wds35型角位移传感器的设计

摘 要

导电塑料位移传感器（WDS）采用导电塑料电位器作主要元件，内置信号变送器，能直接将机械位移量变换成0～10V或4～20mA的输出信号。导电塑料位移传感器具有长寿命、高可靠性、高精度等优点，分辨率在理论上达到无限小，响应时间几乎为零，由于信号变换完全基于直流方式，所以外围电路十分简洁，抗干扰性能相当好，不存在外界磁场产生的不良影响，另外导电塑料采用了化学性能和物理性能非常稳定的DAP树脂，由此做成的导电塑料位移传感器能适用在高温、潮湿、盐雾等腐蚀性气体的环境中。传感器结构主要由电阻元件、轴、电刷、壳体、盖、敏感元件，电极等组成。本课题设计的WDS35型角位移传感器，采用导电塑料作为敏感材料，电刷组件确保电刷片在导电塑料膜上的压力恒定，电源采用10V高精度恒流恒压电源，可用于角位移参数测量。本课题设计的传感器与其他的测位移用的传感器相比，具有摩擦阻力小和分辨率高，且具有高精度、高可靠性和高抗干扰能力，而且使用寿命特别长等优点，可在恶劣环境下工作，测量范围可以达到120°，在360°范围内可自由旋转，可广泛应用于阀位控制、液压泵控制，曲柄反馈，机器人等领域。

关键词：角位移传感器；导电塑料；电刷组件；绝缘基体

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目录

第1章 绪论 ............................................................................................................................................. 1

1.1 目的和意义 ..................................................................................................................................... 1

1.2 应用领域 ......................................................................................................................................... 1

1.3 国内外发展概况 ............................................................................................................................. 1

1.4 发展展望 ......................................................................................................................................... 4

第2章 设计要求 ...................................................................................................................................... 5

2.1 设计任务 ......................................................................................................................................... 5

2.2 基本要求 ......................................................................................................................................... 5

2.3 传感器的主要技术指标 ................................................................................................................. 5

2.4 性能指标 ......................................................................................................................................... 5

第3章 传感原理分析 .............................................................................................................................. 6

3.1 传感原理的选择 ............................................................................................................................. 6

3.2 WDS35型角位移传感器的一般特性 .............................................................................................. 7

3.2.1 线性度 ...................................................................................................................................... 7

3.2.2 降功耗曲线 .............................................................................................................................. 8

3.2.3 迟滞 .......................................................................................................................................... 8

3.2.4 重复性 ...................................................................................................................................... 9

3.2.5 灵敏度与灵敏度误差 ............................................................................................................ 10

3.2.6 分辨率与阀值 ........................................................................................................................ 10

3.2.7 稳定性 .................................................................................................................................... 11

3.2.8 漂移 ........................................................................................................................................ 11

3.2.9 精确度 .................................................................................................................................... 11

第4章 敏感材料选择 ............................................................................................................................ 13

4.1 敏感材料的选择 ........................................................................................................................... 13

4.2 导电塑料的优势 ........................................................................................................................... 14

第5章 传感器结构设计 ........................................................................................................................ 16

5.1 基体塑压工艺 ............................................................................................................................... 16

5.1.1 粉碎 ........................................................................................................................................ 16

5.1.2 振动过筛 ................................................................................................................................ 16

5.1.3 成型 ........................................................................................................................................ 17

5.1.4 保存 ........................................................................................................................................ 17

5.2 喷涂............................................................................................................................................... 17

5.2.1 喷涂脱模剂 ............................................................................................................................ 17

5.2.2 喷涂电阻液 ............................................................................................................................ 18

5.2.3 喷涂零阻液 ............................................................................................................................ 18

5.3 基体喷涂K值和初始线性度的合格率 ....................................................................................... 20

5.3.1 喷涂台设计原则和功能特点 ................................................................................................ 20

5.3.2 喷涂台工作影响因素 ............................................................................................................ 20

5.3.3 解决喷涂技术难题的措施 .................................................................................................... 21

5.4 结构设计 ....................................................................................................................................... 21

致谢 ............................................................................................................................................................ 23

参考文献 .................................................................................................................................................... 24

附录1：各部分结构设计图 ..................................................................................................................... 25

附录2：传感器安装图 ............................................................................................................................. 28

附录3：精密位移传感器安装、使用说明 ............................................................................................. 29 1 安装 .................................................................................................................................................. 29 2 注意事项........................................................................................................................................... 29 3 使用须知........................................................................................................................................... 30

