任务5电位器式位移传感器课件

1、任务5 电位器式位移传感器 5.1 基础知识5.1.1 电位器式角位移传感器结构原理 电位器式位移传感器通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系的电阻或电压输出。普通直线电位器和圆形电位器都可分别用作直线位移和角位移传感器。图1所示为电位器式位移传感器结构原理图。 图1 位移传感器工作原理 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化，阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。输入与输出可用下式表示： 式中：U0 为传感器输出信号电压；x为被测量位移；L 为传感器敏感电阻长度；Ui 为输入电压，可以是直流，也可以是交流。 角位移传感器的性能指标主要有灵敏度、线性

2、度、稳定性等，下面分别进行讨论： （1）传感器输出线性度 它是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，有零基线性度、端基线性度、独立线性度及绝对线性度等四种表示方法。线性度定义如图2所示，定义式为：图2 线性度示意图 式中： 为传感器在全量程上的最大偏差值； 为传感器的量程。 （2）独立线性度。从具有斜率和它所在位置的参考直线的实际函数特性的最大偏差，选择最小化的最大偏差，它是由总施加电压的百分比来表示的。在指定的理论电气行程上测量其大小。如图3所示：图3 独立线性度示意图 （3）绝对线性精度绝对线性度要比独立线性度更难以取得。因为它是来自所有被定义的参考直线的实际函数特性最大

3、偏差。它用总施加电压百分比来表述，在理论电气行程上测量其值。在实际输出上要求有一个索引参考点。 直线的参考线也许是由指定的上下两条理论上的端输出比率所有定义的线相对于各自的理论电气行程。除非另有说明,这些端输出比率分别是(0，0)和(1，0)。绝对线性度的数学表达式：e/E = A(/T)+B +/-C其中A是给定的斜率，B是=0时的截矩，除非另有说明：A=1，B=0。 （4）灵敏度。传感器输出的变化量Y与引起此变化量的输入变化量X之比即为静态灵敏度，表达示为： 传感器的校正曲线的斜率就是其灵敏度。线性传感器，斜率处处相同，灵敏度K是一个常数。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。即

4、： （5）输出平滑性。输出平滑性是指传感器在测量时，输出信号随时间的稳定性，如图4所示。 输出平滑性受到接触阻抗的变化，分辨率和在输出中其他微量非线性输出的影响，是影响传感器性能的重要指标之一。可用下式表示： 式中：UCC：峰-峰值最大变化，输出信号的最大波动值；U0：传感器的理论输出信号电压。 图4 输出平滑性示意图 图5 使用功耗与温度关系图 （6）降功耗曲线。传感器的输出功率与温度之间的关系称为降功耗曲线。一般以传感器在-55 到70 时功耗为100 %，70 到125 之间时功耗开始下降直至零。所以在使用时应注意环境温度与功耗的关系。其关系图如图5所示：图6 迟滞特性图 （7）迟滞。传

5、感器在正反行程中的输出输入曲线不重合性称为迟滞。迟滞可用偏差量与满量程输出之比的百分数表示，如下式：式中：Hmax正反行程间输出的最大差值；YFS为传感器的满量程输出。迟滞特性如图6所示。 （8）重复性。重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。 实际输出校正曲线的重复特性，正行程最大重复性偏差为Rmax1，反行程最大重复性偏差为Rmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者Rmax除以满量程输出y的百分数表示： 检测时也可以选取几个测试点，对应每一个点多次从一个方向趋进，获得输出值系列yi1，yi2，yi3，yin算出最大值与最小值之差为重复性偏差R

6、i，在几个Ri中取出最大值作为重复性误差。 重复特性如图7：图7 重复特性示意图 （9）分辨率与阀值。分辨率是指传感器在规定测量范围内能检测出被测输入量最小变化值。有时对该值相对满量程输入值的百分数表示为分辨率。阀值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成“死区”，则将这个区的大小称为阀值；更多情况下阀值主要取决于传感器噪声的大小。传感器能检测出被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示： 式中：M被测量最小变化量值；c系数；N噪声电平；K传感器灵敏度。 （10）稳定性。稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的

