電位器式傳感器

1、1四川成都 西嶺雪山 海拔3000米2天上的云海天上的云海3第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將原理是將被測物理量被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成的變化轉(zhuǎn)換成電阻值電阻值的變化，的變化，再經(jīng)相應(yīng)的再經(jīng)相應(yīng)的測量電路測量電路而最后顯示被測量值的變化。而最后顯示被測量值的變化。 電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測以及實現(xiàn)生等測試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過

2、程檢測以及實現(xiàn)生產(chǎn)自動化不可缺少的手段之一。產(chǎn)自動化不可缺少的手段之一。 4第第2 2章章 電阻式傳感器電阻式傳感器 2.1電位器式傳感器電位器式傳感器 2.2應(yīng)變片式傳感器應(yīng)變片式傳感器52.1 電位器式傳感器電位器式傳感器| 電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角來使用。它們主要用于

3、測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。等各種參數(shù)。 | 電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實現(xiàn)任意重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。易磨損。| 電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用

4、的以單圈線繞電位器居多。線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。6一、線性電位器的空載特性一、線性電位器的空載特性 線性電位器的理想空載特性曲線應(yīng)具線性電位器的理想空載特性曲線應(yīng)具有嚴(yán)格的線性關(guān)系。圖有嚴(yán)格的線性關(guān)系。圖2-12-1所示為電位器式位所示為電位器式位移傳感器原理圖。如果把它作為變阻器使用移傳感器原理圖。如果把它作為變阻器使用, ,假定全長為假定全長為x xmaxmax的電位器其總電阻為的電位器其總電阻為R Rmaxmax, ,電阻電阻沿長度的分布是均勻的沿長度的分布是均勻的, ,則當(dāng)滑臂由則當(dāng)滑臂由A A向向B B移動移動x x后后,A,A點(diǎn)到電刷間的阻值為點(diǎn)到電刷間的阻值為

5、 maxmaxxxRRx(2-1) 2.1.1 線性電位器線性電位器7圖2-1 電位器式位移傳感器原理圖8 若把它作為分壓器使用若把它作為分壓器使用,且假定加在電位器且假定加在電位器A、B之間的電壓為之間的電壓為Umax,則輸出電壓為則輸出電壓為maxmaxxxUUx(2-2) 圖圖2-2所示為電位器式角度傳感器。作變阻器使用所示為電位器式角度傳感器。作變阻器使用,則電阻與角度的關(guān)系為則電阻與角度的關(guān)系為 maxmaxaaRRa(2-3) 作為分壓器使用作為分壓器使用,則有則有 maxmaxaxUUx(2-4) 9圖2-2 電位器式角度傳感器10 線性線繞電位器理想的輸出、輸入關(guān)系遵線性線繞電

6、位器理想的輸出、輸入關(guān)系遵循上述四個公式。因此對如圖循上述四個公式。因此對如圖2-3 所示的位移傳所示的位移傳感器來說感器來說,因為因為maxmax2()Rbh nAxnt其靈敏度應(yīng)為其靈敏度應(yīng)為 (2-6) (2-5) AthbIxUkAthbxRkR)(2)(2maxmaxumaxmax11 圖2-3 線性線繞電位器示意圖12 式中式中,kR、ku分別為電阻靈敏度、分別為電阻靈敏度、電壓靈敏度電壓靈敏度;為導(dǎo)線電阻率為導(dǎo)線電阻率;A為導(dǎo)線橫為導(dǎo)線橫截面積截面積;n為線繞電位器繞線總匝數(shù)。為線繞電位器繞線總匝數(shù)。 由式可以看出由式可以看出,線性線繞電位線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除

7、與電阻器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率率有關(guān)外有關(guān)外,還與骨架尺寸還與骨架尺寸h和和b、導(dǎo)線橫、導(dǎo)線橫截面積截面積A(導(dǎo)線直徑導(dǎo)線直徑d）、繞線節(jié)距）、繞線節(jié)距t t等結(jié)等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)構(gòu)參數(shù)有關(guān);電壓靈敏度還與通過電位器電壓靈敏度還與通過電位器的電流的電流I的大小有關(guān)。的大小有關(guān)。 13 二、 階梯特性、階梯誤差和分辨率 圖圖2-4所示為繞所示為繞n匝電阻絲的線性電位匝電阻絲的線性電位器的局部剖面和階梯特性曲線圖。電刷在電位器器的局部剖面和階梯特性曲線圖。電刷在電位器的線圈上移動時的線圈上移動時,線圈一圈一圈的變化線圈一圈一圈的變化,因此因此,電電位器阻值隨電刷移動不是連續(xù)地改變位器阻值隨

