21电位器式电阻传感器

12电阻式传感器的根本原理是将含时的非电量〔如力、位移、形变、速度、加速度和扭矩等参数〕转换为含时的电阻值〔或电压值。通过测量电路对电阻值〔或电压值〕进展测量，以到达对上述非电量测量的目的。其核心转换元件是电阻元件。测量电路一般包括采样电路、滤波电路、放大电路和显示等。依据不同的电阻材料，电阻式传感器受非电量的作用转换成电阻参数变化的机理各不一样，因此，依据其不同的电阻材料和转换机理，电阻式传感器可分为五大类：1、电位器〔计〕式利用变阻器的原理，输出阻值随输出端位置的变化而变化。2、应变片式利用金属和半导体材料的应变-电阻效应，输出阻值随材料的形变而转变。3、压阻式利用石英等晶体的压电效应实现压电转换，其输出阻值随加在材料上的压力而变化。4、光阻式利用半导体材料的光电效应，将光能转换为电能，其输出阻值与外加光的强弱及性质有关。5、热阻式利用金属、半导体材料的电阻-温度特性，将热能转换为电能，其输出阻值随材料温度的变化而变化。本章重点介绍电位器式和应变片式电阻传感器，其它将在后面的章节中间续介绍。电位器式主要用于非电量变化较大的测量场合；应变式用于测量非电量变化较小的状况，其灵敏度较高。2.1电位器式电阻传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最根本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的根底上，对电阻元件的形式和工作方式进展进展，其包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。本节重点介绍线绕电位器的原理及其输出特性，概述非线绕式电位器的原理和构造。按特性不同还可分为：1、线性电位器；2、非线性电位器。线性电位器一线绕电位器构造L(R)0 0L(R)0 0I0L(R)RLIL132机械位移信号机械位移信号电信号周密电位器转换元件图2.1.1电位器式电阻传感器的转换关系 图2.1.2周密电位器的电路符号图周密电位器在电路中的符号如图2.1.2所示。它由电阻元件和电刷两局部组成，电刷就是输出的抽头端。工作时，在1、2端加上固定的直流工作电压，从1、3端输出电压。这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随被测量产生位移时，输出电压发生相应的变化，这是周密电位器的工作原理。要求电阻丝的电阻系数高，温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势小，耐磨损和腐蚀，可焊性好。常用的材料有：康铜丝、铂铱合金和卡玛丝。活动电刷由电刷触头、电刷臂、导问和轴承装置构成。电刷与电阻丝的材料应相匹配，通常应使电刷比电阻丝的材料硬度相近或稍高，这样可提高电位器的工作牢靠性，减小噪音和延长工作寿命。电刷触头的材料通常是银、铂铱合金、铂铑合金。电刷上要保持肯定的接触压力，通常为50~100mN，过大会增大误差并加速磨损，过小则不能形成牢靠的电气接触。故电刷臂通常用弹性较好的材料，如磷青铜。要求骨架材料与电阻丝材料具有一样的膨胀系数，电气绝缘性好，有足够的强度和刚度，散热性好，耐潮湿，易加工。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等绝缘材料。对于周密电位器，常承受经绝缘处理过的金属骨架〔外表覆有绝缘层，其导热性好，可提高电位器的允许电流，强度大，易于加工，加工精度高。骨架的外形很多，有矩形、环形、柱形和棒形等。电位器绕制完成后，要用电木漆或其它绝缘漆浸渍，与电刷接触的工作面的绝缘漆要挂掉，并进展机械抛光。原理与空载和负载特性当电位器不带负载时，输出量随输入量的变化关系叫空载特性。对于图2.1.2，设输入工作电压为U ，电位器的总阻值为R ，总行程为L，电刷的行程为L，相应0 0 0R叫输出端电阻。空载时，输出端电压为UU 0SC R0

R (2.1.1)R线性变化，则UU 0SC L0

L (2.1.2)电位器的电阻灵敏度为R Rk 0R L L0

(2.1.3)电位器的电压灵敏度为U Uk sc 0

(2.1.4)V L L0k ,kR

由上两式可看出k ,kR V

均为常数，这样的为其叫线性电位器。RL

0RL

R并联，使带负载的输出电压小于空载时的输出电压。得到负载时的输出电压为RU

//R RRU L UU

(2.1.5)L R RR0 L

//R

RR RRL 0

R2 0将式〔2.1.5〕与空载时的输出电压〔2.1.1〕比较，带负载时的输出电压小于空载输出电压。KR/R0

R0

/R为负载系数，则有L空载：USC

KU0

(2.1.6)KU负载：U 0

(2.1.7)L 1K1K由此可见，对于线性电位器，在空载下输出电压正比于分压系数，正比于输出端电阻R。也就是说，输出L是线性关系。但是在负载下，输出电压与输出端电阻呈非线性关系，且小于空载输出电压。由式〔2.1.7〕2.1.3K0K1时，空载与负载输出电压相等；假设电位器的分压系数K肯定，即电刷处于某一位置不变，则负载系数RL