第1章 绪论

1.1 目的和意义

新技术革命到来，世界开始进入信息时代。传感器是构成现代技术的三大支柱 ，人们利用信息的过程，首先要获取信息，而传感器是获得信息的主要手段。

无论是在数量上，功能上，远质量上还是远不适应社会多方面发展的需要。当前，人们在充分利用先进的电子技术条件，研究和采用适合的外部电路以及最大限度地提高传感器的性能。

现代传感器利用新的材料、新的集成加工工艺使传感器技术越来越成熟，传感器种类越来越多，除了早期使用的半导体材料、陶瓷材料外，光纤以及超导材料的发展为传感器的发展提供了物质基础。未来还会有更新的材料，如纳米材料，更有利于传感器的小型化。目前，现代传感器正从传统的分立式，朝着集成化、智能化、数字化、系统化、多功能化与网络化并向着微功耗、高精度、高可靠性、高信噪比、宽量程的方向发展。现代传感器是具有全集成化、智能化、高精度、高性能、高可靠性和低价格等显著优点。因此我们设计的精密导电塑料角位移传感器采用硬制防锈壳体，模压一体化导电塑料基体。金属电刷及集流部件，不锈钢轴匹配高速轴承，这些保证了线性度高、机械寿命长、分辨率高、动态噪声小。

1.2 应用领域

目前精密导电塑料角位移传感器涉及的领域：现代大工业生产、基础学科研究、宇宙开发、海洋探测、军事国防、环境保护、资源调查、医学诊断、智能建筑、汽车、家用电器、生物工程、商检质检、公共安全、甚至文物保护等等极其广泛的领域。

1.3 国内外发展概况

导电性高分子材料一般分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子聚合物是1977年才发现的，它是有机聚合掺杂后的聚乙炔，具有类似金属的电导率。

而纯粹的结构型导电高分子聚合物至今只有，其它许多导电聚合物几平均需采用氧化还原、离子化或电化学等手段进行掺杂之后才能有较高的导电性。其代表性的产物有聚乙炔、聚对苯撑、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶、聚苯硫醚等。还有一种叫作热分解导电高分子，这是把聚酰亚胺、聚丙烯腈等在高温下热处理，使之生成与石墨结构相近的物质，从而获得导电性。这些热分解导电高分子的特征是无须掺杂处理，故具有优异的稳定性。结构型导电高分子材料的主要用途是导电材料、蓄电池电极材料、光功能元件、半导体材料，其研究开发主要集中在以下4个方面：①具有与金属相同的电导率；②在空气中是稳定的；③具有高功能；④具有良好的加工成型性。

复合型导电高分子材料的分类有很多种，根据电阻值的不同可分为：半导电体、除静电体、导电体、高导电体；根据导电填料的不同可分为：抗静电剂系、碳系(炭黑、石墨等)、金属系(各种金属粉末、纤维、片等)；根据树脂的形态不同可分为：导电塑料、导电橡胶、导电涂料、导电胶粘剂、导电薄膜等；还可根据其功能不同分为：防静电材料、除静电材料、电极材料、发热体材料、电磁波屏蔽材料

我们采用碳系填充型。这一系列的填充物主要是导电炭黑、石墨和碳纤维，制成品的体积电阻率为102～109Ω·cm。其中炭黑填充是主流，炭黑填充型导电聚合物之所以被广泛采用，其一是因为导电炭黑价格较为低廉；其二是因为炭黑能根据不同的导电性需求有较大的选择余地，它的制成品的电阻值可在102～109Ω之间的宽广范围内变化；其三是导电性持久、稳定；因此是理想的抗静电材料。但是它的制成品仅限于黑色，并对材料性能影响较大，需要配套改性技术。炭黑填充型导电塑料的主要用途是：

(1)与集成电路相关的领域 集成电路块、场效应管、晶体管等电子元器件在加工、装配、包装、运输等生产过程中，常常会因震动、摩擦产生的静电而损坏，甚至造成整台机器的报废。这些电子元器件对静电的敏感程度小至100伏，大至上万伏不等。几百伏以至上千伏的静电是非常容易产生的，有实验表明：人在低温度环境中的干燥地毯上行走时，可产生5000伏的静电，戴着橡胶手套与塑料容器接触时，可产生6000伏的静电，即使是不戴手套用手直接与塑料容器接触，

也会产生200伏的静电。由此可见，在这一领域中防静电、除静电措施的重要。炭黑填充型导电塑料的电阻值可在102～109Ω间调节，完全可以满足这类材料的防静电、除静电需求。其主要产品有：电子元器件在周转、保管、搬运过程中使用的周转箱、托盘、支架、封装等。

