6微位移测量学案.ppt

几何量电子传感测量;微位移测量 ;概述;位移传感器;;位移传感器的分类;;电阻式位移传感器;电位器式传感器;结构和工作原理 线圈绕于绝缘骨架上，滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时，电阻值随位移发生变化。;;电位器式传感器的转换原理 　　根据电工知识，我们很容易理解电位器的电压转换原理。 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 ;电位器式传感器的结构与类型 　　电位器由电阻元件、 电刷、 骨架等组成。 其形式有直滑式和旋转式， 旋转式有单圈和多圈两种。 电刷由触头、 臂、 导向及轴承等装置组成； 触头常用银、 铂铱、 铂铑等金属； 电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料； 骨架常用陶瓷、 酚醛树脂及工程塑料等绝缘材料。 电阻元件有线绕电阻、 薄膜电阻、 导电塑料电阻、 导电玻璃釉电阻等。 ;电位器式传感器的应用;2、液面高度测试仪;;应变式传感器 ;　　应变式传感器具有以下优点： 　　（1） 测量范围宽、精度高，如测量力可达10-1～106N、 0.05% F.S，测量压力可达10～1011Pa、0.1% F.S，测量应变可达με～kμε级； 　　（2） 动态响应好，一般电阻应变片响应时间为10-7s， 半导体式应变片响应时间达10-11s； 　　(3) 结构简单，使用方便，体积小，重量轻；品种多，价格低， 耐恶劣环境， 易于集成化和智能化。 ;应变效应与应变灵敏度 　　1. 金属导体的电阻应变灵敏度 　　金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。在温度一定时， 其电阻定律为 ;　　当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化。经证明可得 ;　　2. 半导体的压阻效应与压阻系数 　　对于半导体材料， 在某一晶向施加一定应力σ时， 其电阻率将产生较大的变化， 而几何尺寸变化很小，这种现象称为压阻效应。 相应的， 半导体应变电阻也常称为压阻元件。 半导体材料压阻灵敏度为 ;　1. 电阻应变片的类型与结构 　　1） 金属电阻应变片 　　金属电阻应变片的类型和结构如图所示， 它有丝式、 箔式和薄膜式。 其中，图（a）为其结构示意图， 敏感栅粘贴在基底上， 上面覆盖保护层。 基底有纸基和胶基两种。 应变片的纵向尺寸为工作长度， 反映被测应变， 其横向应变将造成测量误差。 圆角丝栅横向应变灵敏度高， 误差较大， 但耐疲劳性好， 一般用于动态测量。 直角丝栅横向应变灵敏度小， 因而精度高， 但耐疲劳性差， 适用于静态测量。 ;　　箔式电阻应变片是用光刻技术将康铜或镍铬合金箔腐蚀成栅状而成。 其丝栅形状可与应力分布相适应， 制成各种专用应变片。它的电阻值分散度小， 可做成任意形状， 易于大量生产， 成本低， 散热性好， 允许通过大的电流， 灵敏度高， 耐蠕变和耐漂移能力强。 薄膜应变片是采用真空镀膜技术在很薄的绝缘基底上蒸镀金属电阻材料薄膜， 再加上保护层形成的。 其优点是灵敏度高， 允许通过大的电流。;图3-4 金属电阻应变片 ;　　2） 半导体应变片 　　半导体应变片有体型、 薄膜型和扩散型等形式。 图3-5是体型半导体应变片结构示意图， 它由基片1、 条状半导体2、 引线3组成。 体型半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体材料经过切割、 研磨、 切条、 焊引线、 粘贴等工艺过程制成的。 ;体型半导体应变片结构示意图 ;应变片主要技术参数 ;;电容式传感器 ;　　1.改变极板间距离的平板电容式传感器 　　如图（a）所示，设A板为一固定极板，B板为一可动极板，当B板随被测位移x移动时， 两板间距离d就发生变化，从而改变电容量。由图（b）可知其特性为非线性，但若Δd很小时， 则可以近似为线性特性， 而且具有很高的灵敏度（d/d=Δc/c)。如图（c）所示为差动式结构， 可以提高灵敏度、减小非线性。 ;平板电容式传感器 (a) 变极距式示意图； (b) 变极距式的特性； (c) 差动式示意图 ;　　2. 改变极板间有效面积的电容式传感器 　　改变极板间有效面积的电容式传感器常见的有以下四种： 平板式、 扇形平板式、柱面板式和圆筒面式，如图3-8所示。 同样它们也可以做成差动式。平板式和圆筒面式用于测量直线位移， 扇形平板和柱面板式用于测量角位移。变面积式电容传感器的特性为线性特性，测量范围宽，但灵敏度较低。 圆筒面电容式传感器的电容值可表示为 ;图3-8 改变极板间有效面积的电容式传感器 （a） 平板式；（b） 扇形平板；（c）柱面板式；（d）圆筒面式 ;　　3. 改变极板间介质的电容式传感器 　　这种传感器的电极间相互位置没有任何改变，而是靠改变极板间介质高度来改变其电容值的。设被测介质的相对介电常数为εr1，空气的相对介电常数为εr0＝1，