电位器式传感器

1、第9章 电位器式传感器 9.1 线性电位器 9.2 非线性电位器 9.3 负载特性与负载误差 9.4 电位器式传感器 概述 电位器是一种机电转换元件，可将位移转换成电阻或电压输出。 优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输出信号大，受环境影响小。 缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量的检测。是德国ALTMANN专业位移传感器制造商提供的导电塑料角度传感器。 9.1 线性电位器 电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。 9.1.1 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9

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 (9.1) 图9.1 电位器式位移传感器原理图 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(9.2) 图9.2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 (9.3) 作为分压器使用,则有 (9.4) 结论：线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公式。图9.2 电位器式角度传感器原理图因此对如图9.3所示的位移传感器来说,因为其灵敏度应为 (9.6) 骨架宽

3、、高(9.5) 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。图9.3 线性线绕电位器示意图图9.3 线性线绕电位器示意图 9.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图9.4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

4、,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(9.7) 图9.4 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：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：大阶跃脉冲为主脉冲，视在分辨脉冲： 工程上常把图9.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图9.

5、5所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)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,即为： 除了电压分辨率外, 行程分辨率定义为: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(9.10) (9.11) 从图9.5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j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(9.12) 从图9.5中可见,在理想

6、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。 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)。 9.2 非线性电位器 9.2.1 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9.6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。 空载时输出电压或电阻与电刷行程

7、之间具有非线性关系。常见有变骨架、变节距、分路电阻或电位给定四种。图9.6 变骨架高度式非线性电位器 1.骨架变化的规律结构参数、A、t不变,只改变骨架宽度b或高度h曲线上任取一小段,可视为直线电刷位移为x,对应的电阻变化就是R,线性电位器灵敏度公式仍然成立：当x0时,则有 (9.13) (9.14) 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：(9.15) (9.16) 2.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 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(9.17) 3.

8、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,但由于结构和工艺上的原因,结构必须满足（1）为保证强度,骨架的最小高度hmin34mm,不能太小。（2）特性曲线斜率也不能过大,否则骨架高度很大或骨架坡度太高,骨架型面坡度应小于2030，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9.7(b)所示。 （2）减小具有连续变化特性的骨架的制造和绕制困难, 将骨架设计成阶梯形的,如图9.8所示。 图9.7 对称骨架式 （a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度 图9.8 阶梯骨架式非线性电位器 9.2.2 变

9、节距式非线性线绕电位器 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、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,如图9.9所示。由（9.13）、（9.14）式,可导出节距的基本表达式为(9.18) 图9.9 变节距式非线性电位器 2. 阶梯误差和分辨率 由图9.9可见,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,见(9.12)式。 但行程分辨率不一样,这是由于分辨率取决于绕距,而变绕距电位器绕距是变化的,其最

10、大绕距tmax发生在特性斜率最低处,故行程分辨率公式与线性线绕电位器不同,不能直接用匝数n表示,而应为 3. 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 其中可取 9.2.3 分路（并联）电阻式非线性电位器 1工作原理 对于图9.8所示的阶梯骨架式电位器通过折线逼近法实现的函数关系,采用分路电阻非线性电位器也可以实现,如图9.10所示。这种方法是在同样长度的线性电位器全行程上分若干段,引出一些抽头,通过对每一段并联适当阻值的电阻,使得各段的斜率达到所需的大小。在每一段内,电压输出是线性的,而电阻输出是非线性的。

11、 图9.10分路电阻式非线性电位器（a）分路电阻式非线性电位器;（b）输出特性 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所需的大小。在每一段内,电压输出是线性的,而电阻输出是非线性的曲线1为电阻输出特性，曲线2为电压输出特性，曲线3为要求的特性 各段并联电阻的大小,可由下式求出:(9.19) 若仅知要求的各段电压变化U1、U2和U3,那么根据允许通过的电流确定R1、R2和R3,或让最大斜率段电阻为R3（无并联电阻时）压降为U3,则求出I后,则 2. 误差分析 分路电阻式非线性电位器的行程分辨率与线性线绕电位器的相同。其阶梯误差和电压分辨率均发生在特性曲