(2)医疗、煤矿、纺织等洁净、易爆环境 导电塑料在这些场合用作电器设备的外壳或结构件。

(3)高压电缆、通讯电缆领域 近年来，随着用电量的增加，使电缆朝着高压化的方向发展。为使制造工程简化，需要新的被覆构造，即用导电塑料作半导电层。这是为了缓和导体表面电位梯度，防止导体与半导体问的部分放电。这类材料的体积电阻为100～104Ω·cm。

(4)面状发热体 导电塑料还可以作为热源被利用。这是利用在导电塑料上施加电压，电流通过后电阻产生焦尔热量的原理，这类材料的体积电阻为100～104Ω·cm。

在国外，碳系填充型导电塑料已经形成为一个十分成熟的市场，较大的生产厂商有美国的卡伯特公司、原联碳公司、GE公司、3M公司等，日本的东芝化学、住友酚醛塑料是主要厂商，还有东丽、东洋油墨制造、东京油墨、日本合成橡胶、神户制钢所等，芬兰的PREMIX，韩国的LG公司。

与工程塑料相比，导电塑料是一个很小的品种。关于电子设备用导电塑料的市场用量，据一份日文资料显示，日本1996年用于便携电子机器(笔记本电脑、手机等)的工程塑料为3500t，约为20亿日元。目前对于上述产品的EMI屏蔽对策一般是采用无电解镀、高频离子电镀、导电涂料、导电塑料，其表面加工费用的水平分别为：40亿日元、26亿日元、3亿日元、2亿日元。芬兰的PREMIX公司导电塑料生产量约为200t／a，据称在欧洲占有很大的市场份额。在碳系填充的品种中用量较大的是用于中、高压电缆的半导电层屏蔽料，国内的市场需求约为数千吨，其中高压电缆料基本依*进口。国内碳系填充导电塑料业已形成工业化生产，但在品种、质量稳定性等方面与国外有较大差距。特别是与集成电路相关的导电塑料的工业化生产基本空白。目前使用的材料大部分为进口。

1.4 发展展望

高分子材料代替金属材料是今后材料学科领域的发展趋势。由此带来导电性聚合物的市场需求日益增长，其应用领域逐步扩大，这就必然对导电性聚合物提出更高的要求。对于结构型导电性聚合物来说，要想进一步实用化，必须解决目前存在的下述主要问题：

(1)稳定性欠缺：

导电性高分子中的氧原子对水是极不稳定的，这是防碍其实用化的最大问题。

(2)掺杂剂多是有毒的：

如AsF5、I2、Br2等。

(3)成型困难：

导电聚合物主链中的共轭结构使分子链僵硬，不溶不融，从而给自由地成形加工带来困难。

(4)经济性差：

其价格比金属及普通塑料高，难以实用化。

对于复合型导电塑料来说，当前需要着重研究的是金属纤维填充的电磁波屏蔽材料，需要解决的主要课题是：①减小比重；②使导电性均一；③降低成本；④改善外观。

对于导电性聚合物的未来展望，最主要的是开发以下三种材料：①高导电性高分子；②有机太阳能电池；③有机超电导材料。

更为长远的课题是分子性薄膜和分子电子装置。

第2章 设计要求

2.1 设计任务

任务：设计一个WDS35型角位移传感器，实现角度与电阻间的线性转换。

2.2 基本要求

(1)设计的核心主要是旋转机构的灵敏性，要求采用导电塑料作为敏感材料，电刷组件要确保电刷片在导电塑料膜上的压力恒定，电源采用10V高精度恒流恒压电源。

(2)要达到的性能指标主要有：标称阻值5KΩ，电气转角345°，线性度0.3%，机械寿命5×107。启动力矩≤10-5N·m。

(3)要求完成其外形及内部结构设计，画出图纸，合理选用核心零件的材质，制订合理的加工工艺路线，制作出实物，按格式要求完成设计使用说明书的编写。

2.3 传感器的主要技术指标

（1）转换范围与被测量实际变化范围（幅度，频率）相一致。

（2）转换精度符合整个测试系统根据总精度要求分配给传感器的精度指标（一般优于系统精度的十倍左右），转换速度应符合整机要求。

（3）能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温，耐高压，防腐，防爆，防雷击,抗电磁干扰，低功耗，结构精巧，安装方便。

（4） 满足稳定性，可靠性和可维护性的要求。

2.4 性能指标

1、标称阻值：5KΩ 2、电气转角：345°

3、线性度：0.3% 4、机械寿命：5×107

5、启动力矩≤10-5N·m 6.额定功耗 2W(70℃)

