传感与检测技术02电阻式传感器

《传感与检测技术02电阻式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感与检测技术02电阻式传感器（56页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第第2章章 电阻式传感器电阻式传感器 教材的本章内容包括：教材的本章内容包括：2.1 电位器式传感器（自学，不作介绍）电位器式传感器（自学，不作介绍）2.2 应变式电阻传感器（重点）应变式电阻传感器（重点） （原理、结构、特性、转换电路等）（原理、结构、特性、转换电路等）2.3 压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）2.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用 这类传感器的基本工作原理是将被测物理量的变化转换这类传感器的基本工作原理是将被测物理量的变化转换成敏感元件成敏感元件电阻电阻的变化，再通过变换电路转换为相应电压或的变化，再通过变换电路转换为相应电压

2、或电流信号输出。种类较多，有电位器式、应变式、压阻式、电流信号输出。种类较多，有电位器式、应变式、压阻式、热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。2.1 电位器式传感器电位器式传感器 电位器作为传感器，可将机械位移或其他能转换为位电位器作为传感器，可将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化。移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化。常用来测量位移、压力、加速度等物理量。由于结构简单、常用来测量位移、压力、加速度等物理量。由于结构简单、尺寸小、重量轻、价格便宜、精度较高、性能稳定、输出尺寸小、重量轻、价格便宜、精度较高、性能稳定、输出

3、信号大、受环境（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响较信号大、受环境（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响较小，且可实现线性的或任意函数的变换，因而在自动检测小，且可实现线性的或任意函数的变换，因而在自动检测和自动控制中有着广泛的用途。和自动控制中有着广泛的用途。 但由于存在滑动触头与线绕电阻或电阻膜的摩擦，存但由于存在滑动触头与线绕电阻或电阻膜的摩擦，存在磨损，缺点也是明显的；要求输入能量较大，可靠性较在磨损，缺点也是明显的；要求输入能量较大，可靠性较差，分辨率较低，动态特性不好，干扰（噪声）大，一般差，分辨率较低，动态特性不好，干扰（噪声）大，一般用于静态和缓变量的检测。用于静态和缓变量的检测。

4、线绕电位器线绕电位器是最常用的电位器式传感器，它由绕于骨是最常用的电位器式传感器，它由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器移动的滑臂以及其上的电刷架上的电阻丝线圈和沿电位器移动的滑臂以及其上的电刷组成。线绕电位器根据需要可制成线性的和非线性的，线组成。线绕电位器根据需要可制成线性的和非线性的，线性线绕电位器的骨架截面应处处相等，由材料和截面均匀性线绕电位器的骨架截面应处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。的电阻丝等节距绕制而成。1、原理及空载特性、原理及空载特性 电位器的输出端不接负载或负载为无穷大时的输出特电位器的输出端不接负载或负载为无穷大时的输出特性为性为空载特性空载特性。线性电

5、位器的理想空载特性具有严格的线。线性电位器的理想空载特性具有严格的线性关系。图性关系。图2.1所示为电位器式传感器原理图。所示为电位器式传感器原理图。2.1.1 线性电位器线性电位器1电阻丝；电阻丝；2骨架；骨架；3滑臂滑臂图图2.1 电位器式传感器原理图电位器式传感器原理图 如果把它作为变阻器使用，假定全长为如果把它作为变阻器使用，假定全长为xmax的电位器其的电位器其总电阻为总电阻为Rmax，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由A向向B移动移动x后，后，A点到电刷间的阻值为：点到电刷间的阻值为：maxmaxxxRRx (2-1) 若把它当作分压器使用，假定加在电位

6、器若把它当作分压器使用，假定加在电位器A、B之间的电压为之间的电压为Umax，则空载输出电压为：，则空载输出电压为： maxmaxxxUUx(2-2) 图图2.2所示为电位器式所示为电位器式角度角度传感器。其中传感器。其中1为电阻丝；为电阻丝；2为滑臂；为滑臂；3为骨架。作变阻为骨架。作变阻器使用时，电阻器使用时，电阻R与角度与角度的关系为：的关系为：maxmaxRR (2-3) 图图2.2 电位器式角度传感器原理图电位器式角度传感器原理图 作分压器使用时，空载输出电压作分压器使用时，空载输出电压U与角度与角度的关系为的关系为 maxmaxUU(2-4) 对于下图所示的位移传感器来说，因：对于