越大，这时空载输出电压越接近负载输出电压，负载误差越小，电U /UL 0KU /UL 0K2.1.3线性电位器的负载特性曲线令UUSC

U 为负载误差，则相对负载误差为UL U

100% 。对于〔2.1.7〕式，当肯定时，对0KK2/3时，负载误差最大。因此在实际电位器电路中，最大负载2/3阻值四周，此时减小电位器负载误差的方法

max

0.15。由负载输出特性知，在分压系数K肯定时，随着负载系数的减小，输出电压Usc

将增大，并接近空载输出电压USC

。因此在条件许可状况下，应尽量使负载系数减小，即尽量承受较大的负载电阻R 。L例1R0

1k，要求负载误差

0.1%，试用负载系数减小发确定负载电阻R。L解：由

max

R0.15 0得到RLR 0.15RR 0

0.151k

150kL

0.1%即要满足负载误差

0.1%RL

应大于150k。线绕电位器的阶梯特性、阶梯误差和区分率n匝电阻丝绕制而成的线性电位器，当电刷在与一匝电阻丝接触的过程中，虽有微小位移，但电阻值并无变化，因而输出电压不变，在输出特性曲线上对于一段平直线。这n个电压阶梯。输出电压的阶跃值就是传感器的视在区分脉冲UUmaxn

〔2.1.8〕其中U

n为线圈匝数。j匝电阻丝移到第(j1)匝电阻丝的过程中，必定会使这两匝电阻丝短U0U0实际特性曲线理论特性曲线UmUnUU0U0实际特性曲线理论特性曲线UmUnU抱负特性曲线0x0x图2.1.4线绕线性电位器的实际输出特性曲线 图2.1.5阶梯特性小的阶跃应有(n2)01匝电阻丝的短路中，不会使总匝数降低而影响输出电压。在一个视在脉冲中，存在小的阶梯和一个大的阶梯，小的阶梯是次要区分脉冲Un

，大的阶梯是主Um

，视在脉冲是二者之和，即UUm

Un

〔2.1.9〕当电刷接在第j匝电阻丝时，其输出电压为U

max

j；当电刷接在第j匝与第(j1)匝电阻丝时，其n输出电压为U

max

j 。这时的次要区分脉冲为n1U U

1

1 j j U

〔2.1.10〕n maxn1 n

(n1)

maxnUnjjn1，此时UnUmax/n。主要区分脉冲和次要区分脉冲的连续时间比，取决于电刷与导线的直径比。电刷直径太小，会促使形10效果最正确。2.1.42.1.5抱负的阶梯特性曲线。这时，特性特性曲线各个阶梯大小完全一样。定义电位器的电压区分率为：视在区分脉冲电压〔最大阶梯电压〕与最大输出电压之比，即U /ne maxba Umax

1100%n

100% 〔2.1.11〕定义行程区分率为：可测出的电刷最小行程与电刷整个工作行程之比，即xe maxby x

/n100%

1100% 〔2.1.12〕nmax在图2.1.5中，过中心点并穿过抱负阶梯特性曲线的直线叫理论特性直线，阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波动。假设用理论特性直线取代抱负阶梯特性曲线，势必带来肯定误差，这就是阶梯误差。阶梯误差定义为：抱负阶梯特性曲线相对于理论直线的最大偏差电压与最大输出电压之比，即1 U max 1 2 n j Umax

