电位器式传感器.ppt

同学们好同学们好！ 四川成都 西岭雪山 海拔3000米 1 天上的云海 2 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。 3 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 4 2.1 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。 5 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 (2- 1) 2.1.1 线性电位 器 6 图2-1 电位器式位移传感器原理图 7 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 (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 (2-3) 作为分压器使用,则有 (2-4) 8 图2-2 电位器式角度传感器 9 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 其灵敏度应为 (2-6) (2-5) 10 图2-3 线性线绕电位器示意图 11 式中,kR、ku分别为电阻灵敏 度、电压灵敏度;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。 12 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 (2-7) 13 图2-4 局部剖面和阶梯特性图 14 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 (2-8) (2-9) 15 (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 16 图2-5 理想阶梯特性曲线 17 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 (2-11) 18 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 (2-12) 19 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)。 20 2.1.2 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。 21 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。 22 图2-6 变骨架式电位器 23 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、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x,对应的电阻变化就是R,因此前述 的线性电位器灵敏度公式仍然成立,即 24 当x0时,则有 (2-13) 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为 (2-14) (2-15) 25 电阻灵敏度kR 、电压灵敏度ku分 别为: (2-17) (2-16) 26 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 27 图2-7 带负载的电位器 28 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) 29 图2-8 电位器的负载特性曲线族 30 (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 对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即 31 图2-9所示为L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 32 图2-9 电位器负载误差曲线 33 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。 34 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 35 2.1.4 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 36 图2-11 某些电刷结构 37 2.1.5 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。 38 图2-12 YCO-l50型压力传感器原理图 39 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。 40 图2-13 膜盒电位器式压力传感器原理图 41 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。 42 图2-14 电位器式位移传感器示意图 43 图2-15 测小位移传感器示意图 44 电位器式加速度传