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1、第3章电位器式传感器3.1线性电位器3.2非线性电位器3.3负载特性与负载误差3.4电位器式传感器第3章电位器式传感器电位器式传感器知识结构框图概述★认识电位器：是一种机电转换元件，由电阻元件，骨架及电刷组成。★工作原理：电刷相对于电阻元件做直线运行或转动运动可将直线位移或角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。★分类：根据输入输出特性不同分类
2、:线性电位器和非线性电位器；结构分类是线绕式、薄膜式、光电式等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。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
3、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。线绕式电位器图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3.1线性电位器组成:绕于骨架上的电阻丝线圈、沿电位器滑动的滑臂、电刷。线性电位器：骨架截面处处相等，材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制。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。3.
4、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。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(3.1)图3.1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(3.2)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(3.3)作为分压器使用,则有(3.4)图3.2电位器式角度传感器原理图当电位计结构及电源电压确定后，Ku和KR为常
5、数，线性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系若电位器为空载（RL=∞）时,即空载特性为:电位计输出空载电压为:线性电位计的空载特性Ku——电位计的电压灵敏度(V/m)KR——电位计的电阻灵敏度其灵敏度应为(3.6)图3.3线性线绕电位器示意图SR和Su分别标明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。(3.5)图3.4线性线绕电位器示意图式中,SR、SU分别为电阻灵敏度、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(3.5)、(3.6)式可以看出
6、,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。电刷在电位器的线圈上移动时,线圈一圈一圈的变化，不是连续变化过程；电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，但阻值无变化，因而输出电压也不改变，在特性曲线对应表现出平直段；当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然增加，特性曲线出现阶跃段。这样,电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,从起点到终点共产生n个电压阶梯；其阶跃值即视在
7、(电压)分辨率为143.1.2阶梯特性、阶梯误差和分辨率图3.4局部剖面和阶梯特性电刷移动时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电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝阻值，输出电压便跃变一次，特性曲线相应出现阶跃段。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
8、阶跃亦即次要分辨脉冲：jj+1问题的简化处理：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。(3.9)阶梯误差理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差与最大输出电压的百分数图3.5理想阶梯曲线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(3.10)电压分辨率行程分辨率定义为