8、電刷移動不是連續(xù)地改變,導(dǎo)線與一導(dǎo)線與一匝接觸的過程中匝接觸的過程中,雖有微小位移雖有微小位移,但電阻值并無變但電阻值并無變化化,因而輸出電壓也不改變因而輸出電壓也不改變,在輸出特性曲線上對在輸出特性曲線上對應(yīng)地出現(xiàn)平直段應(yīng)地出現(xiàn)平直段;當(dāng)電刷離開這一匝而與下一匝當(dāng)電刷離開這一匝而與下一匝接觸時接觸時,電阻突然增加一匝阻值電阻突然增加一匝阻值,因此特性曲線相因此特性曲線相應(yīng)出現(xiàn)階躍段。這樣應(yīng)出現(xiàn)階躍段。這樣,電刷每移過一匝電刷每移過一匝,輸出電壓輸出電壓便階躍一次便階躍一次,共產(chǎn)生共產(chǎn)生n個電壓階梯個電壓階梯,其階躍值亦即其階躍值亦即名義分辨率為名義分辨率為maxUUn(2-7) 14圖2-4

9、 局部剖面和階梯特性圖15 實際上實際上,當(dāng)電刷從當(dāng)電刷從j匝移到匝移到(j+1)匝的過匝的過程中程中,必定會使這兩匝短路必定會使這兩匝短路,于是電位器的總匝于是電位器的總匝數(shù)從數(shù)從n匝減小到（匝減小到（n-1）匝）匝,這樣總阻值的變化這樣總阻值的變化就使得在每個電壓階躍中還產(chǎn)生一個小階躍。就使得在每個電壓階躍中還產(chǎn)生一個小階躍。這個小電壓階躍亦即次要分辨脈沖為這個小電壓階躍亦即次要分辨脈沖為max11()1aUUjnn(2-8) mnUUU (2-9) 16maxmax1100%baUneUn(2-10) 主要分辨脈沖和次要分辨脈沖的延續(xù)比主要分辨脈沖和次要分辨脈沖的延續(xù)比,取決于電刷和導(dǎo)線

10、直徑的比。若電刷的直徑太小取決于電刷和導(dǎo)線直徑的比。若電刷的直徑太小,尤其使用軟合金時尤其使用軟合金時,會促使形成磨損平臺會促使形成磨損平臺;若直徑若直徑過大過大,則只要有很小的磨損就將使電位器有更多則只要有很小的磨損就將使電位器有更多的匝短路的匝短路,一般取電刷與導(dǎo)線直徑比為一般取電刷與導(dǎo)線直徑比為10可獲得可獲得較好的效果。較好的效果。 工程上常把圖工程上常把圖2-4那種實際階梯曲線那種實際階梯曲線簡化成理想階梯曲線簡化成理想階梯曲線, 如圖如圖2-5所示。這時所示。這時,電位器的電壓分辨率定義為電位器的電壓分辨率定義為:在電刷行程內(nèi)在電刷行程內(nèi),電位電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電

11、壓器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓Umax之之比的百分?jǐn)?shù)比的百分?jǐn)?shù),對理想階梯特性的線繞電位器對理想階梯特性的線繞電位器,電壓電壓分辨率為分辨率為17圖2-5 理想階梯特性曲線18 除了電壓分辨率外除了電壓分辨率外,還有行程分辨還有行程分辨率率,其定義為其定義為:在電刷行程內(nèi)在電刷行程內(nèi),能使電位器產(chǎn)生能使電位器產(chǎn)生一個可測出變化的電刷最小行程與整個行程之一個可測出變化的電刷最小行程與整個行程之比的百分?jǐn)?shù)比的百分?jǐn)?shù),即即maxmax1100%byxnexn(2-11) 19 從圖從圖2-5中可見中可見,在理想情況下在理想情況下,特性曲線特性曲線每個階梯的大小完全相同每個階梯的大小完全相同,

12、則通過每個階梯中點(diǎn)的則通過每個階梯中點(diǎn)的直線即是理論特性曲線直線即是理論特性曲線,階梯曲線圍繞它上下跳動階梯曲線圍繞它上下跳動,從而帶來一定誤差從而帶來一定誤差,這就是階梯誤差。電位器的階這就是階梯誤差。電位器的階梯誤差梯誤差 通常以理想階梯特性曲線對理論特性曲通常以理想階梯特性曲線對理論特性曲線的最大偏差值與最大輸出電壓值的百分?jǐn)?shù)表示線的最大偏差值與最大輸出電壓值的百分?jǐn)?shù)表示,即即j(2-12) %10021)21(maxmaxnUnUj20 階梯誤差和分辨率的大小都是由線階梯誤差和分辨率的大小都是由線繞電位器本身工作原理所決定的繞電位器本身工作原理所決定的,是一種原理是一種原理性誤差性誤差