7、工作温度范围 -55℃～125℃ 8.耐湿 90%RH240h △R≤10%

9、旋转负荷寿命 1亿次

第3章 传感原理分析

3.1 传感原理的选择

可以进行角位移测量的传感器主要有光栅位移传感器、光纤传感器，电感式传感器，电容式位移传感器，电阻传感器等。①光栅位移传感器的工作原理，是由一对光栅副中的主光栅（即标尺光栅）和副光栅（即指示光栅）进行相对位移时，在光的干涉与衍射共同作用下产生黑白相间（或明暗相间）的规则条纹图形，称之为莫尔条纹。经过光电器件转换使黑白（或明暗）相同的条纹转换成正弦波变化的电信号，再经过放大器放大，整形电路整形后，得到两路相差为90o的正弦波或方波，送入光栅数显表计数显示，就可知道位移的相对距离。②光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使被测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，罕解调器解调后，获得被测参数。③电感式传感器的工作原理是通过被测量改变导磁横截面和气隙长度（即移动衔铁位置），可实现位移与电感间的转换。④电容式位移传感器的工作原理是当被测量的变化使两平行板极板间的距离、极板的遮盖面积或极板间介质的介电常数任一参数发生变化时，可实现位移与电容间的转换。⑤电阻传感器的工作原理是通过被测量改变电阻丝的、长度即移动电刷位置，则可实现位移与电阻间的线性转换,其中电压与电刷位移成正比。

传感原理应根据测量对象与测量环境的不同进行选择。因为，即使是测量同一物理量，也有多种传感原理可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和使用环境考虑。被测量的特点如量程的大小、精度高低、使用频率等。影响传感器长期稳定性的因素传感器的使用环境如环境的温度、湿度、化学稳定性等。而传感器的精度越高，其价格越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

综上所述，通过多项类比，我们选择了电阻式传感原理。精密导电塑料角度

传感器采用分压的原理，在电阻导轨两端连接一恒定直流电压，通过电刷在导轨上的移动获得的输出，输出电压与位移量成线形关系，其指标用线形度表示，数值越小，精密度越高。采用电阻分压原理制成的角度位移传感器可降低对到导轨总阻值的精密度要求，也降低传感器对使用环境的要求，提高了传感器输出信号的准确性。其中Vi为输入，V0为输出，W为总阻，若改变x，V0也随之改变。测

量角位移的原理如图1所示：

图1 电阻式传感原理图

3.2 WDS35型角位移传感器的一般特性

3.2.1 线性度

采用直线性拟合性化时，输入输出的校正曲线与其拟合直线之间的最大偏差称为线性度。WDS35型线位移传感器独立线性度有（0.1%，0.2%，0.3%，0.5%，1%）。线性度如图2所示：

图2 角位移线性度

3.2.2 降功耗曲线

传感器在-55℃到70℃时功耗为100%，70℃到125℃之间时功耗开始下降直至零。所以在使用时应注意环境温度与功耗的关系。其关系图如图3所示：

图3 使用功耗与温度关系图

3.2.3 迟滞

传感器在正反行程中的输出输入曲线不重合称为迟滞。迟滞特性如图4

所示：

图4 迟滞特性图

迟滞偏差量与满量程输出之比的百分数表示：

γH=△Hmax/yFS×100%

△Hmax： 正反行程间输出的最大差值；

yFS：满量程输出。

3.2.4 重复性

重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。实际输出校正曲线的重复特性，正行程最大重复性偏差为△Rmax1，反行程最大重复性偏差为△Rmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者△Rmax除以满量程输出y的百分数表示：

γRRmax/yFS×100%

检测时也可以选取几个测试点，对应每一个点多次从一个方向趋进，获得输出值系列yi1，yi2，yi3„„，yin算出最大值与最小值之差为重复性偏差△Ri，在几个△Ri中取出最大值作为重复性误差。

重复特性如图5：

图5 重复特性图

3.2.5 灵敏度与灵敏度误差

传感器输出的变化量△Y与引起此变化量的输入变化量△X之比即为静态灵敏度，表达示为：

K=△Y/△X

传感器的校正曲线的斜率就是其灵敏度。线性传感器，斜率处处相同，灵敏度K是一个常数。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏误差。即：

γk=△k/k×100%

3.2.6 分辨率与阀值

分辨率是指传感器在规定测量范围内能检测出被测输入量最小变化值。有时对该值相对满量程输入值的百分数表示为分辨率。

阀值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成“死区”，则将这个区的大小称为阀值；更多情况下阀值主要取决于传感器噪声的大小。

传感器能检测出被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示：M=cN/k

M： 被测量最小变化量值；

c： 系数；

N： 噪声电平；

k： 传感器灵敏度。

3.2.7 稳定性

稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。

3.2.8 漂移

漂移指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的，不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。

