电阻R1、R2、R3、R4分别发生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的变化量时，式（3-6）分母中将含有变量ΔR项，分子中将含有ΔR2项，因此电桥为非线性特性。在满足式（3-5）的条件下，略去分母中的ΔR项和分子中的ΔR2项，并经整理可得44332211io4RRRRRRRRUU（3-7）第3章无源型位移传感器0755-833764892.应变电桥的工作方式对于应变式传感器，其电桥电路可分为全桥、单臂电桥和双臂电桥工作方式。全桥和双臂电桥还可构成差动工作方式。式（3-7）和式（3-8）为全桥的输出电压表达式。1）如图3-6（a）所示，R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻，由式（3-7）和式（3-8）得1i11io44kURRUU（3-9）第3章无源型位移传感器0755-833764892）如图3-6（b）所示，R1、R2均为电阻应变片，R3、R4为固定电阻，同理可得)(4421i2211iokURRRRUU（3-10）第3章无源型位移传感器0755-833764893）由式（3-7）可以看出，相邻桥臂间为相减关系，相对桥臂间为相加关系。因此构成差动电桥的条件为：相邻桥臂应变片的应变方向应相反，相对桥臂应变片的