7、时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。 （11）漂移。漂移指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的，不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。 零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，又称时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。传感器的零漂可表示为：Y0：最大零点偏差；YFS：满量程输出。 （12）精确度。精确度的评价指标有三个：精密度、正确度和精确度。 精密度：该指标是指对某一稳定

8、的被测量有同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（即等精度测量）所得测量结果的分散程度。其值越小说明测量越精密。 正确度：它说明测量结果偏离真值大小的程度，即测量结果有规则偏离真值的程度。反映所测值与真值的符合情况。 精确度：通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分数值（如0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，）进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。5.1.2 电位器式角位移传感器基本结构 目前，电位器式角位移传感器最典型的是精密导电塑料角位移传

9、感器，它主要由电阻体、转轴及电刷组件和壳体等几部分组成，整体结构如图8所示。其中，由导电塑料膜与绝缘基体组成的电阻体的制备是确保传感器精度的基础，电刷组件是保证传感器精度及其机械寿命的关键。对整个结构的总体要求是在保证机械强度及其电气性能的基础上尽量减小结构尺寸，使传感器的结构尽量紧凑，以便于安装使用。图8 精密导电塑料电位器式角位移传感器结构原理图 （1）传感器电阻体的结构.导电塑料是一层薄膜，为了得到一定的机械强度，需要喷涂在绝缘性能良好的塑料基体上构成传感器的电阻体，以保证电阻体具有足够的机械强度和电阻稳定性。因此，电阻体是传感器最重要的构件，它是个扁平圆柱体，如图9所示。主要由三部分组

10、成：一是绝缘基体；二是导电塑料薄膜；三是引出电极。图9 传感器电阻体的结构设计图 （2）转轴及电刷组件的结构。电刷转轴组件主要由转轴、轴承、垫片、挡环、绝缘轴套、集流环、电刷臂等零件组成，如图10所示。图10 转轴组件装配图 （3）外壳的结构。传感器外壳由底座、端盖和紧固圈三部分组成，材料采用高强度铝合金，结构如图13、图14和图15所示，图中尺寸与传感器型号有关，图中的尺寸以16型为例。 图13 底座图14 端盖 图15 紧固圈5.1.3 电位器式角位移传感器类型根据敏感电阻材质分为金属膜传感器、导电塑料传感器、光敏电阻式传感器、磁敏式传感器、金属玻璃釉传感器、绕线电阻式传感器。 （1）导电

11、塑料电位器。导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体用特殊工艺将DAP（邻苯二甲酸二稀丙脂）电阻浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将DAP电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。导电塑料电位器的耐磨性和平滑性好，使用寿命长，动噪声小，可靠性极高，允许电刷接触压力很大，耐化学腐蚀等十分优良的特性。因此它在振动、冲击等恶劣的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。它可以用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等各种场合，是目前最为常用的角位移传感器。 （2）线绕电位器式角位移传感器。线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝

12、缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。 （3）合成膜电位器。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成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（100-4.7 M），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。 （4）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，沉积在陶瓷基体上一

13、层薄膜制成。金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70 。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10-100 k之间。由于这些缺点限制了它的使用。 （5）导电玻璃釉电位器。导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温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

14、量的高精度。 （6）光电电位器式传感器。光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，图16是这种电位器的结构原理图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束

15、位移转换为电压信号输出。 图16 光电导型位移传感器结构原理 光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。5.3 任务实施：电位器式角位移变送器 电位器式角位移传感器要用于位移时的检测，还需要对其输出的电压信号进行必要的转换，在控制系统中一般都需要标准的电流或电压信号，这里介绍一种用XTR101将电位器式传感器信号转

16、换成4-20 mA标准信号的位移变送器。 XTR101是由美国BB公司开发的4-20 mA两线制通用变送器集成芯片，DIP封装的管脚排列如图17所示。 图17 XRT101管脚排列图 工业现场的电动阀门、电闸等电动执行机构的位置、位移、中央空调送风系统的风压等，都可以选用导电塑料型电位器式位移传感器与XTR101组成的位移变送器，将位移信号变成4-20 mA的标准电流信号，用以驱动相应的控制机构，来调整和控制角位移量或是设备运行状态。下面介绍由导电塑料角位移传感器与XRT101组成的角位移变送器原理，有条件的可安排学生进行实物制作。 导电塑料电位器具有分辨力强、能耐受环境影响、耐磨性能好、长寿