零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，又称时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。

传感器的零漂可表示为

零漂=△y0/yFS×100%

△y0：最大零点偏差；

yFS：满量程输出。

传感器的温漂一般以温度变化1℃时输出的最大偏差与满量程的百分比来表示：

温漂=△ymax/ yFS△T×100%

△ymax：输出的最大偏差；

yFS：满量程输出；

△T：温度变化范围。

3.2.9 精确度

精确度的评价指标有三个：精密度、正确度和精确度。

 精密度

该指标是指对某一稳定的被测量有同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（即等精度测量）所得测量结果的分散程度。其值越小说明测量越精密。

 正确度

它说明测量结果偏离真值大小的程度，即测量结果有规则偏离真值的程度。

反映所测值与真值的符合情况。

 精确度

通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。传感器与测量仪表精确度等级A以一系列标准百分数值（如0.001，0.005，0.02，0.05，．．．，1.5，2.5，．．．）进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。

可表示为：

A=△A/ yFS×100%

A：传感器的精度；

△A：内允许的最大绝对误差；

yFS：满量程输出。

第4章 敏感材料选择

4.1 敏感材料的选择

导电塑料的组成导电塑料分为结构型和复合型两种。结构型导电塑料是高聚物本身或经掺杂之后具有导电性的材料，而复合型导电塑料是本身不具有导电性，但通过加入导电性填充物获得导电性的材料。与普通的塑料相比，结构型导电塑料内部的碳原子之间交替地以单键和双键结合，具有电子容易流动的性质。如果在其中加入掺杂物，电子就会被杂质吸引从而在原来所处位置出现空穴，其它电子先后流动以弥补该空穴从而产生了电流。纯粹的结构型导电聚合物至今还很少，除聚乙炔外其它代表性材料有聚对苯撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚吡啶和聚噻唑等。结构型导电聚合物的合成工艺较复杂，成本较高。与结构型导电聚合物相比，复合型导电聚合物加工简单、成本低，因而在电子领域中得到了更加广泛的应用。复合型导电塑料由电绝缘性较好的合成树脂和具有优良导电性能的填料及其它添加剂经合成、注射、膜压或挤出成型等方法加工而成。其中常用的合成树脂有PE、PS、PC、ABS、PA、PBT、PET、PPO、PPS和高性能热塑性塑料合金等。

导电填料一般选用纤维状与片状导电材料，包括金属纤维、金属片材、导电碳纤维、导电石墨、炭黑、碳纳米管、金属合金填料等。其中炭黑和炭纤维是应用最广的两种导电填料。炭黑虽然价格低廉，但容易脱落因而在实际应用中受到一定限制。碳纤维具有重量轻、高比强度、高比膜量、断裂韧性好等特点，且长径比和接触面积大、彼此更容易搭接，在相同填充量下更易形成导电网络而获得较佳的导电性能，因此碳纤维在导电塑料领域得到了广泛的应用。

影响导电性能的主要因素影响复合型导电塑料导电性能的主要因素是导电填料的种类和含量。添加不同种类的纤维及含量对导电塑料的加工性能和屏蔽效能的影响。不锈钢纤维的加入量对材料的外观颜色、力学性能、加工性能影响轻微，且达到相同屏蔽效能时所需的添加量最少，但不锈钢纤维对基体树脂的增强作用却不如导电碳纤维及镀镍的导电碳纤维。

敏感材料的灵敏度、稳定性等决定着控制的精度和质量。用于传感器的敏感

材料有金属、金属陶瓷、半导体、有机高分子材料等。我们在现有的资料和人员的情况下，仔细分析再通过指导老师的指导选择出科学合理与角位移传感器匹配的材料。我们采用导电塑料作为敏感材料，导电塑料采用了化学性能和物理性能非常稳定的DAP树脂，由此做成的角位移传感器能适用在高温、潮湿、盐雾等腐蚀性气体的环境中。它具有高精度，高灵敏度，高可靠性，抗干扰能力强，使用寿命长等特点，并且有很高的价格性能比。

4.2 导电塑料的优势

导电塑料在电子行业中的应用导电塑料是一种理想的抗静电、电磁屏蔽材料。静电荷的积累与释放，电磁干扰及无线电波干扰是电子行业面临的两大难题。静电荷的积累与释放会使各种精密仪器、精密电子元件被击穿而报废。电磁干扰及无线电干扰会直接或间接引发电子元器件误动作或系统失灵。因此，在电子设备、集成电路等精密元器件的设计、生产、储运、运行过程中必须考虑抗静电和电磁屏蔽问题。金属具有优良的导电性，是传统的抗静电、电磁屏蔽材料，但金属材料存在比重大、价格贵、难加工、易腐蚀、抗静电和屏蔽性能难以调解等缺点。一般工程塑料虽然具有重量轻、价格低、耐腐蚀、易成型的特点，但是一般为绝缘体，易积累静电荷，且对电磁场几乎无任何屏蔽作用，尤其是对1 GHz以下和低频电磁波几乎是完全“透过”，因此无法应用于抗静电、电磁屏蔽领域。

