第七章机械位移测量 青岛大学机电工程学院 第七章 机械位移测量 本章学习要求 了解各种机械位移传感器的原理、 性能指标、测量系统构成 位移是向量 机械位移 包括线位移和角位移 常用的机械位移传感器： ★ 电位器式传感器 适用于较大范围位移的测量，精度不高 ★ 电容式位移传感器 差动电感式位移传感器 电阻应 变式位移传感器 一般用于小位移的测量(几微米～几毫 米） ★差动变压器式传感器 用于中等位移的测量（几毫米～ 100mm左右），在工业测量应用的最多。 ★光栅 磁栅 感应同步器和激光位移传感器 用于位移 的精密，测量精度高（可达 ±μm ），量程可达几米。

第七章机械位移测量 第一节 电位器式位移测量传感器 电阻值或电压 位移 电位器式位移传感器

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电阻值或电压

一、典型的电位器式位移传感器 1、线绕电位器式位移传感器

阶梯误差
电刷引出
去掉绝缘皮
绝缘骨架

（1）组成结构

（2）线绕电位器的阻值范围在 100Ω～100kΩ （3）优点：结构简单、使用方 便；缺点：存在摩擦和磨损、有阶 梯误差、分辨率低、寿命短等。

分辨率：如果电位器总匝数为1000匝，对应 的工作行程为40mm，两固定端上加的电压为 12V，则电压分辨率为12/1000=0.012V，位移 分辨率为0.04mm

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2、非线绕式电位器位移传感器

（1）组成结构：目前常见的非线绕式电位器位移传感器是在绝 缘基片上制成各种薄膜元件，如合成膜式、金属膜式、导电塑料 和导电玻璃釉电位器等。

（2）优点：分辨率高、耐磨、寿命长和易校准等。 缺点：易受温度、湿度影响，难以实现高精度。 （3）独立线性度指标：是针对高精密电位器给出的。它是在 不考虑电位器两个端点附近线性度较差的区段而特指中间工作 区间的线性度。经过修刻的电位器可达0.1～0.025%。

●导电玻璃釉电位器 又称金属陶瓷电位器 ★制作 以合金、金属氧化物或难溶化合物等为导电材料，以 玻璃釉粉为粘合剂，经混合烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。 ★ 优点：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。

第七章机械位移测量 青岛大学机电工程学院 ★缺点：接触电阻变化大、噪声大、不易保证测量的高精度。 ●光电式电位器 是另一种非线绕式电位器。

★ 结构原理 一般采用氧化铝作基 体，其上沉积一条带状电阻薄膜和 一条高传导导电带，电阻带和导电 带之间留有一条很窄的间隙，在间 隙上沉积一层光导电体（硫化镉或 硒化镉）。当窄光束在电阻带、导 电带和光电导体层上照射并移动 时，导电体和电阻带导通。

光电导 基 电阻薄
体 体 膜
导电 窄光束
带

★ 优点：完全没有摩擦、磨损，不会对仪表系统附加任何力 或力矩，提高了仪表精度、寿命、可靠性，且分辨率也很高。 ★ 缺点：输出阻抗较高，需要匹配高输入阻抗放大器。因为 需要光源和光路系统，体积、重量增大，结构复杂，同时，线 性度不易做的很高。

第七章机械位移测量 二、电位器式位移传感器的负载特性及非线性误差

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设 电阻的相对变化率 电位器负载系数 电刷的相对行程 一般的测量电路 相对输出电压

此式为电位器式传感器的负载特性表达式

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当KL→∞，Y与r之间才为线性，即 空载情况下，输出电压U0才与机械 位移x成线性关系。KL越小非线性 越严重。

• 如何减小负载RL所造成的误差？

• ★如果是计算机辅助测量系统，可 以在标定过程中采用软件校正的方 法补偿负载等造成的非线性误差。

Y
KL=∞
r

• ★否则，采用一些硬件措施： 1）尽可能增大电位器的负载系数KL，如将传感器输出经高输入 阻抗放大器隔离后，再接测显电路。

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2）用半桥差动测量电路
当测量微小位移时，要增大R5, R5
一般取为电位器总电阻的100
倍，即R5≈100R
当电桥开路时，不平衡电桥输出
的电压为：
R1+ΔR1 R2-ΔR2
若
RL U 0
R3 R 4
结论：U0与ΔR1/R1成线性关系，差动
Ui
电桥无非线性误差；电压灵敏度为
Ui/2，比使用单只应变片提高了一倍
半桥差动电路

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3）并联电阻RM

4）限制电位器的工作范围

负载误差：RL≠∞的电位器输出特性曲线与空载特性曲线之 差。通过求负载误差的极值可知在r=2R/3附近，负载误差最 大。

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为避免产生最大负载误差，最简单的做法就是限制电位器的 工作范围，使之不超过2L0/3。此外，为了不浪费电位器1/3的 资源，可以用一个电阻R0=R/2来代替电位器被限制使用的部 分。为保持原来的灵敏度，可提高工作电压。

5）选用非线性电位器式位移传感器

空载时传感器输出电压U与位移x为非线性 二者综合，减 小非线性误差 负载RL产生的非线性

第七章机械位移测量 青岛大学机电工程学院 第二节 电阻应变式位移传感器 特点：线性好、分辨率高、结构简单和使用方 便等。 测量范围：0.1μm～0.1mm 测量精度：＜2％ 线性度： 0.1%～0.5% 应变片式位移传感器 弹 外 测 调 原理： 悬 测 臂 簧 壳 量 整 量 梁 杆 螺 头 母 应 变 1）拉伸弹簧和悬臂梁串联作为弹性元件。片 2）矩形截面悬臂梁根部正反两面贴4片应变片。 3）拉伸弹簧一端与测量杆连接。测量杆随试件位移→弹簧使 悬臂梁根部弯曲→应变片阻值变化。