位移检测传感器之电阻式

如果电阻丝直径（S)和材质(ρ)一定时，则电阻 值随导线长度L而变化。根据这一原理制成电位 计
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电位计结构：
电位计是一种常用的机电元件。通常由骨架、电阻元件 （线圈）及电刷（滑动触点）等零件组成。其形式有直滑式 和旋转式。旋转式有单圈和多圈两种。
（a） 直滑式； (b) 单圈旋转式； (c) 多用位移的测量方法：机械法、光测法、电测法。本 章主要介绍电测法
——电测法：利用各种传感器将位移量变换为电量或 电参数，再经后接测量仪器进一步变换完成对位移检 测的一种方法。
——电测法测量位移常用的传感器有电阻式、电容式、 涡流式、压电式、感应同步式、磁栅式、光电式等
位移测试传感系统由传感器、变换电路、显示装置或 记录仪器三部分组成。
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电位计结构：
（1）电阻元件通常由极细的绝缘导线按照一定规律整齐地绕 在一个绝缘骨架上形成。在它与电刷接触的部分，去掉绝缘 导线表面的绝缘层并抛光，形成一个电刷可在其上滑动的光 滑而平整的接触道。电阻元件除了由极细的绝缘导线绕制外， 还可以采用具有较高电阻率的薄膜制成。
——电位计的电阻元件通常有线绕电阻、薄膜电阻、导电塑料 （即有机实心电位计）等。
➢ 电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、 转动或螺旋运动，因而可以将直线位移、转角
等机械量转换成电阻变化。
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电位计工作原理：
根据电工知识，电位计的位移 →电压转换原理如图所示。 设电阻 体的长度为l，电阻值为R，两端所 加（输入）电压为Ui，则滑动端输 出电压为
Uo
Ui l
x
式中，x为位移量。
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电位计结构： 线绕电位器
b x
R a bc
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电位计类型：
——按电位计的结构形式可分为：直线位移型、角位移型和 非线形型。 ——按电位计的输入/输出特性可分为：线性电位器、非线 性电位器
图2-1 电位计的结构类型
（a）直线位移型；（b）角位移型；（3）非线性型
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电位计工作原理：
➢ 电位计是通过滑动触点把位移转换为电阻 丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进 而再将这种变化值转换成电压或电流的变 化值。
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（1）线性电位计的空载特性
线性电位计：其单位长度（或转角）的电阻值是 常数。
（以直线电位计为例），如下图 ——电位计电阻长度为L，总电阻为R,电刷位移X,相应的电
阻为Rx,电源电压Ui,输出电压U0
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（1）线性电位计的空载特性
若电位器为空载（RL=∞）时 ,即空载特性为:
R Rx L x KR x
——因此绕线电位计的电阻和电压输出空载特性并不是一条理 想直线，而是阶梯状，称为阶梯特性。如图所示
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局部剖面和阶梯特性 20
线绕电位计的阶梯误差和分辨率 ——从右图中可见,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。通过 阶梯中点的直线是理论特 性线，阶梯特性在其上下 波动，这种输出误差称为 阶梯误差，该误差是一种 原理误差。它限制了线绕 电位计的精度和分辨力。 （如图所示）
第二章 位移检测传感器
位移是指物体的某个表面或某点相对于参 考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角 位移两种。
线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离； 角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。
在机械工程中经常要精确测量零部件的位移 或位置，并且力、压力、扭矩、速度、加速度、 温度、流量等参数也可经转换为位移进行测量。
KR 电位计的电阻灵敏度（ / m）
——电位计输出空载电压为:
Uo
Ui R
Rx
Ui L
x
Kux
Ku——电位计的电压灵敏度(V/m)，当电位计结构及电源电 压确定后， Ku和KR为常数，线性电位计输出与电刷位移 （或）转角呈线性关系。
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线绕电位计
线绕电位计电阻元件由康铜 丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝 绕制， 因而能承受较高的温度， 常被制成功率型电位计， 其额 定功率范围一般为0.25～50 W， 阻值范围为100 Ω～100 kΩ。 对于线绕电位计，
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电位计结构：
（2）电刷通常由具有一定弹性的耐磨金属薄片或金属丝制成， 接触端处弯曲成弧形。利用电刷与电阻本身的弹性变形产生 的弹性力，使电刷与电阻元件有一定的接触压力，以使两者 在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。 线圈绕于骨架上，电刷可在绕线上滑动，从一匝滑到另 一匝，当滑动电刷在绕线上的位置改变时，改变了绕线的长 度，从而改变了电阻。
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电位计优缺点：
优点：电位计结构简单；价格低廉；对环境条件要求不高；输 出信号大，易于转换（一般不需要放大就可以直接作为输 出）；性能稳定，并容易实现任意函数关系。
缺点：要求输入能量大（触点始终存在摩擦和损耗。由于有摩 擦，就要求电位计有比较大的输入功率，否则就会降低电位 计的性能）；由于电刷与电阻元件之间有摩擦，容易磨损， 产生噪声干扰，因此可靠性不太好，灵敏度较低，分辨力有 限， 精度不够高， 动态响应较差，仅适于测量变化较缓慢 的量。
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线绕电位计的阶梯特性 ——对于线绕电位计，电阻丝是一匝一匝地绕在骨架上的， 即使电刷在电阻元件上是连续滑动的，它与导线的接触仍是 以一匝一匝为单位移动的，而不是连续实现的，当电刷离开 这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此电阻 是呈阶梯变化的，这样导致输出电压随着电刷的移动而出现 阶跃变化，电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,当电位计 有W匝时，就会产生W个电压阶梯,。
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第一节：参量型位移传感器
参量位移传感器的工作原理是将被测物理量转化为电参数， 即电阻、电容或电感等。
被测物理量
传感器
电参数（电阻、 电容、电感
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第一节：参量型位移传感器
一、电阻式位移传感器
电阻：实际的金属导体的电阻与导体的尺寸及材料的导电性能有关 。
R l
S
式中ρ称为电阻率，是表示材料对电流起阻碍作用的物理量。l 是导体的 长度， S 为导体的截面积。
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一、电阻式位移传感器
从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度 L或截面积S)中的一个或数个发生变化，则电阻值 随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。电位 计和应变片就是根据这一原理制成的。 例如， ——若改变长度L，则可制成电位计； ——改变L、S则可制成电阻应变式
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一、电阻式位移传感器
（一）电位计