《电位器式传感器》PPT课件

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1、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。电阻式传感器可分为两大类：1、电位器式传感器2、应变片式传感器第2章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

2、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。第2章电位器式传感器2.1线性电位器2.2非线性电位器2.3负载特性与负载误差2.4电位器式传感器的应用2.1线性电位器2.1.1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x

3、max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)图2.1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(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)图2.2电位器式角度传感器原理图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)图2.3线性线绕电位器示意图图2.3线性线绕电位器示意图式中,SR、SU分别为电阻灵敏

4、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(2.5)、(2.6)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。2.1.2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

5、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)图2.4局部剖面和阶梯特性实际上,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)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

6、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(2.10)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)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

7、动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。电位器的阶梯误差δj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)图2.5理想阶梯特性曲线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)。2.2非线性电位器2.2.1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