12、线最大斜率段上(9.20) (9.21) 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。9.3 负载特性与负载误差 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9.11所示。电位器的负载电阻为Rf,则此电位器的输出电压为相对输出电压为 (9.22

13、) 电阻相对变化 (9.23) 对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即（很复杂）电位器的负载系数为(9.24) 在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为 (9.25) 接入负载Rf后的输出电压Uxf为电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为 (9.27) (9.28) 图9.12所示为f与m、X的曲线关系。 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,即将(9.25)、(9.26)两式带入上式,则得(9.28) 则使Rf10Rmax。但负载满足不了这个条件时如何减小误差? (1)限制电位器工作区间;(2)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

14、曲线),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9.13所示。图9.12 f与m、X的关系曲线 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。若要满足规定误差，怎么办？ 图9.13 非线性电位器的空载特性9.4 电位器式传感器 9.4.1 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9.14所示推杆式位移传感器可测量5200mm

15、的位移,可在温度为50C,相对湿度为98(t20C),频率为300Hz以内及加速度为300m/s2的振动条件下工作,精度为2,电位器的总电阻为1500。 传感器有外壳1,带齿条的推杆2,以及由齿轮3、4、5组成的齿轮系统将被测位移转换成旋转运动,旋转运动通过爪牙离合器6传送到线绕电位器的轴8上,电位器轴8上装有电刷9,电刷9因推杆位移而沿电位器绕组11滑动,通过轴套10和焊在轴套上的螺旋弹簧7以及电刷9来输出电信号,弹簧7还可保证传感器的所有活动系统复位。图9.14 推杆式位移传感器 外壳1齿轮4齿轮3齿轮5离合器6线绕电位器的轴8推杆2电刷9弹簧7电位器绕组11轴套10 图9.15所示替换杆

16、式位移传感器可用于量程为10mm到量程为320mm的多种测量范围,巧妙之处在于采用替换杆(每种量程有一种杆)。替换杆的工作段上开有螺旋槽,当位移超过测量范围时,替换杆则很容易与传感器脱开。需测大位移时可再换上其它杆。电位器2和以一定螺距开螺旋槽的多种长度的替换杆5是传感器的主要元件,滑动件3上装有销子4,用以将位移转换成滑动件的旋转。替换杆在外壳1的轴承中自由运动,并通过其本身的螺旋槽作用于销子4上,使滑动件3上的电刷沿电位器绕组滑动,此时电位器的输出电阻与杆的位移成比例。 图9.15 替换杆式位移传感器 图9.16 拉线式大位移传感器 9.4.2 电位器式压力传感器 电位器式压力传感器如图9

17、.17所示,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,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。 图9.17 电位器式压力传感器 9.4.3 电位器式加速度传感器 图9.18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

18、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。图9.18 电位器式加速度传感器习题1、试分析电位器式传感器的负载特性？什么是负载误差？如何减小负载误差？解：接入负载时：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非线性误差。未接入负载时，电位器的输出电压为：接入负载后的负载误差为：由上式知，无论m为何值时，X为0或1时（即起始或最终位置），误差为零，在X=1/2时，负载误差最大。若要减少误差，一般可限制电位器工作区间；或将电位器的空载特性设计成某种上凸的曲线，即 设计出非线性电位器也可减小非线性误差，使非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的误差抵消。如上图。2、电位器式传感器线圈电阻为10K，电刷最大行程4mm。若允许最大消耗功率40mW，传感器所用激励电压为允许的最大激励电压，试求当输入位移量为1.2mm时，输出电压是多少？解：若该位移传感器工作在空载状态， 则：R=10*103 ，L=4mm，P=40mW P=V2/R，V=20V 当L=1.2mm时， Vo=V*1.2/4=6V3、在上题位移传感器后接一电压表，表的内阻为电位器电阻的两倍，试计算电刷位移量为电刷最大行程50%时电位器的负载误差？解：电位器在空载时电刷位移量为电刷最大行程50%时的输出电