北航传感器原理13

传感器技术及应用——几种典型的模拟式传感器(二)李成2013.05.07

思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)1.变电阻式传感器的主要类型?课程回顾：回答要点：电位器式、应变式、压阻式传感器思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)2.电位器式、应变式、压阻式传感器的主要区别?课程回顾：回答要点：

物理量变化电阻变化传感转换元件大电阻变化型，R：0—R传电位器式传感器物理量变化变形（应力、应变）敏感元件转换元件电阻变化微电阻变化型，R：0—20%R传应变式传感器敏感元件转换元件电阻变化

电阻率微电阻变化型，灵敏度比应变式高50~70倍压阻式传感器物理量变化思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)3.简述电位器式传感器的应用特点?（10分）课程回顾：回答要点：（1）位移式变换原理（2分）（2）可以直接输出较大信号（4分）（3）磨损，有较大的负载效应和负载误差（4分）Q：电位器传感器在使用中还需考虑那些特性？在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。工程上常把实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线。阶梯特性和阶梯误差线绕式电位器的特性课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)4.如何改善阶梯误差和分辨率?课程回顾：回答要点：在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率：（1）需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）；（2）增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。灵敏度线绕式电位器的特性线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外，还与骨架尺寸h和b、导线横截面积q、绕线节距t等结构参数有关。电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。课程回顾：思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)5.为什么使用非线性电位器?课程回顾：回答要点：

需要非线性输出(指数函数、对数函数、三角函数)；修正、补偿非线性；改善负载误差。4.2.1概述4.2.2线绕式电位器的特性4.2.3非线性电位器4.2.4电位器的负载特性及负载误差4.2.5电位器的结构与材料4.2.6非线绕式电位器4.2.7典型的电位器式传感器4.2电位器式传感器思考题(第4讲：几种典型的模拟式传感器)5.骨架为如下图形所示的电位器的电阻变化?课程回顾：回答要点：电位器的负载特性4.2.4电位器的负载特性及负载误差一般情况下,电位器接有负载,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性。负载特性相对于空载特性的偏差称为电位器的负载误差。对于线性电位器负载误差即是其非线性误差。电位器的负载特性或4.2.4电位器的负载特性及负载误差电压的相对输出Y：电位器的负载特性4.2.4电位器的负载特性及负载误差或注意：负载系数Kf的定义或本教材对负载系数Kf的定义其他教材对负载系数m的定义适用于线性电位器电位器的负载误差(相对负载误差)减小负载误差的措施提高负载系数限制电位器的工作范围重新设计电位器的空载特性4.2.4电位器的负载特性及负载误差注意：电位器的负载误差(相对负载误差)4.2.4电位器的负载特性及负载误差-补充本教材其他教材Q1：分母？Q2：分母？负载误差注意：电位器的负载误差(相对负载误差)4.2.4电位器的负载特性及负载误差-补充无论m为何值，X=0和X=1时,即电刷在起始位置和最终位置时,负载误差都为零;当X=1/2时,负载误差最大，且增大负载系数时,负载误差也随之增加。对线性电位器,当电刷处于行程中间位置时,其非线性误差最大。δf与m、X的关系曲线Q：由右图可得出什么结论？注意：电位器的负载误差(相对负载误差)4.2.4电位器的负载特性及负载误差-补充则必须使Rf>10Rmax。但是有时负载满足不了这个条件,一般可以采取限制电位器工作区间的办法减小负载误差;或将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线,即设计出非线性电位器也可以消除负载误差。若要求负载误差在整个行程都保持在3%以内,由于当X=1/2时,负载误差最大,即减小负载误差的措施限制电位器的工作范围4.2.4电位器的负载特性及负载误差减小负载误差的措施重新设计电位器的空载特性4.2.4电位器的负载特性及负载误差设计非线性电位器(将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线3),此非线性电位器的空载特性曲线3与线性电位器的负载特性曲线3,以特性直线1互为镜像,以消除负载误差。基于运放的负载特性的补偿措施4.2.4电位器的负载特性及负载误差最大负载电流由15mA提升至100mA4.2.1概述4.2.2线绕式电位器的特性4.2.3非线性电位器4.2.4电位器的负载特性及负载误差4.2.5电位器的结构与材料4.2电位器式传感器电阻丝活动电刷骨架4.2.5电位器的结构与材料1、电阻丝：电阻系数、温度系数、强度、电势及加工2、电刷：电刷触头、电刷臂、导向及轴承装置3、骨架：膨胀系数、绝缘性能、强度及加工触头：常用银、铂铱、铂铑等金属；电刷臂：常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。4.2.5电位器的结构与材料1.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，其额定功率范围一般为0.25～50W，阻值范围为100Ω～100kΩ之间。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具有无限分辨力，接触电阻很小，耐热性好，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之间，限制其使用范围。4.2.5电位器的结构与材料(3)导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器，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地工作。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，它的耐高温性和耐磨性好，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。

特性稳定、易于实现；阶梯误差、分辨率低、耐磨性差、寿命短和功耗大等问题

4.2.6非线绕式电位器线绕式电位器电阻体：合成膜、金属膜、导电塑料和导电玻璃釉分辨率高，耐磨，寿命长，校准特性容易。其缺点是：受温、湿度变化的影响大，较难实现高精度非线绕式电位器特点总结：光电电位器是一种非接触式电位器，用光束代替电刷，克服上述接触式电位器耐磨性差，寿命较短的共同缺点；寿命长（可达亿万次循环）、可靠性好，阻值范围宽（500Ω-15MΩ）。1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻带；4-电刷窄光束；5-光电级当无光照射时，因光电导材料暗电阻极大，电阻带与电极之间可视为断路，当窄光束4（电刷）照射在窄间隙上时，电阻带与电极接通，这样在外电源E的作用下，负载电阻上输出的电压随着光束（电刷）移动而变化。4.2.6非线绕式电位器光电电位器1.电位器式压力传感器4.2.7典型的电位器式传感器Q1：敏感结构？Q2：工作原理？真空膜盒（敏感结构1.电位器式压力传感器4.2.7典型的电位器式传感器弹性敏感元件膜盒的内腔,通入被测流体,在流体压力作用下,膜盒硬中心产生弹性位移,推动连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动,同样输出一个与被测压力成比例的电压信号。膜盒电位器式压力传感器原理图工作机理真空膜盒被测压力——膜盒位移——杠杆位移——电刷位移——电位器输出

1.电位器式压力传感器4.2.7典型的电位器式传感器——波纹膜盒中心处的法向位移——电位器电刷位移

——不考虑弹簧的作用特性方程——真空膜盒串

——周边固支的波纹膜片1.电位器式压力传感器——单个波纹膜片的位移特性——考虑弹簧的作用——作用于波纹膜片的压力看成等效的集中力——单个波纹膜片的等效刚度——膜盒系统的总等效刚度

1.电位器式压力传感器——电位器电刷位移(传感器输出)

——考虑弹簧的作用——膜盒系统的总等效刚度——整个受力结构的总刚度

——整个受力结构的位移

1.电位器式压力传感器思考题：画出传感器的原理框图2.电位器式加速度传感器4.2.7典型的电位器式传感器Q：测量参数？电位器式加速度传感器,惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动,输出一与加速度成比例的电压信号。

电位器传感器结构简单,价格低廉,性能稳定,能承受恶劣环境条件,输出功率大,一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表;其缺点是精度不高,动态响应较差,不适于测量快速变化量。2.电位器式加速度传感器4.2.7典型的电位器式传感器被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。3.电位器式位移传感器4.2.7典型的电位器式传感器Q：测量参数？被