13、,它決定了電位器可能達(dá)到的最高精度。它決定了電位器可能達(dá)到的最高精度。在實際設(shè)計中在實際設(shè)計中,為改善階梯誤差和分辨率為改善階梯誤差和分辨率,需增需增加匝數(shù)加匝數(shù),即減小導(dǎo)線直徑（小型電位器通常選即減小導(dǎo)線直徑（小型電位器通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線）或增加骨架長度（如采或更細(xì)的導(dǎo)線）或增加骨架長度（如采用多圈螺旋電位器用多圈螺旋電位器)。 212.1.2 2.1.2 非線性電位器非線性電位器非線性電位器是指在空載時其輸出電壓非線性電位器是指在空載時其輸出電壓(或電阻或電阻)與與 電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。常用的非線

14、性線繞電位器有變骨也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。22 變骨架式非線性電位器 變骨架式電位器是利用改變骨架高變骨架式電位器是利用改變骨架高度或?qū)挾鹊姆椒▉韺崿F(xiàn)非線性函數(shù)特性。度或?qū)挾鹊姆椒▉韺崿F(xiàn)非線性函數(shù)特性。 圖圖2-6所示為一種變骨架高度式非線所示為一種變骨架高度式非線性電位器。性電位器。 23圖2-6 變骨架式電位器24 骨架變化的規(guī)律骨架變化的規(guī)律 變骨架式非線性電位器是在保持電位變骨架式非線性電位器是在保持電位器結(jié)構(gòu)參數(shù)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、A、t不變時不變時,只改變骨架寬度只改變骨架寬度b或高

15、度或高度h來實現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系。這里以只改來實現(xiàn)非線性函數(shù)關(guān)系。這里以只改變變h的變骨架高度式非線性線繞電位器為例來的變骨架高度式非線性線繞電位器為例來對骨架變化規(guī)律進(jìn)行分析。在圖對骨架變化規(guī)律進(jìn)行分析。在圖2-6所示曲線所示曲線上任取一小段上任取一小段,則可視為直線則可視為直線,電刷位移為電刷位移為x,對應(yīng)的電阻變化就是對應(yīng)的電阻變化就是R,因此前述的線性電位因此前述的線性電位器靈敏度公式仍然成立器靈敏度公式仍然成立,即即 AthbIxUkAthbxRkR)(2)(2maxmaxumaxmax25當(dāng)當(dāng)x0時時,則有則有 2()2()dRbhdxAtdUbhIdxAt(2-13) 由上述兩個公

16、式可求出骨架高度的變化規(guī)律為由上述兩個公式可求出骨架高度的變化規(guī)律為212At dRhbdxAt dRhbIdx(2-14) (2-15) 26電阻靈敏度電阻靈敏度kR 、電壓靈敏度、電壓靈敏度ku分別為分別為:dxdUkdxdRkxxRu(2-17) (2-16) 27 上面討論的電位器空載特性相當(dāng)于負(fù)上面討論的電位器空載特性相當(dāng)于負(fù)載開路或為無窮大時的情況載開路或為無窮大時的情況,而一般情況下而一般情況下,電電位器接有負(fù)載位器接有負(fù)載,接入負(fù)載時接入負(fù)載時,由于負(fù)載電阻和電由于負(fù)載電阻和電位器的比值為有限值位器的比值為有限值,此時所得的特性為負(fù)載此時所得的特性為負(fù)載特性特性,負(fù)載特性偏離理

17、想空載特性的偏差稱為負(fù)載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差電位器的負(fù)載誤差,對于線性電位器負(fù)載誤差對于線性電位器負(fù)載誤差即是其非線性誤差。帶負(fù)載的電位器的電路如即是其非線性誤差。帶負(fù)載的電位器的電路如圖圖2-7所示。電位器的負(fù)載電阻為所示。電位器的負(fù)載電阻為RL,則此電則此電位器的輸出電壓為位器的輸出電壓為2.1.3 負(fù)載特性與負(fù)載誤差負(fù)載特性與負(fù)載誤差28圖2-7 帶負(fù)載的電位器29相對輸出電壓為（可繪制為圖相對輸出電壓為（可繪制為圖2-8）：）：(電阻相對變化電阻相對變化r=Rx/Rmax電位器的負(fù)載系數(shù)為電位器的負(fù)載系數(shù)為m=Rmax/RL） (2-19) 理想空載特性為：理

