21电位器

电位器式电阻传感器一、概述电位器---将机械位移转换为电阻变化的变化元件第四章电位器式传感器电位器的分类1按结构形式:线绕式、薄膜式、磁敏式等。2按输出/输入特性：线性、非线性对直线式电位器来说，Uo与滑动臂的直线位移成正比：0OixxUULxRRL对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：max0maxOiUURR右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。接地1灵敏度二、线绕式电位器的特性()()2[()()]()()UUxRxbxhxxKIIxxStx()()2[()()]()()xxRxbxhxtxqx电阻灵敏度电压灵敏度()2[()()]()()RRxbxhxxKxStx结论：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外,还与骨架尺寸h和b、导线横截面积S(导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。局部剖面和阶梯特性线圈一圈一圈的变化电位器阻值随电刷移动非连续地改变电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝阻值，特性曲线相应出现阶跃段。输出电压便跃变一次。阶跃值亦即名义分辨率：maxmUUn电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必定会使这两匝短路，总匝数从n匝减小到（n-1）匝,使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。小电压阶跃亦即次要分辨脉冲：jj+1主要分辨脉冲视在分辨脉冲mn=+UUU局部剖面和阶梯特性电压分辨率：电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比maxmax/1100%%baUneUnjj+1行程分辨率：电刷行程内，有使电位器产生一个可测变化的电刷最小行程值与整个工作行程的百分数maxymax/1100%%bxnexn骨架长一定，导线直径减小；导线直径一定，则增加骨架长度。2阶梯误差二、线绕式电位器的特性理想阶梯特性曲线在理想情况下,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,即阶梯误差。maxmax1()12100%2jUnUn阶梯误差理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差与最大输出电压的百分数理想阶梯曲线maxmax1()12100%2jRnRn或空载时输出电压(电阻)与电刷行程之间具有非线性关系。研究意义：现实中有些对象是指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数。要满足控制系统特殊要求,必须想办法找到与线性控制系统的关系,修正、补偿非线性，使系统最后输出特性是线性输出。2.1.2非线性电位器输出电压（电阻）与电刷位移之间具有非线性函数关系，又称函数电位器。2.1.2非线性电位器实现方式：1改变绕制方式2改变电路连接方式线绕式电位器，采用改变不同部位的灵敏度实现非线性输出：（1）变骨架方式（2）变绕线节距方式（3）变电阻率方式变骨架高度式非线性电位器1.骨架变化的规律结构参数ρ、A、t不变,只改变骨架宽度b或高度h曲线上任取一小段,可视为直线，用图中折线逼近曲线电刷位移为Δx,对应的电阻变化就是ΔR线性电位器灵敏度公式仍然成立：（1）骨架高度只要骨架高度满足左边式子，即可实现线性灵敏度要求。（2）行程分辨率与阶梯误差变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有maxmaxmaxmax1n100%sURnrRUn但由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误差为maxmax()1100%2jdUtdxU(3.)结构特点变骨架式非线性电位器理论上可以实现所要求的许多种函数特性,但结构必须满足：（1）为保证强度,骨架的最小高度hmin3～4mm,亦不能太小。（2）骨架型面坡度α应小于20°～30°，否则绕制时容易产生倾斜和打滑,产生误差,如图9.7(a)所示。减小误差方法：（1）减小坡度，可采用对称骨架,如图3.7(b)所示。（2）将骨架设计成阶梯形的,实际是对特性曲线采用折线逼近。A.对称骨架式（a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度三、非线性电位器B.用阶梯骨架代替曲线骨架方式实际是对特性曲线采用折线逼近.变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非线性线绕电位器。(1)节距变化规律变节距式电位器是在保持ρ、A、b、h不变的条件下,用改变节距t的方法来实现所要求的非线性特性。节距的基本表达式为2()2(bhIbhtdRdUAAdxdx(2).阶梯误差变节距式电位器的骨架截面积不变,因而可近似地认为每匝电阻值相等,即可以认为阶跃值相等。故阶梯误差计算公式和线性线绕电位器阶梯误差的计算公式完全相同.(3)分辨率：该分辨率取决于节距,其最大绕距tmax发生在特性斜率最低处,故行程分辨率公式应为：maxmax100%strxmaxmax1()12100%2jUwUw（4）结构与特点骨架制造比较容易,绕制较困难，但近年来数字程控绕制机减小了绕制困难，只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况,一般maxmaxminmin()3()dUtdxdUtdx其中可取min(0.03~0.04)tdmm要实现曲线3所要求的特性:线性电位器全行程分若干段,引出一些抽头,对每一段并联适当阻值,使得各段的斜率达到2所需的大小(每一段内,电压输出是线性的),而电阻输出是非线性的,如曲线1.