76电位器式传感器

1同学们好！四川成都西岭雪山海拔3000米2天上的云海3第2章电阻式传感器电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。4第2章电阻式传感器2.1电位器式传感器2.2应变片式传感器52.1电位器式传感器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。6一、线性电位器的空载特性•线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系。图2-1所示为电位器式位移传感器原理图。如果把它作为变阻器使用,假定全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A点到电刷间的阻值为maxmaxxxRRx(2-1)2.1.1线性电位器7图2-1电位器式位移传感器原理图8•若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为maxmaxxxUUx(2-2)图2-2所示为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为maxmaxaaRRa(2-3)作为分压器使用,则有maxmaxaxUUx(2-4)9图2-2电位器式角度传感器10•线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公式。因此对如图2-3所示的位移传感器来说,因为maxmax2()RbhnAxnt其灵敏度应为(2-6)(2-5)AthbIxUkAthbxRkR)(2)(2maxmaxumaxmax11图2-3线性线绕电位器示意图12•式中,kR、ku分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线绕电位器绕线总匝数。•由式可以看出,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A(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。13•二、阶梯特性、阶梯误差和分辨率•图2-4所示为绕n匝电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。电刷在电位器的线圈上移动时,线圈一圈一圈的变化,因此,电位器阻值随电刷移动不是连续地改变,导线与一匝接触的过程中,虽有微小位移,但电阻值并无变化,因而输出电压也不改变,在输出特性曲线上对应地出现平直段;当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此特性曲线相应出现阶跃段。这样,电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,共产生n个电压阶梯,其阶跃值亦即名义分辨率为maxUUn(2-7)14图2-4局部剖面和阶梯特性图15•实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n匝减小到（n-1）匝,这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为max11()1aUUjnn(2-8)mnUUU(2-9)16maxmax1100%baUneUn(2-10)•主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和导线直径的比。若电刷的直径太小,尤其使用软合金时,会促使形成磨损平台;若直径过大,则只要有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,一般取电刷与导线直径比为10可获得较好的效果。•工程上常把图2-4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图2-5所示。这时,电位器的电压分辨率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax之比的百分数,对理想阶梯特性的线绕电位器,电压分辨率为17图2-5理想阶梯特性曲线18•除了电压分辨率外,还有行程分辨率,其定义为:在电刷行程内,能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个行程之比的百分数,即maxmax1100%byxnexn(2-11)19•从图2-5中可见,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,这就是阶梯误差。电位器的阶梯误差通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示,即j(2-12)%10021)21(maxmaxnUnUj20•阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工作原理所决定的,是一种原理性误差,它决定了电位器可能达到的最高精度。在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。212.1.2非线性电位器非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。22•变骨架式非线性电位器•变骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。图2-6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。23图2-6变骨架式电位器24•骨架变化的规律•变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数ρ、A、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系。这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例来对骨架变化规律进行分析。在图2-6所示曲线上任取一小段,则可视为直线,电刷位移为Δx,对应的电阻变化就是ΔR,因此前述的线性电位器灵敏度公式仍然成立,即AthbIxUkAthbxRkR)(2)(2maxmaxumaxmax25当Δx→0时,则有2()2()dRbhdxAtdUbhIdxAt(2-13)由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为212AtdRhbdxAtdRhbIdx(2-14)(2-15)26电阻灵敏度kR、电压灵敏度ku分别为:dxdUkdxdRkxxRu(2-17)(2-16)27•上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位器接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差,对于线性电位器负载误差即是其非线性误差。带负载的电位器的电路如图2-7所示。电位器的负载电阻为RL,则此电位器的输出电压为2.1.3负载特性与负载误差28图2-7带负载的电位器29相对输出电压为（可绘制为图2-8）：(电阻相对变化r=Rx/Rmax电位器的负载系数为m=Rmax/RL）(2-19)理想空载特性为：(2-20)(2-18)2maxmaxxxLLxLRRRRRRRUU)1(1rrmrUUYLrRRUUYxmax0030图2-8电位器的负载特性曲线族31(2-21)(2-22)电位器在接入负载电阻RL后的负载误差为(2-23)线性电位器XxxRRrxmaxmax)1(1XmXXUUYL对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即%100])1(111[%10000rmrUUULL32•图2-9所示为δL与m、X的曲线关系。由图可见,无论m为何值,X=0和X=1时,即电刷在起始位置和最终位置时,负载误差都为零;当X=1/2时,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。对线性电位器,当电刷处于行程中间位置时,其非线性误差最大。•若要求负载误差在整个行程都保持在3%以内,由于当X=1/2时,负载误差最大,即1[1]100%()100%3%1141(1)22fmmmL33图2-9电位器负载误差曲线34•则必须使RL10Rmax。但是有时负载满足不了这个条件,一般可以采取限制电位器工作区间的办法减小负载误差;或将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线,即设计出非线性电位器也可以消除负载误差,此非线性电位器的空载特性曲线2与线性电位器的负载特性曲线1,两者是以特性直线3互为镜像的,如图2-10所示。35图2-10非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的镜象关系362.1.4电位器的结构与材料由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。1、电阻丝：电阻系数、温度系数、强度、电势及加工2、电刷：某些电刷结构如图2-11电刷触头、电刷臂、导向及轴承装置3、骨架。膨胀系数、绝缘性能、强度及加工37图2-11某些电刷结构382.1.5电位器式传感器应用举例•电位器式压力传感器•电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流的相应变化。如图2-12为YCD-150型远程压力表原理图。弹簧管内通入被测流体,在流体压力作用下,弹簧管产生弹性位移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动,因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。该电压信号可远距离传送,故可作为远程压力表。39图2-12YCO-l50型压力传感器原理图40•电位器式压力传感器电位器式压力传感器如图2-13•弹性敏感元件膜盒的内腔,通入被测流体,在流体压力作用下,膜盒硬中心产生弹性位移,推动连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动,同样输出一个与被测压力成比例的电压信号。41图2-13膜盒电位器式压力传感器原理图42•电位器式位移传感器电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360°的角度。图2-14电位器式位移传感器：其中3为输入轴，电阻线1以均匀的间隔绕在用绝缘材料制成的骨架上，触点2沿着电阻丝的裸露部分滑动，并由导电片4输出。图2-15电位器式位移传感器在测量比较小的位移时，可将线位移变换成角位移。43图2-14电位器式位移传感器示意图44图2-15测小位移传感器示意图45•电位器式加速度传感器•图2-16所示为电位器式加速度传感器,惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动,输出一与加速度成比例的电压信号。•电位器传感器结构简单,价格低廉,性能稳定,能承受恶劣环境条件,输出功率大,一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表;其缺点是精度不高,动态响应较差,不适于测量快速变化量。46图2-16电位器式加速度传感器示意图