任務(wù)5電位器式位移傳感器課件

1、任務(wù)5 電位器式位移傳感器 5.1 基礎(chǔ)知識5.1.1 電位器式角位移傳感器結(jié)構(gòu)原理 電位器式位移傳感器通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。普通直線電位器和圓形電位器都可分別用作直線位移和角位移傳感器。圖1所示為電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。 圖1 位移傳感器工作原理 物體的位移引起電位器移動端的電阻變化，阻值的變化量反映了位移的量值，阻值的增加還是減小則表明了位移的方向。輸入與輸出可用下式表示： 式中：U0 為傳感器輸出信號電壓；x為被測量位移；L 為傳感器敏感電阻長度；Ui 為輸入電壓，可以是直流，也可以是交流。 角位移傳感器的性能指標主要有靈敏度、線性

2、度、穩(wěn)定性等，下面分別進行討論： （1）傳感器輸出線性度 它是指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離直線的程度，有零基線性度、端基線性度、獨立線性度及絕對線性度等四種表示方法。線性度定義如圖2所示，定義式為：圖2 線性度示意圖 式中： 為傳感器在全量程上的最大偏差值； 為傳感器的量程。 （2）獨立線性度。從具有斜率和它所在位置的參考直線的實際函數(shù)特性的最大偏差，選擇最小化的最大偏差，它是由總施加電壓的百分比來表示的。在指定的理論電氣行程上測量其大小。如圖3所示：圖3 獨立線性度示意圖 （3）絕對線性精度絕對線性度要比獨立線性度更難以取得。因為它是來自所有被定義的參考直線的實際函數(shù)特性最大

3、偏差。它用總施加電壓百分比來表述，在理論電氣行程上測量其值。在實際輸出上要求有一個索引參考點。 直線的參考線也許是由指定的上下兩條理論上的端輸出比率所有定義的線相對于各自的理論電氣行程。除非另有說明,這些端輸出比率分別是(0，0)和(1，0)。絕對線性度的數(shù)學表達式：e/E = A(/T)+B +/-C其中A是給定的斜率，B是=0時的截矩，除非另有說明：A=1，B=0。 （4）靈敏度。傳感器輸出的變化量Y與引起此變化量的輸入變化量X之比即為靜態(tài)靈敏度，表達示為： 傳感器的校正曲線的斜率就是其靈敏度。線性傳感器，斜率處處相同，靈敏度K是一個常數(shù)。由于某種原因，會引起靈敏度變化，產(chǎn)生靈敏度誤差。即

4、： （5）輸出平滑性。輸出平滑性是指傳感器在測量時，輸出信號隨時間的穩(wěn)定性，如圖4所示。 輸出平滑性受到接觸阻抗的變化，分辨率和在輸出中其他微量非線性輸出的影響，是影響傳感器性能的重要指標之一?？捎孟率奖硎荆?式中：UCC：峰-峰值最大變化，輸出信號的最大波動值；U0：傳感器的理論輸出信號電壓。 圖4 輸出平滑性示意圖 圖5 使用功耗與溫度關(guān)系圖 （6）降功耗曲線。傳感器的輸出功率與溫度之間的關(guān)系稱為降功耗曲線。一般以傳感器在-55 到70 時功耗為100 %，70 到125 之間時功耗開始下降直至零。所以在使用時應(yīng)注意環(huán)境溫度與功耗的關(guān)系。其關(guān)系圖如圖5所示：圖6 遲滯特性圖 （7）遲滯。傳

5、感器在正反行程中的輸出輸入曲線不重合性稱為遲滯。遲滯可用偏差量與滿量程輸出之比的百分數(shù)表示，如下式：式中：Hmax正反行程間輸出的最大差值；YFS為傳感器的滿量程輸出。遲滯特性如圖6所示。 （8）重復性。重復性是指傳感器在輸入按同一方向做全量程連續(xù)多次變動時所得的特性曲線不一致的程度。 實際輸出校正曲線的重復特性，正行程最大重復性偏差為Rmax1，反行程最大重復性偏差為Rmax2。重復性誤差取這兩個最大偏差之中較大者Rmax除以滿量程輸出y的百分數(shù)表示： 檢測時也可以選取幾個測試點，對應(yīng)每一個點多次從一個方向趨進，獲得輸出值系列yi1，yi2，yi3，yin算出最大值與最小值之差為重復性偏差R

