4.1 电位器式传感器

第4章非电量的电测技术第4章非电量的电测技术4.1电位器式传感器4.2电阻应变式传感器4.3电感式传感器4.4电容式传感器4.5热电偶传感器4.6热电阻传感器4.7压电传感器4.8超声波传感器4.9振弦式传感器4.10光电式传感器4.11激光式传感器4.12光纤传感器4.13红外式传感器4.14热敏传感器4.15霍尔式传感器4.16气敏传感器第4章非电量的电测技术•何为非电量？机械量（如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等）、热工量（如温度、压力、流量等）和化工量（浓度、成分、PH值等）。•非电量的电测技术就是将各种非电量变换为电量，而后进行测量的方法。•非电量电测技术中的关键技术是研究如何将非电量转换成电量的技术――传感技术。•电位器式传感器–把直线位移或转角位移转换成具有一定函数关系的输出电阻或输出电压。因此可以用来测量振动、位移、速度、加速度和压力等非电参数。•原理–电阻变化：–相应电刷位移的电压输出为：•式中电位器的电阻灵敏度。•式中电位器的电压灵敏度。–当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度L而变化。xkxLRRRx/x0UxkxRUUs/0RkSk4.1电位器式传感器•常用电位器式传感器有:直线位移型、角位移型、非线性型.左图为典型的电位器式传感器的结构原理。它由电阻元件（包括骨架和金属电阻丝）和电刷（活动触点）两个基本部分组成。由图可见，当有机械位移时，电位器的动触点产生位移，而改变了动触点相对于电位参考点（A点）的电阻，从而实现了非电量（位移）到电量（电阻值或电压幅值）的转换。电位器式传感器有线性和非线性电位器式传感器两大类。xR4.1.1电位器式传感器的结构图4-1电位器式传感器原理图a）直线位移式b）转角位移式1－金属电阻丝2－骨架3－电刷电位器式传感器结构形式•电位器式传感器分类–滑线式–半导体式–骨架式–分段电阻式–液体触点式•电位器式传感器结构如右图所示。4.1.2线性电位器式传感器•线性电位器式传感器的理想空载（负载电阻）特性曲线应具有严格的直线性关系。图4-2是线性电位器式传感器原理图。由图可见，线性电位器式传感器的骨架截面处处相等，由材料均匀的金属电阻丝按相等截距绕制成电阻元件，因此其最大电阻值为：••式中，为导线的电阻率；为导线的截面积；和分别为骨架的宽度和高度；为电位器线圈的总匝数。ANhbR)(2maxAbhN图4-2线性电位器式传感器原理图a）结构图b）原理图•由于电位器单位长度上电阻值处处相等，当电刷行程为时，对应的空载输出电阻和输出电压分别为：和•式中，和分别为电位器电刷的最大行程和加于电位器两端的最大电压；和分别为线性电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度。•由于，为导线间的节距，因此和可表示为：和式中，为导线中的电流。xkxxRRRxmaxmaxxkxxUUUxmaxmaxxmaxxmaxUUkRkNtxmaxAthbkR)(2AthbIkU)(2tUkRkI•实际上绕线线性电位器的变换是一匝一匝进行的，电刷每移过一匝，输出电压（或电阻）产生一个增量（），其值为：•由此可见，绕线线性电位器传感器的输入输出特性不是线性的，而是一条阶梯特性曲线。其理想阶梯特性曲线见图4-3。•由图4-3可求出绕线线性电位器传感器的电压分辨率，其定义为：在工作行程内电位器产生一个可测得出的输出电压变化量与最大输出电压之比的百分数，即：URNUUmaxBk%1001%100%100maxmaxmaxNUNUUUkB图4-3绕线线性电位器传感器理想阶梯特性曲线•由图4-3可求出绕线线性电位器传感器的阶梯误差，其定义为理想阶梯特性曲线与理想的理论直线的最大偏差值与最大输出电压之比的百分数，即：•上面研究的是线性电位器的空载特性。实际上，由于负载电阻，当传感器带负载时的工作特性称为负载特性。由于负载效应的存在，传感器的负载特性与理想空载特性之间存在着偏差称为负载误差。负载误差与负载电阻的大小有关，负载电阻愈大，负载误差愈小，反之亦然。%10021%100)21(%1002maxmaxmaxNUNUUUrjjrlRlRlR•带负载线性电位器传感器电路见图4-4。图中，，，，，。求负载误差。若，负载误差又是多少？解：由式（4-2）和式（4-3）可求得位移时传感器电阻和空载输出电压分别为：由图可求得带负载时的输出电压为：V5maxUk5maxRmmx50maxmmx30k20lRk100lR)(k330505maxmaxxxRRxV330505maxmaxxxUUxxk20lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax83.2203203)35(2032035图4-4带负载电位器传感器电路图引起的负载误差为：若负载，可求得输出电压为：引起的负载误差为：由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必须保证负载电阻以上。%7.5%1003383.2%100xxxllUUUrk100lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax)(96.210031003)35(100310035V%3.1%1003396.2%100xxxllUUUrmax20RRl•非线性电位器传感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触感器，也称为函数电位器传感器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其它任意函数，因此可以满足控制系统的特殊要求。•常用的非线性电位器传感器有变骨架式、变截距式和分路电阻式等。•对广大用户而言，常用分路电阻式，因此仅讨论分路电阻式非线性电位器传感器。4.1.3非线性电位器传感器分路电阻式非线性电位器传感器•分路电阻式非线性电位器传感器的工作原理实际上是通过折线逼近法来实现函数变换关系的，见图4-6。图4-6分路电阻式非线性电位器传感器a）特性曲线b）电路图4.1.4电位器式传感器的应用•1.电位器式压力传感器如图4-8所示，弹性敏感元件波纹管在被测压力p作用下，产生弹性位移，通过连杆带动电位器的电刷在电阻丝上滑动，因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。图4-8电位器式压力传感器原理•2.电位器式位移测量电位器式传感器测量的基本参数是直线位移或转角位移，因此，凡能转变成位移的参数均可用电位器作为检测元件，例如，温度、物位、振动、位移、速度、线膨胀等。图4-9为电位器式数字位移测量仪，其量程达40.00mm，精度达±0.01mm,用位数字显示。4.1.4电位器式传感器的应用Doyouhavemadeaprogresstoday?