【正文】 第 3章 無源型位移傳感器 第 3章 無源型位移傳感器 電位器式傳感器 應變式傳感器 電容式傳感器 電感式傳感器 電渦流式傳感器 相敏檢波 第 3章 無源型位移傳感器 電位器式傳感器 電位器是人們常用到的一種電子元件， 它作為傳感器可以將機械位移或其他能變換成位移的非電量變換為電阻值的變化， 并容易轉(zhuǎn)換成電壓的變化。 電位器式傳感器具有結構簡單， 價格低廉， 性能穩(wěn)定， 對環(huán)境條件要求不高， 輸出信號大， 易于轉(zhuǎn)換， 便于維修的優(yōu)點。 其缺點是存在摩擦， 分辨力有限， 精度不夠高， 動態(tài)響應較差，僅適于測量變化較緩慢的量， 常用作位置信號發(fā)生器。 圖 31(a)和 (b)分別為直線位移和角位移傳 第 3章 無源型位移傳感器 圖 31 （ a） 直線位移傳感器； (b) 角位移傳感器； (c) 電位器的位移 → 電壓轉(zhuǎn)換原理圖 第 3章 無源型位移傳感器 電位器式傳感器的轉(zhuǎn)換原理 根據(jù)電工知識，我們很容易理解電位器的電壓轉(zhuǎn)換原理。 電位器的位移 → 電壓轉(zhuǎn)換原理如圖 31（ c）所示。 設電阻體的長度為 l，電阻值為 R，兩端所加（輸入）電壓為 Ui，則滑動端輸出電壓為 xlUU o i?(31) 式中， x為位移量。 第 3章 無源型位移傳感器 電位器式傳感器的結構與類型 如圖 32所示，電位器由電阻元件、 電刷、 骨架等組成。 其形式有直滑式和旋轉(zhuǎn)式， 旋轉(zhuǎn)式有單圈和多圈兩種。 電刷由觸頭、 臂、 導向及軸承等裝置組成； 觸頭常用銀、 鉑銥、 鉑銠等金屬； 電刷臂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。 電阻元件有線繞電阻、 薄膜電阻、 導電塑料電阻、 導電玻璃釉電阻等。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 32 （ a） 直滑式； (b) 單圈旋轉(zhuǎn)式； (c) 多圈旋轉(zhuǎn)式 第 3章 無源型位移傳感器 1. 線繞電位器 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， 因而能承受較高的溫度， 常被制成功率型電位器， 其額定功率范圍一般為 ～ 50 W， 阻值范圍為 100 Ω～ 100 kΩ。 線繞電位器的突出優(yōu)點是結構簡單， 使用方便； 缺點是分辨率低， 這是由于電阻絲是一匝一匝地繞在骨架上的， 當接觸電刷從這一匝移到另一匝時， 阻值的變化呈階梯式。 第 3章 無源型位移傳感器 2. 非線繞電位器 1) 合成膜電位器的電阻體是用具有某一電阻值的懸浮液噴涂在絕緣骨架上形成電阻膜而制成的。 其優(yōu)點是分辨率較高，阻值范圍很寬（ 100 Ω～ MΩ）， 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。 第 3章 無源型位移傳感器 2） 金屬膜電位器由合金、 金屬或金屬氧化物等材料通過真空濺射或電鍍方法， 在瓷基體上沉積一層薄膜而制成。 金屬膜電位器具有無限分辨力， 接觸電阻很小， 耐熱性好， 滿負荷達70℃ 。 與線繞電位器相比， 它的分布電容和分布電感很小， 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～ 100 Ω。 由于這些缺點， 限制了它的使用范圍。 第 3章 無源型位移傳感器 3) 導電塑料電位器又稱實心電位器， 這種電位器的電阻是由塑料粉及導電材料的粉料經(jīng)塑壓而成的。 導電塑料電位器的耐磨性很好， 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。 