6、i，在幾個Ri中取出最大值作為重復性誤差。 重復特性如圖7：圖7 重復特性示意圖 （9）分辨率與閥值。分辨率是指傳感器在規(guī)定測量范圍內(nèi)能檢測出被測輸入量最小變化值。有時對該值相對滿量程輸入值的百分數(shù)表示為分辨率。閥值是能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨能力。有的傳感器在零位附近非線性嚴重，形成“死區(qū)”，則將這個區(qū)的大小稱為閥值；更多情況下閥值主要取決于傳感器噪聲的大小。傳感器能檢測出被測量的最小變化值一般相當于噪聲電平的若干倍，用公式表示： 式中：M被測量最小變化量值；c系數(shù)；N噪聲電平；K傳感器靈敏度。 （10）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性又稱長期穩(wěn)定性，即傳感器在相當長的

7、時間內(nèi)保持其原性能的能力。穩(wěn)定性一般以室溫條件下經(jīng)過一定規(guī)定時間間隔后，傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示，有時也用標定的有效期來表示。 （11）漂移。漂移指在一定時間間隔內(nèi)，傳感器的輸出存在著與被測輸入量無關(guān)的，不需要的變化。漂移常包括零點漂移和靈敏度漂移。 零點漂移或靈敏度漂移又可分為時間漂移和溫度漂移，又稱時漂和溫漂。時漂是指在規(guī)定的條件下，零點或靈敏度隨時間的緩慢變化；溫漂是指由周圍溫度變化所引起的零點或靈敏度的變化。傳感器的零漂可表示為：Y0：最大零點偏差；YFS：滿量程輸出。 （12）精確度。精確度的評價指標有三個：精密度、正確度和精確度。 精密度：該指標是指對某一穩(wěn)定

8、的被測量有同一測量者用同一傳感器和測量儀表在相當短的時間內(nèi)連續(xù)重復測量多次（即等精度測量）所得測量結(jié)果的分散程度。其值越小說明測量越精密。 正確度：它說明測量結(jié)果偏離真值大小的程度，即測量結(jié)果有規(guī)則偏離真值的程度。反映所測值與真值的符合情況。 精確度：通常精確度是以測量誤差的相對值來表示的。傳感器與測量儀表精確度等級A以一系列標準百分數(shù)值（如0.001，0.005，0.02，0.05，1.5，2.5，）進行分檔。這個數(shù)值是傳感器和測量儀表在規(guī)定條件下，允許的最大絕對誤差值相對于其測量范圍的百分數(shù)。5.1.2 電位器式角位移傳感器基本結(jié)構(gòu) 目前，電位器式角位移傳感器最典型的是精密導電塑料角位移傳

9、感器，它主要由電阻體、轉(zhuǎn)軸及電刷組件和殼體等幾部分組成，整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中，由導電塑料膜與絕緣基體組成的電阻體的制備是確保傳感器精度的基礎(chǔ)，電刷組件是保證傳感器精度及其機械壽命的關(guān)鍵。對整個結(jié)構(gòu)的總體要求是在保證機械強度及其電氣性能的基礎(chǔ)上盡量減小結(jié)構(gòu)尺寸，使傳感器的結(jié)構(gòu)盡量緊湊，以便于安裝使用。圖8 精密導電塑料電位器式角位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 （1）傳感器電阻體的結(jié)構(gòu).導電塑料是一層薄膜，為了得到一定的機械強度，需要噴涂在絕緣性能良好的塑料基體上構(gòu)成傳感器的電阻體，以保證電阻體具有足夠的機械強度和電阻穩(wěn)定性。因此，電阻體是傳感器最重要的構(gòu)件，它是個扁平圓柱體，如圖9所示。主要由三部分組