18、想空載特性為：(2-20) (2-18) 2maxmaxxxLLxLRRRRRRRUU)1 (1rrmrUUYLrRRUUYxmax0030圖2-8 電位器的負(fù)載特性曲線族31(2-21) (2-22) 電位器在接入負(fù)載電阻電位器在接入負(fù)載電阻RL后的負(fù)載誤差為后的負(fù)載誤差為 (2-23) 線性電位器線性電位器XxxRRrxmaxmax)1 (1XmXXUUYL對于線性電位器電阻相對變化就是電阻相對行程，即對于線性電位器電阻相對變化就是電阻相對行程，即%100)1 (111 %10000rmrUUULL32 圖圖2-9所示為所示為L與與m、X的曲線關(guān)系。由的曲線關(guān)系。由圖可見圖可見,無論無論m

19、為何值為何值,X=0和和X=1時時,即電刷在即電刷在起始位置和最終位置時起始位置和最終位置時,負(fù)載誤差都為零負(fù)載誤差都為零;當(dāng)當(dāng)X=1/2時時,負(fù)載誤差最大負(fù)載誤差最大,且增大負(fù)載系數(shù)時且增大負(fù)載系數(shù)時,負(fù)負(fù)載誤差也隨之增加。對線性電位器載誤差也隨之增加。對線性電位器,當(dāng)電刷處于當(dāng)電刷處于行程中間位置時行程中間位置時,其非線性誤差最大。其非線性誤差最大。 若要求負(fù)載誤差在整個行程都保持若要求負(fù)載誤差在整個行程都保持在在3%以內(nèi)以內(nèi),由于當(dāng)由于當(dāng)X=1/2時時,負(fù)載誤差最大負(fù)載誤差最大,即即11 100%() 100%3%1141(1)22fmmmL33圖2-9 電位器負(fù)載誤差曲線34 則必須使

20、則必須使RL10Rmax。但是有時負(fù)載。但是有時負(fù)載滿足不了這個條件滿足不了這個條件,一般可以采取限制電位器一般可以采取限制電位器工作區(qū)間的辦法減小負(fù)載誤差工作區(qū)間的辦法減小負(fù)載誤差;或?qū)㈦娢黄鞯幕驅(qū)㈦娢黄鞯目蛰d特性設(shè)計為某種上凸的曲線空載特性設(shè)計為某種上凸的曲線,即設(shè)計出非即設(shè)計出非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差線性電位器也可以消除負(fù)載誤差,此非線性電此非線性電位器的空載特性曲線位器的空載特性曲線2與線性電位器的負(fù)載特與線性電位器的負(fù)載特性曲線性曲線1,兩者是以特性直線兩者是以特性直線3互為鏡像的互為鏡像的, 如圖如圖2-10所示。所示。 35 圖2-10 非線性電位器的空載特性與線性電位器的

21、負(fù)載特性的鏡象關(guān)系362.1.4 電位器的結(jié)構(gòu)與材料電位器的結(jié)構(gòu)與材料 由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。絲繞成。 1、電阻絲：、電阻絲： 電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強(qiáng)度、電勢及加工電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強(qiáng)度、電勢及加工 2、電刷：某些電刷結(jié)構(gòu)如圖、電刷：某些電刷結(jié)構(gòu)如圖2-11 電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置電刷

22、觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置 3、骨架。、骨架。 膨脹系數(shù)、絕緣性能、強(qiáng)度及加工膨脹系數(shù)、絕緣性能、強(qiáng)度及加工 37圖2-11 某些電刷結(jié)構(gòu)382.1.5 電位器式傳感器應(yīng)用舉例電位器式傳感器應(yīng)用舉例 電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器 電位器式壓力傳感器是利用彈性元件（如電位器式壓力傳感器是利用彈性元件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力變換為彈性元件彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點(diǎn)的移動，從而引起的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點(diǎn)的移動，從而引起輸出電壓或電流的相應(yīng)變化。輸出電壓或電流的相應(yīng)變化。 如圖如圖2-12 為為YCD-150型遠(yuǎn)程壓力表原

23、理圖。型遠(yuǎn)程壓力表原理圖。 彈簧管內(nèi)通入被測流體彈簧管內(nèi)通入被測流體,在流體壓力作用下在流體壓力作用下,彈簧管產(chǎn)彈簧管產(chǎn)生彈性位移生彈性位移, 使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動組上滑動,因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。該電壓信號可遠(yuǎn)距離傳送該電壓信號可遠(yuǎn)距離傳送,故可作為遠(yuǎn)程壓力表故可作為遠(yuǎn)程壓力表。 39圖2-12 YCO-l50型壓力傳感器原理圖40 電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器 電位器式壓力傳感器如圖電位器式壓力傳感器如圖2-13 彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測流體通入被測流體,在流在流體壓力作用下體壓力作用下,膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移,推動推動連桿上移連桿上移,使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動器繞組上滑動,同樣輸