导电塑料位移传感器采用导电塑料电位器作为主要元件，内置信号变送器，能直接将机械位移量变换成0～10V或4～20mA的输出信号。导电塑料位移传感器具有长寿命、高可靠性、高精度等优点，分辨率在理论上达到无限小，响应速度几乎为零，由于信号变换完全基于直流方式，所以外围电路十分简洁，抗干扰性能相当好，不存在外界磁场产生的不良影响，另外导电塑料采用了化学性能和物理性能非常稳定的DAP树脂，由此做成的导电塑料位移传感器能适用在高温、潮湿、盐雾等腐蚀性气体的环境中。目前无论从性能上或者价格上导电塑料位移传感器完全可以取代传统的差动变压器传感器,从下面的性能对比中可看到导电塑料位移传感器的绝对优势。

精度导电塑料位移传感器最高0.03%,差动变压器位移传感器最高0.2%。寿命导电塑料位移传感器最高1亿次,差动变压器位移传感器最高1 千万次。分辨率

导电塑料位移传感器无限小,差动变压器位移传感器0.1μm。动态响应导电塑料位移传感器无限小,差动变压器位移传感器几十μS～几十m S。激励信号导电塑料位移传感器直流,差动变压器位移传感器400Hz～10KHz。外围电路导电塑料位移传感器简单,差动变压器位移传感器复杂。防磁要求导电塑料位移传感器无,差动变压器位移传感器有。抗干扰导电塑料位移传感器优良,差动变压器位移传感器差。工作环境温度导电塑料位移传感器-55℃～180℃,差动变压器位移传感器-55℃～150℃。价格导电塑料位移传感器80%,差动变压器位移传感器100%。