10、成：一是絕緣基體；二是導電塑料薄膜；三是引出電極。圖9 傳感器電阻體的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 （2）轉(zhuǎn)軸及電刷組件的結(jié)構(gòu)。電刷轉(zhuǎn)軸組件主要由轉(zhuǎn)軸、軸承、墊片、擋環(huán)、絕緣軸套、集流環(huán)、電刷臂等零件組成，如圖10所示。圖10 轉(zhuǎn)軸組件裝配圖 （3）外殼的結(jié)構(gòu)。傳感器外殼由底座、端蓋和緊固圈三部分組成，材料采用高強度鋁合金，結(jié)構(gòu)如圖13、圖14和圖15所示，圖中尺寸與傳感器型號有關(guān)，圖中的尺寸以16型為例。 圖13 底座圖14 端蓋 圖15 緊固圈5.1.3 電位器式角位移傳感器類型根據(jù)敏感電阻材質(zhì)分為金屬膜傳感器、導電塑料傳感器、光敏電阻式傳感器、磁敏式傳感器、金屬玻璃釉傳感器、繞線電阻式傳感器。 （1）導電

11、塑料電位器。導電塑料電位器又稱為有機實心電位器，這種電位器的電阻體用特殊工藝將DAP（鄰苯二甲酸二稀丙脂）電阻漿料覆在絕緣機體上，加熱聚合成電阻膜，或?qū)AP電阻粉熱塑壓在絕緣基體的凹槽內(nèi)形成的實心體作為電阻體。導電塑料電位器的耐磨性和平滑性好，使用壽命長，動噪聲小，可靠性極高，允許電刷接觸壓力很大，耐化學腐蝕等十分優(yōu)良的特性。因此它在振動、沖擊等惡劣的環(huán)境下仍能可靠地工作。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。它可以用于宇宙裝置、導彈、飛機雷達天線的伺服系統(tǒng)等各種場合，是目前最為常用的角位移傳感器。 （2）線繞電位器式角位移傳感器。線繞電位器的電阻體由電阻絲纏繞在絕

12、緣物上構(gòu)成，電阻絲的種類很多，電阻絲的材料是根據(jù)電位器的結(jié)構(gòu)、容納電阻絲的空間、電阻值和溫度系數(shù)來選擇的。電阻絲越細，在給定空間內(nèi)越獲得較大的電阻值和分辨率。但電阻絲太細，在使用過程中容易斷開，影響傳感器的壽命。 （3）合成膜電位器。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成的，這種電位器的優(yōu)點是分辨率較高、阻范圍很寬（100-4.7 M），耐磨性較好、工藝簡單、成本低、輸入輸出信號的線性度較好等，其主要缺點是接觸電阻大、功率不夠大、容易吸潮、噪聲較大等。 （4）金屬膜電位器。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，沉積在陶瓷基體上一

13、層薄膜制成。金屬膜電位器具有無限的分辨率，接觸電阻很小，耐熱性好，它的滿負荷溫度可達70 。與線繞電位器相比，它的分布電容和分布電感很小，所以特別適合在高頻條件下使用。它的噪聲信號僅高于線繞電位器。金屬膜電位器的缺點是耐磨性較差，阻值范圍窄，一般在10-100 k之間。由于這些缺點限制了它的使用。 （5）導電玻璃釉電位器。導電玻璃釉電位器又稱為金屬陶瓷電位器，它是以合金、金屬化合物或難溶化合物等為導電材料，以玻璃釉為粘合劑，經(jīng)混合燒結(jié)在玻璃基體上制成的。導電玻璃釉電位器的耐高溫性好，耐磨性好，有較寬的阻值范圍，電阻溫度系數(shù)小且抗?jié)裥詮姟щ姴Ａв噪娢黄鞯娜秉c是接觸電阻變化大，噪聲大，不易保證測