導電塑料電位器的標準阻值有 1 kΩ、 2 kΩ、 5 kΩ和 10 kΩ， 線性度為 %和 % 。 第 3章 無源型位移傳感器 4） 導電玻璃釉電位器又稱金屬陶瓷電位器， 它是以合金、 金屬氧化物或難溶化合物等為導電材料， 以玻璃釉粉為粘合劑， 混合燒結在陶瓷或玻璃基體上制成的。 導電玻璃釉電位器的耐高溫性、 耐磨性好， 有較寬的阻值范圍， 電阻濕度系數(shù)小且抗?jié)裥詮姟? 導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。 第 3章 無源型位移傳感器 應變式傳感器 應變式傳感器是根據(jù)應變原理， 通過應變片和彈性元件將機械構件的應變或應力轉(zhuǎn)換為電阻的微小變化再進行電量測量的裝置。 其基本構成如圖 33所示。 第 3章 無源型位移傳感器 圖 33 應變式傳感器原理框圖 第 3章 無源型位移傳感器 （ 1） 測量范圍寬 、 精度高 ， 如測量力可達 101～ 106N、 % ， 10～ 1011Pa、 % ， 測量應變可達 με～ kμε級； （ 2） 動態(tài)響應好 ， 一般電阻應變片響應時間為 107s， 半導體式應變片響應時間達 1011s； (3) 結構簡單，使用方便，體積小，重量輕；品種多，價格低， 耐惡劣環(huán)境， 易于集成化和智能化。 第 3章 無源型位移傳感器 應變效應與應變靈敏度 1. 金屬導體的電阻應變靈敏度 金屬導體的電阻與材料、長度、截面積和溫度有關。在溫度一定時， 其電阻定律為 SlR ?? (32） 式中， R為導體的電阻值； l為導體的長度； S為導體的截面積； ρ 為導體的電阻率。 第 3章 無源型位移傳感器 當沿金屬絲長度方向施加力時，其幾何尺寸和電阻率都會變化，從而導致電阻值的變化。經(jīng)證明可得 ?KRR ??(33） 式中， K為應變靈敏度系數(shù)。由表 31可以看出，金屬應變片 K≈ 2。 第 3章 無源型位移傳感器 2. 半導體的壓阻效應與壓阻系數(shù) 對于半導體材料， 在某一晶向施加一定應力 σ時， 其電阻率將產(chǎn)生較大的變化， 而幾何尺寸變化很小，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。 相應的， 半導體應變電阻也常稱為壓阻元件。 半導體材料壓阻靈敏度為 EK 1??(34) 式中， E為半導體材料的彈性模量； π l為半導體材料的壓阻系數(shù)。 半導體應變片的 K約為幾十甚至幾百， 遠大于金屬電阻的應變靈敏度。 但其溫度穩(wěn)定性遠不如金屬電阻應變片。 第 3章 無源型位移傳感器 1. 電阻應變片的類型與結構 1） 金屬電阻應變片的類型和結構如圖 34所示， 它有絲式、 箔式和薄膜式。 其中，圖（ a）為其結構示意圖， 敏感柵粘貼在基底上， 上面覆蓋保護層。 基底有紙基和膠基兩種。 應變片的縱向尺寸為工作長度， 反映被測應變， 其橫向應變將造成測量誤差。 圓角絲柵橫向應變靈敏度高， 誤差較大， 但耐疲勞性好， 一般用于動態(tài)測量。 直角絲柵橫向應變靈敏度小， 因而精度高， 但耐疲勞性差， 適用于靜態(tài)測量。 第 3章 無源型位移傳感器 箔式電阻應變片是用光刻技術將康銅或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀而成。 其絲柵形狀可與應力分布相適應， 制成各種專用應變片。它的電阻值分散度小， 可做成任意形狀， 易于大量生產(chǎn)， 成本低， 散熱性好， 允許通過大的電流， 靈敏度高， 耐蠕變和耐漂移能力強。 薄膜應變片是采用真空鍍膜技術在很薄的絕緣基底上蒸鍍金屬電阻材料薄膜， 再加上保護層形成的。 其優(yōu)點是靈敏度高， 第 3章 無源型位移傳感器 圖 34 金屬電阻應變片