传感器与检测技术 3.1教学笔记

教师教学笔记教学内容摘要补充资料1、项目总结电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为电位器式、应变式和固态压阻式传感器三种。1.1电位器式传感器电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各种电气和电子设备中。在仪表与传感器中，它主要是作为一种把机械位移输入转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用的。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加速度等。此外，在伺服式仪表中，它还可用作反馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。电位器的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高(可达0.1%或更高)且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素(温度、湿度、电磁干涉、放射性)影响较小；输出信号较大，一般不需放大。因此，它是最早获得工业应用的传感器之一。伹它也存在一些缺点，主要是存在摩擦和磨损。由于有摩擦，因而要求敏感元件有较大的输出功率，否则会降低传感器的精度，又由于有滑动触点及磨损，则使电位器的可靠性和寿命受到影响。另外线绕电位器分辨力较低也是一个主要缺点。目前电位器围绕着减小或消除摩擦、提高使用寿命和可靠性、提高精度和分辨力等而不断得到发展。目前电位器虽然在不少应用场合已被更可靠的无接触式的传感元件所代替，但其某些独特的性能仍然不能被完全取代，在同类传感元件中仍然占有一定的地位。电位器的种类极其繁多。按其结构形式不同，可分为绕线式、薄膜式、光电式、磁敏式等。在绕线电位器中，又可分为单圈式和多圈式两种。按其特性曲线不同，还可分为线性电位器和非线性(函数)电位器两种。如下图所示为常用电位器式传感器。教师教学笔记教学内容摘要补充资料1.1.1、线性电位器线性电位器构造由上图可知，在线性电位器的电阻元件上，其单位长度上的电阻值是处处相等的。当电刷行程为时，其对应的输出电阻和输出电压分别为教师教学笔记教学内容摘要补充资料电阻灵敏度和电压灵敏度则分别为 (2-1) (2-2)(2-1)和(2-2)式为线性电位器的理想特性表达式；和分别为线性电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度，它们说明单位电刷位移所能引起的输出电阻或输出电压。因为式中：——导线的电阻率——绕线匝数所以 (2-3) (2-4)由(2-3)和(2-4)式可知，线性电位器的灵敏度为一常数，并且与骨架高度和宽度、导线的直径、材料的电阻系数、绕线节距等结构参数有关。电压灵敏度还与电位器所通过的电流大小有关。教师教学笔记教学内容摘要补充资料1.1.2、非线性电位器非线性电位器是指在空载时其输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数。非线性电位器的主要功用如下：1.用非线性电位器使传感器获得非线性输出，以满足控制系统的各种特殊要求。2．使传感器获得线性输出特性。当传感器中有些环节出现非线性时，可把电位器设计成非线性的，而使传感器最后获得线性输出。3.在解算式传感器中，如导航仪、大气数据系统中，可采用非线性电位器来实现各种特定的函数运算。4．用非线性电位器消除电位器的负载误差，即在负载情况下，用非线性电位器来实现线性特性。按照实现非线性的原理下同，常用的非线性线绕电位器可分为变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。现以变骨架式为例说明其空载特性。变骨架式电位器如图2-7所示。其骨架高度h呈曲线变化。输出电阻。求取骨架高度h的变化规律。当电刷移动微小位移时，引起电阻变化，则 （2-8）式中：——骨架的宽度和高度——导线的导电截面积——导线节距，即相邻两导线间的距离——导线电阻率教师教学笔记教学内容摘要补充资料由式（2-8）可求得 （2-9）由于均为常数，而是的函数，所以是电刷位移的函数，且与特性曲线的导数有关。越大，则骨架高度越高，但高度太高了，绕线容易打滑。但也不能太小，更不能为零。因此为了保证足够的强度及工艺性，必须使。设非线性电位器输出空载电压为，流过电位器的电流为，为电源电压，为电位器总电阻。则式（2-9）还可表示为与输出电压之间的关系非线性电位器输出电阻（或电压）与电刷行程之间是非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线，其灵敏度与电刷位置有关，是变量。电阻灵敏度为教师教学笔记教学内容摘要补充资料电压灵敏度为1.2、应变式传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器的构造由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式传感器在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中仍有广泛的应用。截面积为的物体受到外力的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作，其值为应变是物体受外力作用时产生的相对变形，是一个无量纲的物理量。设物体原长度为，受力后产生的变形，若>0，则表示物体被拉伸；<0，则表示物体被压缩。其轴向应变定义为由于其量值非常小，常用微应变()作为单位，1=。若物体原半径为，受力后产生的变形，其径向应变定义为轴向应变和径向应变的关系可表示为教师教学笔记教学内容摘要补充资料 （2-13）式（2-13）中，为泊松比，负号表示应变方向相反。物体所受应力越大，其应变也将越大，胡克定律指明了应力和应变之间的关系。即当应力未超过某一极限值时，应力与应变成正比。其数学表达式为 （2-14）式（2-14）中，为弹性模量。弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。1.3、压阻式传感器金属丝式和箔式电阻应变片的性能稳定、精度较高，至今仍在不断地改进和发展中，并在一些高精度应变式传感器中得到了广泛的应用。这类传感器的主要缺点是应变丝的灵敏度系数小。为了改进这一不足，在20世纪50年代末出现了半导体应变片。应用半导体应变片制成的传感器，称为固态