14、量的高精度。 （6）光電電位器式傳感器。光電電位器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷，圖16是這種電位器的結(jié)構(gòu)原理圖。光電電位器主要是由電阻體、光電導層和導電電極組成。光電電位器的制作過程是先在基體上沉積一層硫化鎘或硒化鎘的光電導層，然后在光電導層上再沉積一條電阻體和一條導電電極。在電阻體和導電電極之間留有一個窄的間隙。平時無光照時，電阻體和導電電極之間由于光電導層電阻很大而呈現(xiàn)絕緣狀態(tài)。當光束照射在電阻體和導電電極的間隙上時，由于光電導層被照射部位的亮電阻很小，使電阻體被照射部位和導電電極導通，于是光電電位器的輸出端就有電壓輸出，輸出電壓的大小與光束位移照射到的位置有關(guān)，從而實現(xiàn)了將光束

15、位移轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。 圖16 光電導型位移傳感器結(jié)構(gòu)原理 光電電位器最大的優(yōu)點是非接觸型，不存在磨損問題，它不會對傳感器系統(tǒng)帶來任何有害的摩擦力矩，從而提高了傳感器的精度、壽命、可靠性及分辨率。光電電位器的缺點是接觸電阻大，線性度差。由于它的輸出阻抗較高，需要配接高輸入阻抗的放大器。盡管光電電位器有著不少的缺點，但由于它的優(yōu)點是其它電位器所無法比擬的，因此在許多重要場合仍得到應(yīng)用。5.3 任務(wù)實施：電位器式角位移變送器 電位器式角位移傳感器要用于位移時的檢測，還需要對其輸出的電壓信號進行必要的轉(zhuǎn)換，在控制系統(tǒng)中一般都需要標準的電流或電壓信號，這里介紹一種用XTR101將電位器式傳感器信號轉(zhuǎn)

16、換成4-20 mA標準信號的位移變送器。 XTR101是由美國BB公司開發(fā)的4-20 mA兩線制通用變送器集成芯片，DIP封裝的管腳排列如圖17所示。 圖17 XRT101管腳排列圖 工業(yè)現(xiàn)場的電動閥門、電閘等電動執(zhí)行機構(gòu)的位置、位移、中央空調(diào)送風系統(tǒng)的風壓等，都可以選用導電塑料型電位器式位移傳感器與XTR101組成的位移變送器，將位移信號變成4-20 mA的標準電流信號，用以驅(qū)動相應(yīng)的控制機構(gòu)，來調(diào)整和控制角位移量或是設(shè)備運行狀態(tài)。下面介紹由導電塑料角位移傳感器與XRT101組成的角位移變送器原理，有條件的可安排學生進行實物制作。 導電塑料電位器具有分辨力強、能耐受環(huán)境影響、耐磨性能好、長壽

17、命(50 00萬次)、高精度(土0.1 %)、高可靠、低噪音等優(yōu)點。導電塑料電位器與XTR101組成的位移變送器電路原理如圖18所示，其中RC為角位移傳感器的電阻，應(yīng)選用幾百歐左右的小電阻傳感器，受l mA恒流激勵，它與R8、R9組成一比例控制測量電路，R8、R9和RC這3個電阻所組成的比例測量電路應(yīng)保證輸入3腳的電壓不超過1 V且不低于100 mV，以保證變送器正常工作。RC的動臂與被控轉(zhuǎn)動機構(gòu)連接，用于被控信號的采集，輸出的變化電勢直接給XTR101的3腳。R10和R2串接，受l mA恒流激勵，組成一分壓電路，為XTR101的4腳提供一個固定的基準電勢，這個基準電勢的大小與角位移的控制要求

18、有關(guān)，應(yīng)根據(jù)測量與控制要求進行選取，但要保證輸入4腳的基準電壓不超過1 V。經(jīng)XTR101的差分比較、放大和V/I轉(zhuǎn)換，輸出一個標準的4-20 mA電流，供整個系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)用。圖18 角位移與XRT101構(gòu)成的變送器原理圖5.3 拓展學習：電位器式線位移傳感器 電位器式線位移傳感器是測量和控制位移、距離、伸長、移動、厚度、振動、膨脹、液位、壓縮，應(yīng)變等等物理量的有力工具。它通過特定的機電結(jié)構(gòu)將直線位移量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再由測量電路變成電壓信號輸出，與電位器式角位移傳感器工作原理一樣，不同的是其機電構(gòu)造有所區(qū)別，將角位移的轉(zhuǎn)動方式變成了往復滑動方式。目前，隨著變送技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有能輸出電流、