若能求出各段并联电阻的大小,即可实现输出特性3所要求的函数关系。用分路电阻实现变电阻各段并联电阻的大小,可由下式求出:111222333//////rRRrRRrRR(1)两种方法求r1、r2、r3：1、知各段电压变化ΔU1、ΔU2和ΔU3,根据允许通过的电流确定ΔR1、ΔR2和ΔR3；2、让最大斜率段电阻为ΔR3（无并联电阻时）压降为ΔU3,则33UIR求出I后,则2211URIURI根据（1）求出并联电阻r1、r2、r3（2）误差分析其阶梯误差和电压分辨率均发生在特性曲线最大斜率段上xUt（3）结构与特点分路电阻式非线性电位器原理上存在折线近似曲线所带来的误差,但加工、绕制方便,对特性曲线没有很多限制,使用灵活,通过改变并联电阻,可以得到各种特性曲线。四、负载特性及负载误差电位器空载：相当于负载开路或为无穷大时的情况,负载特性：电位器接有负载时所具有的特性为,负载误差：负载特性偏离理想空载特性的偏差,对于线性电位器负载误差即是其非线性误差。四、负载特性及负载误差2maxmaxmax()xLxLxLLininxLLxxxxLRRRRRRUUURRRRRRRRRRR00maxXinURYrUR电压输出电位器负载系数,m=Rmax/RL，电阻的相对变化,r=Rx/Rmax1(1)LinUrYUrmr电压相对输出理想的空载特性四、负载特性及负载误差1电位器的负载特性：线性传感器，maxXRxrXRL1(1)XYmXX令在未接入负载时,电位器的输出电压U0为U0=rUin1100%[1]%1(1)(1)=100%1+(1)OLLOUUUmrrmrrmrrm↓,负载特性曲线与理性空载特性曲线越接近.当RL不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，负载误差为：当RL为∞，四、负载特性及负载误差2电位器的负载误差：无论m为何值,电刷在起始和最终位置时,负载误差都为零.减少方法：尽量减小负载系数，通常希望m0.1.为此可采用高输入阻抗放大器；将电位器工作区间限制在负载误差曲线范围内；将电位器空载特性设计成某种上凸特性，负载特性必然下降，正好是所要求的特性。四、负载特性及负载误差3减小负载误差措施：（1）减小负载系数m（2）限制工作范围3减小负载误差措施：（3）重新设计电位器的空载特性设计出非线性电位器(将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线3)此非线性电位器的空载特性曲线3与线性电位器的负载特性曲线2,两者是以特性直线1互为镜像的,也可消除负载误差,如图所示。五、电位器的结构与类型电位器原理图1—骨架2—电刷3—电阻丝4—转轴5—接线端子电位器由电阻元件、电刷、骨架等组成。其形式有直滑式(图a)和旋转式，旋转式有单圈旋转式(图b)和多圈旋转式(图c)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。1、结构：（2）非线绕电位器1）合成膜电位器其优点是分辨率较高，阻值范围很宽（100Ω～4.7MΩ），耐磨性较好，工艺简单，成本低，线性度好等；主要缺点是接触电阻大，功率不够大，容易吸潮，噪声较大等。2）金属膜电位器金属膜电位器具有无限分辨力，接触电阻很小，耐热性好，满负荷达70℃。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，特别适合在高频条件下使用。它的噪声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10～100Ω之间。由于这些缺点，限制了它的使用范围。2、类型：（1）线绕电位器线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝绕制，其额定功率范围一般为0.25～50W，阻值范围为100Ω～100kΩ之间。当接触电刷从这一匝移到另一匝时，阻值的变化呈阶梯式。（3）导电塑料电位器导电塑料电位器又称实心电位器，耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大，在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不易做得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1kΩ、2kΩ、5kΩ和10kΩ，线性度为0.1％和0.2％。（4）导电玻璃釉电位器导电玻璃釉电位器又称金属陶瓷电位器，它的耐高温性和耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻湿度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。六、电位器式传感器的应用1、弹性压力计弹性压力计信号多采用电远传方式，即把弹性元件的变形或位移转换为电信号输出。在弹性元件的自由端处安装滑线电位器，滑线电位器的滑动触点与自由端连接并随之移动，自由端的位移就转换为电位器的电信号输出。图2-3-3电位器式弹性压力计当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。2、摩托车汽油油位传感器如图所示为摩托车汽油油位传感器，它由随液位升降的浮球经过曲杆带动电刷位移，将液位变成电阻变化。图摩托车汽油油位传感器设计讨论设计分流电阻式非线性电位器的电路及其参数。要求特性如图,所用线性电位器的总电阻为1000Ω,输出为空载.102Uo/V40100L/mm510解：斜率最大处是第一段，2/10，电阻为ΔR’1（无并联电阻时）压降为ΔU1，并联电阻r1=0，ΔR’1=（10/100）*1000Ω=100Ω。112=100UIR22222223333333303==150'=10003002100100111300'605==250'=100060021001001113000/7428.57'URRIrRrRURRIrRrR，，