17、命(50 00万次)、高精度(土0.1 %)、高可靠、低噪音等优点。导电塑料电位器与XTR101组成的位移变送器电路原理如图18所示，其中RC为角位移传感器的电阻，应选用几百欧左右的小电阻传感器，受l mA恒流激励，它与R8、R9组成一比例控制测量电路，R8、R9和RC这3个电阻所组成的比例测量电路应保证输入3脚的电压不超过1 V且不低于100 mV，以保证变送器正常工作。RC的动臂与被控转动机构连接，用于被控信号的采集，输出的变化电势直接给XTR101的3脚。R10和R2串接，受l mA恒流激励，组成一分压电路，为XTR101的4脚提供一个固定的基准电势，这个基准电势的大小与角位移的控制要求

18、有关，应根据测量与控制要求进行选取，但要保证输入4脚的基准电压不超过1 V。经XTR101的差分比较、放大和V/I转换，输出一个标准的4-20 mA电流，供整个系统控制调节用。图18 角位移与XRT101构成的变送器原理图5.3 拓展学习：电位器式线位移传感器 电位器式线位移传感器是测量和控制位移、距离、伸长、移动、厚度、振动、膨胀、液位、压缩，应变等等物理量的有力工具。它通过特定的机电结构将直线位移量转换成电阻变化量，再由测量电路变成电压信号输出，与电位器式角位移传感器工作原理一样，不同的是其机电构造有所区别，将角位移的转动方式变成了往复滑动方式。目前，随着变送技术的发展，已经有能输出电流、

19、电压、或SSI等多种信号的智能型线位移测量传感器。可广泛应用于航天、航空、电力、水利、石油化工、机械、军工、医疗、纺织、汽车、煤炭、地震监测、高等院校及科研院所等各领域，既可与仪表配套使用，也可以单独使用。 （1）电位器式线位移传感器结构原理。导电塑料线位移传感器根据位移实现形式不同有拉杆式和压杆式两类，基本原理与角位移传感器是一样的，但在具体结构上有较大差异，电阻轨道是直线型分布的。图20为拉杆式结构，测量位移时测杆被拉出。主要由接线柱（1）、导向杆（2）、底座（3）、密封盖（4）、绝缘衬（5）、电刷（6）、测量杆（7）、复位弹簧（8）、导电塑料膜（9）和电阻基体（10）组成。测量杆与导向杆

20、空套在一起，导向杆一端固定在底座上，绝缘衬与导向杆空套联接，与测量杆和电刷则是用粘结剂粘贴固定，使电刷能与测量杆一起沿导向杆滑移。电刷有四到六个触头，分别与两条电阻轨道接触，使两条电阻构成一个可变电阻结构，一条为主电阻，两端均有电极联出，一条为辅助电阻，只有一端有电极，这样构成传感器的三个电极，使位移的变化转换成电阻的改变，实现位移的测量。图20 拉杆式线位移传感器结构原理图21 压杆式线位移传感器结构原理 上图为压杆式，测量时测杆被压进传感器内，结构基本上与拉杆式相同，也是由接线柱、导向杆、底座、上盖、绝缘衬、电刷、测量杆、复位弹簧、导电塑料膜和电阻基体等组成。区别在于复位弹簧的位置，压杆式

21、的复位弹簧在导向杆与绝缘衬之间，将测量杆顶出传感器底座外面，而拉杆式的复位弹簧将测量杆压在传感器底座内。 图22为导电塑料线位移传感器的电阻体结构，在绝缘基体上喷涂或印刷两条电阻轨道，方法与角位移的电阻体相似，两端有涂银电极层，与输出电极联接。电阻轨道的宽度和厚度与传感器的型号大小有关，一般在3 mm宽，0.02 mm厚左右。图22 敏感电阻元件图23 电刷图23为传感器的电刷结构，采用钯金合金材料，厚度在0.5 mm左右，结构型式比较多，主要根据传感器结构要求而定。为使接触平稳，故采用分叉结构，由2到3个触头构成一组，以便获得更好 的接触效果，降低接触噪声。图24 底座 图24为传感器底座，