19、電壓、或SSI等多種信號的智能型線位移測量傳感器。可廣泛應(yīng)用于航天、航空、電力、水利、石油化工、機械、軍工、醫(yī)療、紡織、汽車、煤炭、地震監(jiān)測、高等院校及科研院所等各領(lǐng)域，既可與儀表配套使用，也可以單獨使用。 （1）電位器式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理。導電塑料線位移傳感器根據(jù)位移實現(xiàn)形式不同有拉桿式和壓桿式兩類，基本原理與角位移傳感器是一樣的，但在具體結(jié)構(gòu)上有較大差異，電阻軌道是直線型分布的。圖20為拉桿式結(jié)構(gòu)，測量位移時測桿被拉出。主要由接線柱（1）、導向桿（2）、底座（3）、密封蓋（4）、絕緣襯（5）、電刷（6）、測量桿（7）、復位彈簧（8）、導電塑料膜（9）和電阻基體（10）組成。測量桿與導向桿

20、空套在一起，導向桿一端固定在底座上，絕緣襯與導向桿空套聯(lián)接，與測量桿和電刷則是用粘結(jié)劑粘貼固定，使電刷能與測量桿一起沿導向桿滑移。電刷有四到六個觸頭，分別與兩條電阻軌道接觸，使兩條電阻構(gòu)成一個可變電阻結(jié)構(gòu)，一條為主電阻，兩端均有電極聯(lián)出，一條為輔助電阻，只有一端有電極，這樣構(gòu)成傳感器的三個電極，使位移的變化轉(zhuǎn)換成電阻的改變，實現(xiàn)位移的測量。圖20 拉桿式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理圖21 壓桿式線位移傳感器結(jié)構(gòu)原理 上圖為壓桿式，測量時測桿被壓進傳感器內(nèi)，結(jié)構(gòu)基本上與拉桿式相同，也是由接線柱、導向桿、底座、上蓋、絕緣襯、電刷、測量桿、復位彈簧、導電塑料膜和電阻基體等組成。區(qū)別在于復位彈簧的位置，壓桿式

21、的復位彈簧在導向桿與絕緣襯之間，將測量桿頂出傳感器底座外面，而拉桿式的復位彈簧將測量桿壓在傳感器底座內(nèi)。 圖22為導電塑料線位移傳感器的電阻體結(jié)構(gòu)，在絕緣基體上噴涂或印刷兩條電阻軌道，方法與角位移的電阻體相似，兩端有涂銀電極層，與輸出電極聯(lián)接。電阻軌道的寬度和厚度與傳感器的型號大小有關(guān)，一般在3 mm寬，0.02 mm厚左右。圖22 敏感電阻元件圖23 電刷圖23為傳感器的電刷結(jié)構(gòu)，采用鈀金合金材料，厚度在0.5 mm左右，結(jié)構(gòu)型式比較多，主要根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)要求而定。為使接觸平穩(wěn)，故采用分叉結(jié)構(gòu)，由2到3個觸頭構(gòu)成一組，以便獲得更好 的接觸效果，降低接觸噪聲。圖24 底座 圖24為傳感器底座，

22、可采用鑄鋁材料，底部為安放電阻基體的槽，兩端開的中心大小不同，一力裝導向桿，需緊配合，一邊穿測量桿，是松配合?？拷撞侩娮璨厶庛@直徑為3 mm的通孔，用于裝接線柱，接線柱與底座之間要絕緣隔開，采用粘結(jié)劑聯(lián)接。接線柱與銀電極之間焊有合金絲引線，以將導電塑料電阻膜與接線柱相聯(lián)。為了提高測量時移動的靈活性可適當加潤滑脂潤滑。底座也可用鋁型材，如方管或圓管，視具體需要而定，用型材時需設(shè)置兩邊端蓋，此時兩端蓋的中心孔要有保持良好的同軸度，不然會使移動不順，產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。 （2）電位器式線位移傳感器類型 電位器式線位移傳感器的類型主要有拉桿式和滑動式兩類。 通用拉桿式導電塑料電位器式線位移傳感器已經(jīng)有系列