100% 100% 〔2.1.13〕2n阶梯误差和区分率的大小都是由现绕式电位器自身的工作原理所打算的，无法消退。它们打算了电位器可能到达的最高精度。通过增加导线匝数来改善阶梯误差和提高区分率。在实际中，可减小导线直径或增加骨架长度来实现。二非线绕电位器式电阻传感器线绕电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变化等优点，但是也有不少缺点，如区分率差、耐磨性差、寿命较短等。因此，人们研制了一些性能优良的非线绕式电位器。薄膜电位器薄膜电位器的构造与周密线绕电位器的大致相仿，由基体、电阻膜带、电刷、转轴和导电环等组成。是电位器的电阻元件，它是在基体上喷涂或蒸镀具有肯定外形的电阻膜带而形成的。依据在基体上喷涂材料的不同，薄膜电位器可分为合成膜电位器和金属膜电位器两类。薄膜电位器的电刷通常承受多指电刷，以减小接触电阻，提高工作的稳定性。合成膜电位器是在绝缘基体外表喷涂一层由石墨、炭黑等材料配制的电阻液，经烘干聚合后制成电阻膜。这种电位器的优点是区分率高、耐磨性较好、工艺简洁、本钱较低、线性度好，但有接触电阻大、噪声大和抗潮性差等缺点。金属膜电位器是在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜等。这种金属膜电位器的温度系数小，具有在高温下〔150℃以上〕牢靠工作等优点，但仍存在耐磨性差、功率小、阻值较低〔1~2kΩ〕等缺点。导电塑料电位器这种电位器由塑料粉及导电材料粉〔合金、石墨、炭黑等〕压制而成，又被称为实心电位器，其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大〔几十~几百克作，阻值范围大，能承受较大的功率；其缺点是温度影响较大、接触电阻大、精度不高。光电电位器上述介绍的几种电位器均是接触式电位器，它们的共同缺点是耐磨性较差、寿命较短。光电电位器是一种无接触式电位器，它抑制了接触式电位器的缺点，用光束代替常用的电刷。光电电位器由薄膜电阻带、光电导层和导电极等主要局部组成，其构造如图2.1.6所示。在图氧化铝基体上沉积一层硫化镉〔CdS〕或硒化镉〔CdSe〕的光电导层，这种半导体光电导材料，在无光照状况下，暗电阻很大，相当于绝缘体，而当受肯定强度的光照耀时，它的明电阻很小，相当于良导体，其暗电阻与明电阻之比可达105~108。光电电位器正是利用半导体光电导材料的这种性质，在光电导层上分别沉积薄膜电阻带和金属导电极，薄膜电阻带是电位器的电阻元件，相当于周密线绕电位器的绕组，或者相当于薄膜电位器中的电阻膜带，它有两个电极引出端1、2，在其上加工作电压U0

；而金属导电极相当于一般电位器的导电环，作为电位器的输出端〔电极3〕而输出信号电压UL

。薄膜电阻带和金属导电极之间形成一间隙，这样，当无光束照耀在间隙的光电导材料上时，薄膜电阻带与金属导电极之间是绝缘的，没有电压输出，U0

0。当有一束经过聚焦的窄光束照耀在光电导层的间隙上时，该处的明电阻就变得很小，相当于把薄膜电阻带和金属导电极接通，类似于电刷头与电阻元件相接触的状况，这时，金属导电极输出与光束位置相应的薄膜电阻带电压，负载电阻RL

上便有电压输出。假设光束位置移动，就相当于电刷位置移动，输出电压UL

也相应变化。UU0薄膜电阻带窄光束R光电导层〔基体〕L金属导电极UL2.1.6光电电位器原理图光电电位器的优点很多，由于它完全无摩擦，不存在磨损问题，它的精度、寿命、区分率和牢靠性都很高，阻值范围宽〔500Ω~15Ω，这些是一般电位器所不及的。但光电电位器的工作温度范围比较窄〔<150℃，输出电流小，输出阻抗较高，另外，光电电位器需要照明光源和光学系统，其构造较简单，体积和重量较大，但随着集成光路器件的进展，可以将有源和无源的光学器件〔分路器、调制器、耦合器、偏振器、干预仪、光源、光检测器等〕集成在一个光路芯片上，制成集成光路芯片，使光学系统的体积和重量大大减小，这就是集成光电子技术，这样，光电电位器构造简单的缺点就得以抑制，应用不再受此限制。非线性电位器〔不讲〕当电位器空载时，其输出电压〔或电阻〕与电刷行程之间存在非线性函数关系的电位器叫非线性电位器，又叫函数电位器。非线性函数可以是对数函数、指数函数、三角函数或其它任意函数，因此函数电位器可用来满足掌握系统中的特别要求。常用的非线性线绕式电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式四种。dx的微小位移时，导线长度变化量为电阻变化量为

dl2bh(x)dxt

〔2.1.14〕dldR x A

2bh(x)At

dx 〔2.1.15〕其中bhx)tA是导线横截面积。当作为变阻器使用时，电阻灵敏度为dRk xR dx

2bh(x)At

〔2.1.16〕Rx

的函数为h(x) AtdRxb 〔2.1.17〕 2dx 由于A,t,,b均为常数，dR /dx是位移x的函数，故灵敏度dR /dx越大，h越高，h太高绕线简洁打x xdRxh 3~4mm。min

/dx也不宜太小，更不能为零。考虑到骨架的机械强度和工艺上加工的要求，必需使当作为分压器使用时，电压灵敏度为dUk R dx

xI

2bh(x)At

〔2.1.18〕得到骨架高度与Ux的函数为h(x) At dUxb 〔2.1.19〕2I dx 电位器式传感器的应用航空飞行高度传感器航空飞行高度传感器能将飞机或飞行器的高度参数，通过传感器变成电信号输出，并指示出高度值，2.1.7所示。航空飞行高度传感器由真空膜盒、杠杆机构、齿弧、齿轮及周密电位器等局部组成。图中，P 表示HHU0

是加在周密电位器两端的工作电压，UL

为输出信号电压。齿弧齿轮杠杆机构齿弧齿轮杠