22、可采用铸铝材料，底部为安放电阻基体的槽，两端开的中心大小不同，一力装导向杆，需紧配合，一边穿测量杆，是松配合。靠近底部电阻槽处钻直径为3 mm的通孔，用于装接线柱，接线柱与底座之间要绝缘隔开，采用粘结剂联接。接线柱与银电极之间焊有合金丝引线，以将导电塑料电阻膜与接线柱相联。为了提高测量时移动的灵活性可适当加润滑脂润滑。底座也可用铝型材，如方管或圆管，视具体需要而定，用型材时需设置两边端盖，此时两端盖的中心孔要有保持良好的同轴度，不然会使移动不顺，产生卡死现象。 （2）电位器式线位移传感器类型 电位器式线位移传感器的类型主要有拉杆式和滑动式两类。 通用拉杆式导电塑料电位器式线位移传感器已经有系列

23、产品，国内有多家生产企业，有效行程在75 mm-1 250 mm之间，两端均有4 mm缓冲行程，精度0.05 %-0.04 %FS。外壳表面阳极处理，防腐蚀能力强。内置导电塑料测量单元无温漂、寿命长，具有自动电气接地功能。密封等级为IP67，自带DIN430650标准插头插座，可以适用在大多数通用场合。拉杆球头具有0.5 mm自动对中功能，允许极限运动速度为10 m/s。 通用滑动式导电塑料电位器式线位移传感器也有系列产品，有效行程75 mm-3 000 mm，两端均有4 mm缓冲行程，精度0.05 %-0.02 %FS。外壳表面阳极处理，防腐蚀性强，内置导电塑料测量单元无温漂、寿命长，具有自

24、动电气接地功能，密封等级为IP54(向下安装时为IP57)，自带DIN430650标准插头插座，可以适用在大多数通用场合，特别是长度方向受到限制、对中较困难的场合。拉杆配合球头具有10 mm自动校正功能，允许极限运动速度为10 m/s。 （3）电位器式线位移传感器应用场合 KTC、KTM、LS型拉杆结构为一般通用结构，配合可选拉球万向头或鱼眼万向头，可以减少因安装的非对中性而带来的不良影响，适用于注塑机，纺织机械，木工机械等行业；KPC、KPM两端固定带绞接运动型，适合摆动运动，传感器本体无法固定在测量系统中,会随着测量运动而运动；KTF、KFM滑块型适应最小安装长度尺寸小的场合，配合加长臂，

25、可以消除安装时的非对中带来的不良影响；KTR型是一款微型自恢复式拉杆结构，无需牵引安装；KPF型法兰面固定结构则可以检测腔体内部位移。 （4）电位器式线位移传感器的选用 这种传感器选用时要根据以下几方面进行：一是根据测量要求达到的准确度和线性度来选择传感器的线性精度等级和分辨力大小；二是根据测量要求的最大幅值来选择传感器的合理量程范围；三是根据测量环境中的振动、粉尘、温湿度等状况合理选择传感器的密封等级、抗振动等级等情况；四是根据测量或控制要求达到的速度来选择传感器的工作速度；五是按经济原则合理选择传感器的使用寿命，以符合最佳性价比要求。 （5）电位器式线位移传感器使用要求 首先，供电电压要稳

26、定。工业电源要求0.1 %的稳定性，如基准电压10 V，允许有0.01 V的波动，否则会导致显示的不稳定，会导致测量不准确。只要显示波动幅度不超过波动电压的波动幅度，位移传感器电子尺就属于正常工作。 其次，在使用操作过程中要防止静电干扰。静电干扰和调频干扰很容易使电位器式线位移传感器显示数字跳动。设备的强电线路与传感器的信号线要分开线槽。传感器应使用强制接地，且使传感器外壳良好接地，信号线要使用屏蔽线，且在电源一侧应将屏蔽线接地。静电干扰时，一般万用表的电压测量非常正常，但是显示数字跳动，高频器干扰时其现象也一样。 第三，不能接错三条线。传感器的“1”、“3”线是电源线，“2”是输出线，除电源线(“