23、產(chǎn)品，國內(nèi)有多家生產(chǎn)企業(yè)，有效行程在75 mm-1 250 mm之間，兩端均有4 mm緩沖行程，精度0.05 %-0.04 %FS。外殼表面陽極處理，防腐蝕能力強。內(nèi)置導電塑料測量單元無溫漂、壽命長，具有自動電氣接地功能。密封等級為IP67，自帶DIN430650標準插頭插座，可以適用在大多數(shù)通用場合。拉桿球頭具有0.5 mm自動對中功能，允許極限運動速度為10 m/s。 通用滑動式導電塑料電位器式線位移傳感器也有系列產(chǎn)品，有效行程75 mm-3 000 mm，兩端均有4 mm緩沖行程，精度0.05 %-0.02 %FS。外殼表面陽極處理，防腐蝕性強，內(nèi)置導電塑料測量單元無溫漂、壽命長，具有自

24、動電氣接地功能，密封等級為IP54(向下安裝時為IP57)，自帶DIN430650標準插頭插座，可以適用在大多數(shù)通用場合，特別是長度方向受到限制、對中較困難的場合。拉桿配合球頭具有10 mm自動校正功能，允許極限運動速度為10 m/s。 （3）電位器式線位移傳感器應(yīng)用場合 KTC、KTM、LS型拉桿結(jié)構(gòu)為一般通用結(jié)構(gòu)，配合可選拉球萬向頭或魚眼萬向頭，可以減少因安裝的非對中性而帶來的不良影響，適用于注塑機，紡織機械，木工機械等行業(yè)；KPC、KPM兩端固定帶絞接運動型，適合擺動運動，傳感器本體無法固定在測量系統(tǒng)中,會隨著測量運動而運動；KTF、KFM滑塊型適應(yīng)最小安裝長度尺寸小的場合，配合加長臂，

25、可以消除安裝時的非對中帶來的不良影響；KTR型是一款微型自恢復式拉桿結(jié)構(gòu)，無需牽引安裝；KPF型法蘭面固定結(jié)構(gòu)則可以檢測腔體內(nèi)部位移。 （4）電位器式線位移傳感器的選用 這種傳感器選用時要根據(jù)以下幾方面進行：一是根據(jù)測量要求達到的準確度和線性度來選擇傳感器的線性精度等級和分辨力大?。欢歉鶕?jù)測量要求的最大幅值來選擇傳感器的合理量程范圍；三是根據(jù)測量環(huán)境中的振動、粉塵、溫濕度等狀況合理選擇傳感器的密封等級、抗振動等級等情況；四是根據(jù)測量或控制要求達到的速度來選擇傳感器的工作速度；五是按經(jīng)濟原則合理選擇傳感器的使用壽命，以符合最佳性價比要求。 （5）電位器式線位移傳感器使用要求 首先，供電電壓要穩(wěn)

26、定。工業(yè)電源要求0.1 %的穩(wěn)定性，如基準電壓10 V，允許有0.01 V的波動，否則會導致顯示的不穩(wěn)定，會導致測量不準確。只要顯示波動幅度不超過波動電壓的波動幅度，位移傳感器電子尺就屬于正常工作。 其次，在使用操作過程中要防止靜電干擾。靜電干擾和調(diào)頻干擾很容易使電位器式線位移傳感器顯示數(shù)字跳動。設(shè)備的強電線路與傳感器的信號線要分開線槽。傳感器應(yīng)使用強制接地，且使傳感器外殼良好接地，信號線要使用屏蔽線，且在電源一側(cè)應(yīng)將屏蔽線接地。靜電干擾時，一般萬用表的電壓測量非常正常，但是顯示數(shù)字跳動，高頻器干擾時其現(xiàn)象也一樣。 第三，不能接錯三條線。傳感器的“1”、“3”線是電源線，“2”是輸出線，除電源線(“