综上所述，我们选择的导电塑料是目前理想、可靠的敏感材料。

第5章 传感器结构设计

5.1 基体塑压工艺

流程图如图6所示：

图6 绝缘基体压制工艺流程图

5.1.1 粉碎

（1）将Z-350塑料投入粉碎机；

（2）启动粉碎机一次粉碎量少于15g；

（3）经粉碎后的塑料保管在干燥器内。

5.1.2 振动过筛

（1）按以下图7把粉碎后的塑料放进200目的筛子内密闭振动60～90min；

（2）经过筛后的树脂放进袋内，再放到干燥皿内。

图7 振动过筛图

5.1.3 成型

（1）在成型机上进行基片成型；

（2）加压时间8s,填充时间3.5s。

5.1.4 保存

将成型的基片放进铝盆内即可，应注意要放平，引出端要对齐，表面要保持清洁，模块压力不要太大防止基体受损伤。

5.2 喷涂

5.2.1 喷涂脱模剂

（1）在电阻金属模上先涂A441脱模剂，然后涂H-15-1脱模剂；

（2）按下图8，用S-200无纤维纸擦拭均匀；

图8 擦拭图

（3）把喷板装在模上，用螺钉固定，注意喷板与模之间应无缝隙；

（4）把模放在加热板上预热3min以上；

（5）按下图9把预热的模安放在喷涂台上。

图9 喷涂工艺过程

5.2.2 喷涂电阻液

（1）将安装好模的夹具移至挡板一侧；

（2）接通马达电流，模开始旋转；

（3）接通喷涂部分电流，先作试喷射，然后放下挡板对模喷涂电阻液，喷涂3～10s；

（4）断开马达和喷涂部分电流，取下模；

（5）注意喷涂压力为7.8×104Pa；

（6）自检电阻轨道形状是否规则，轨道上是否有无异物；

（7）卸下喷板并用丁酮洗净。

5.2.3 喷涂零阻液

（1）将模放在引出段喷涂夹具上，盖上喷板；

（2）按下图10，在距喷板10cm处进行零阻液喷射（时间1～2s）；

图10 零阻液喷射图

（3）仔细用丁酮清洗喷板和喷枪；

（4）注意零阻液应经常晃动；不要损坏电阻体；喷枪在盛入零阻液之前要进行空喷以防异物混入；

（5）用木柄刀切割电阻模以使断开电阻轨道；

（6）放置5min以上，以使干燥；

（7）按下图11，将基片放入型腔内，注意勿损坏电阻轨道；

（8）放到成型机上加热，在175℃加热3．5分钟；

（9）予热3．5分钟自动加压，压力在784×10帕，然后成型取出基体；

（10）除去毛刺和区边；

（11）检查无气泡，测电阻值。

4

图11 基片放入型腔图

5.3 基体喷涂K值和初始线性度的合格率

5.3.1 喷涂台设计原则和功能特点

圆形喷涂台用于导电塑料传感器电阻基体的电阻浆料半自动喷涂。喷涂时塑压模具放置于旋转电机上，根据情况设定不同的喷涂时间、喷涂气压。接通电源，喷涂开始同时电机旋转，到了设定时间后，自动停止喷涂，并复位，从而达到喷涂电阻浆料的目的。圆形喷涂台采用电气、机械、气源系统三部分相结合，构成整个喷涂系统，完成电阻浆料的半自动喷涂工作。

 电气控制系统：

（1） 时间定时器，可调精度0.1秒，以满足喷涂时间的设定要求；

（2） 旋转电机采用无级调速（0转/分钟～500转/分钟），以满足喷涂时电机

转数的要求。

 机械部分：

（1） 旋转电机有前后调节功能；

（2） 喷涂支架部分有调整点，能单独进行调整喷枪头距离。

 气源系统：

气源有减压、稳定。过滤系统的装置、供应干净恒压的气源，并能自动切断气源。

5.3.2 喷涂台工作影响因素

喷涂台在工作中受到诸多影响，同样的配料因受不同因素的影响，其电阻基体的阻值就会很大的不同，根据我们实践经验，目前所掌握的影响因素有：喷涂气压、喷枪口径、距离、喷枪头清洁度、塑料管直径、料瓶的水面高度及喷涂历时等。同样的黑料喷到基体毛坯上量越多，那么基体阻值越低，反之阻值越高。上述诸多因素都对喷涂量有关，气压越大，喷量越多，喷枪口径越大，喷量越多，喷枪头距离越近，喷量越多，喷枪头不清洗阻塞，喷量就少，输料管直径粗，出料就多，料瓶的水位线高度越高，出料就越多，喷涂历时越长，喷到基体毛坯上的量越多。

5.3.3 解决喷涂技术难题的措施

我们对喷涂基体的要求：1.阻值要稳定，每一模都要接近，并在要求范围内。

2.基体的初始线性度要高，产品出来不修刻就能达到1%，经过修刻大部分能达到0.1%为了达到以上要求，我们必须在上述影响因素中寻找解决的措施：

（1）菱形口挡板与铜坯基座的距离为1～2毫米（最好为1.5毫米，具体用调节螺丝调节，或者每一模用1.5毫米薄片量一下）。

（2）挡板的菱形口每一模开始都要仔细观察是否清洁，如有阻塞、厚边、带粒等不光洁现象，均应主动用丙酮清洗，如积累黑料过厚应用铜制刀器刮削，防止用铁制刀器损坏菱形口形状。

（3）喷枪头每一模用刷子蘸丙酮清洗。

（4）盛放黑料的瓶子水位线应保持一致，随着喷涂不断降低内黑料水位线，应逐步提高瓶子底部位置。使水位线前后均在同等高度。

（5）气压小表控制在0.25～0.30mpa,大表控制在0.8～0.9mpa,也可酌情略作调整，一般气压低，喷速慢，喷量少，阻值高。

（6）脱模剂喷之前要摇动，并略微停一些时间，喷量要均匀适中，量太多基体阻值变小，量太少基体阻值变大。

（7）模具上的杂物应用质地较软的竹尖或柳枝清除，防止损坏模具的光洁度。

（8）银浆部位┒┎ 形，上面横线部分要比竖线部分喷厚一些，银浆与导轨不相连的地方要擦干净、喷量均要掌握好，量太少，会造成前零位或后零位阻值太高的问题。

5.4 结构设计

传感器结构主要有外壳体、基体敏感元件、电刷臂、安装尺寸等。各部分的结构图见附录1：

精密导电塑料角位移传感器采用硬制防锈壳体，模压一体化导电塑料基体。金属电刷及集流部件，不锈钢轴匹配高速轴承，这些保证了线性度高、机械寿命长、分辨率高、动态噪声小。

致谢

毕业设计报告结束也就意味着我要毕业了。在毕业设计过程中俞志根老师从最初设计方向的确立，搜集各方资料，反复更正补充，修改都得到了他的全程指导。更有幸的能参加此次毕业设计全国程。其次，感谢同学们的帮助。由于工作比较的忙，耽误了一些设计的时间，是一些同学在默默的帮助我，使我的毕业设计能够在这段期间比较成功完成。设计过程让我提高自身实践技能，达到理论知识和实际应用的统一，让我受益匪浅。

最后，谢谢学校领导对我们毕业设计的关注。

参考文献

[1] 赵家贵、《新编传感器电路设计手册》、中国计量出版社,2002年.

