2.1电位器式电阻传感器

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1、第2章电阻式传感器电阻式传感器的基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）进行测量，以达到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。根据不同的电阻材料，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相同，因此，根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改变。3、压阻式利

2、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陆续介绍。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情况，其灵敏度较高。2.1电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基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基础上，对电阻元件的形

3、式和工作方式进行发展，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结构。按特性不同还可分为：1、线性电位器；2、非线性电位器。2.1.1线性电位器一线绕电位器1结构线绕电位器式传感器的核心元件为精密电位器，它可以实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件，如图2.1.1所示。图2.1.1电位器式电阻传感器的转换关系图2.1.2精密电位器的电路符号图精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部分组成，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

4、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，这是精密电位器的工作原理。要求电阻丝8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可靠性，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。电刷上要保持一定的接触压力，通常为，过大会增大误差并加速磨损，过小则不能形成可靠的电气接触。故电刷臂通常用弹性较

5、好的材料，如磷青铜。要求骨架材料与电阻丝材料具有相同的膨胀系数，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。对于精密电位器，常采用经绝缘处理过的金属骨架（表面覆有绝缘层），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，并进行机械抛光。2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，电位器的总阻值为，总行程为，电刷的

6、行程为，相应的电阻叫输出端电阻。空载时，输出端电压为(2.1.1)假设电位器的绕线截面积均匀，即电阻线性变化，则(2.1.2)电位器的电阻灵敏度为(2.1.3)电位器的电压灵敏度为(2.1.4)为线绕电位器的电阻和电压灵敏度，它们分别表示单位位移所引起的输出电阻和输出电压的变化量。由上两式可看出均为常数，这样的为其叫线性电位器。若电位器的负载，由于负载电阻与电位器输出端电阻并联，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(2.1.5)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。令为分压系数，为负载系数，则有空载：(2

7、.1.6)8负载：(2.1.7)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。也就是说，输出电压与机械位移量是线性关系。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）可给出线性电位器的负载特性曲线，如图2.1.3所示。当电位器的电刷处于零位置和最大位置时，空载与负载输出电压相等；如果电位器的分压系数一定，即电刷处于某一位置不变，则负载系数越小，负载电阻越大，这时空载输出电压越接近负载输出