7、下图所示的位移传感器来说，因：Rmax=2(b+h)n/A；xmax=nt（t为两线圈的距离），故其灵敏度为：为两线圈的距离），故其灵敏度为：图图2.3 线性线绕电位器示意图线性线绕电位器示意图式中，式中，KR、KU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度；分别为电阻灵敏度、电压灵敏度；为导线为导线电阻率；电阻率；A为导线横截面积；为导线横截面积；n为线绕电位器绕线总匝数。为线绕电位器绕线总匝数。 由此看出：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏由此看出：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与度除与电阻率电阻率有关外，还与有关外，还与骨架尺寸骨架尺寸h和和b、导线横截面导线横截面积积A（导线直径（导线直

8、径d）、）、绕线节距绕线节距t等结构参数有关；电压灵等结构参数有关；电压灵敏度还与通过电位器的敏度还与通过电位器的电流电流I的大小有关。的大小有关。(2.6) )(2(2.5) )(2maxmaxmaxmaxAthbIxUKAthbxRKUR2、阶梯特性、阶梯误差和分辨率、阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图图2.4所示为绕所示为绕n匝金属电阻丝的匝金属电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。电刷在电位器的线圈上移动，线图。电刷在电位器的线圈上移动，电位器输出阻值随电刷移动并不是连电位器输出阻值随电刷移动并不是连续地改变：当电刷与某一匝金属丝接续地改变：当电刷与

9、某一匝金属丝接触，虽然有微小位移，但电位器阻值触，虽然有微小位移，但电位器阻值并无变化，因而输出电压也不改变，并无变化，因而输出电压也不改变，在输出特性曲线上对应地出现平直段；在输出特性曲线上对应地出现平直段；当电刷离开这一匝与下一匝接触时，当电刷离开这一匝与下一匝接触时，电位器电阻突然增加一匝阻值，因此电位器电阻突然增加一匝阻值，因此特性曲线出现阶跃段。特性曲线出现阶跃段。图图2.4 局部剖面和阶梯特性图局部剖面和阶梯特性图 实际上，电刷从实际上，电刷从 j 匝到匝到(j+1)匝的过程中，必然会使这匝的过程中，必然会使这两匝短路，于是电位器的总匝数从两匝短路，于是电位器的总匝数从n匝减小到匝

10、减小到(n-1)匝，这样匝，这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一小阶跃。总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一小阶跃。这个小电压阶跃亦即这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲次要分辨脉冲为为 max/UUn(2-7) 这样，电刷每移过一匝，输出电压便阶跃一次，共产生这样，电刷每移过一匝，输出电压便阶跃一次，共产生n个电压阶梯，其阶跃值亦即个电压阶梯，其阶跃值亦即视在分辨脉冲视在分辨脉冲为为max11()1nUUjnn(2-8) 式中：式中： 为电刷短接第为电刷短接第 j 和和 j+1 匝时的输出电压；匝时的输出电压； 为电刷仅接触第为电刷仅接触第 j 匝时的输出电压。匝时的输出电压。 因

11、此，在大的阶跃中还有小的阶跃。这种小的阶跃应因此，在大的阶跃中还有小的阶跃。这种小的阶跃应有有(n-2)次，这是因为在绕线始端和终端的两次短路中，将次，这是因为在绕线始端和终端的两次短路中，将不会因总匝数降低到不会因总匝数降低到(n-1)而影响输出电压，所以特性曲线而影响输出电压，所以特性曲线将有个将有个n+n-2个阶跃。这个阶跃。这n+n-2个阶梯中，一般将大阶梯看个阶梯中，一般将大阶梯看作是作是主要分辨脉冲主要分辨脉冲Um，将小阶梯看作是，将小阶梯看作是次要分辨脉冲次要分辨脉冲Un，而视在分辨脉冲是二者之和，即而视在分辨脉冲是二者之和，即 （2-9） max1jUn m axjUnmnUU