[2] 赵继文、《传感器与应用电路设计》、科学出版社,2002年.

[3] 宋文绪、《自动检测技术》、高等教育出版社,2004年.

[4] 编委会、《传感器产品选型设计技术参数怀性能检测及相关技术标准应用手册》、中国知识出版社,2005年

[5] 俞志根、《传感器与检测技术》、科学出版社,2007年

[6] 范晶彦、《传感器与检测技术应用》、机械工业出版社,2005年

[7] 张正伟、 《传感器原理与应用》、中央广播电视大学出版社,1991年

[8] 徐同举、 《新型传感器基础》、机械工业出版社,1987年

[9] 杜维、《过程检测技术及仪表》、化学工业出版社,1998年

[10] 王之芳、 《仪器应用技术》、西北工业大学出版社,1996年

[11] 王元庆、 《新型传感器原理与应用》、机械工业出版社,2002年

[12] 丁镇生、 《传感器及传感技术应用》、电子工业出版社,1998年

[13] 刘迎春、 《现代新型传感器原理与应用》、国防工业出版社,2002年

[14] 侯国章、《测试与传感技术》、哈尔滨工业大学出版社,1998年

[15] 高晓蓉、 《传感器技术》、西安交通大学出版社,2003年

附录1：各部分结构设计图

基体结构设计：

图1 基体结构图

内部结构：

图2 集流体结构

图3 轴承结构

外壳体结构：

图4 端盖结构

图5 壳体结构

附录2：传感器安装图

图6 传感器安装图

附录3：精密位移传感器安装、使用说明

1 安装

角位移传感器是以本身的安装凸台定位，用螺钉固紧在金属板上如图14所示，

然后将随动轴与旋转体中心连接。

图7 装配示意图

2 注意事项

(1)位移传感器在安装前，不要擅自拆卸、改装（包括撕去商标、在轴与壳体

上进行加工、松动螵钉、转动固紧环位置等）。位移传感器在安装过程中，应轻

拿轻放，以免碰坏引出端。

(2)位移传感器在接入线路时，应严格按照传感器上的示意图。特别注意“2”

端严禁接入输入电压，否则烧坏传感器基体和引线。

(3) 通过电位器的电流推荐为2mA，最大不超过1OmA。

(4)位移传感器的外部接线应焊接在引出端的腰槽处，尽量不要焊在引出端的

顶部。焊接时，应使用不大于45W的铬铁，焊接时间应小于5S。在焊接及未冷却

透时，不应拉动导线，以免电刷丝或整个引出端被拉出，甚至脱落。焊接时尽量

少用焊剂、焊油，时间要短，避免焊剂蒸气通过引出端（绿色）迹入电位器内部，

导致蒸气冷却后沉积在电阻元件表面造成等效噪声电阻变差，甚至开路。

(5)位移传感器的随动轴与其它机件联接时，应注意轴心线要保持在一直线上

（包括工作状态），如轴心线有偏差存在，建议使用万向接头或波纹管等转接件， 以免电位器出轴弯曲变形，损坏其他器件，从而影响正常使用。

(6)对角位移传感器，应防止超量程范围使用，以避免造成损坏传感器。

(7)应防止溶剂和腐蚀性气体对位移传感器的侵袭。防止金属屑或其他粉末进入位移传感器。

(8)传感器在通电时，注意不能用万用表的电阻挡、电流档去测量电位器电压。 3 使用须知

(1)传感器的外加电压，应保证在额定功耗范围内。这里注意额定功耗是指电位器在环境温度为-55～7O℃时的允许功耗，当使用温度超过7O℃时，按图降功耗曲线使用。

(2)传感器的精度是指输出持性的符合性精度，而不是总阻值的偏差精度。电位器的线性精度采用独立线性，以负载开路时测试计算为准。独立线性的计算方法：采用目前电位器行业通常方法，规定前后零位电压作两端点，确定理论电行程、两端点的连线作参考直线。最大偏差苑围（正的最大偏差与负的最大偏差绝对值之和；正的最大偏差与0或负的最大偏差与0）的一半，作为电位器线性偏差。

(3)标定点一般选择起点或中点（理论电旋转角的中点）。同步精度一般为1％，也可按线性精度的等级。