电位器式传感器PPT课件
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电位器式传感器
x后，A点到电刷间的阻值为：
x Rx xmax Rmax
(2-1)
若把它当作分压器使用，假定加在电位器A、B之间的电压为
Umax，则空载输出电压为：
x U x xmax U max
(2-2)
图2.2所示为电位器式角度传感器。其中 1为电阻丝；2为滑臂；3为骨架。作变阻 器使用时，电阻Rα与角度α的关系为：
2(b h)
At
KU
U max xmax
I
2(b h)
At
(2.5) (2.6)
式中，KR、KU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。
由此看出：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。
总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一小阶跃。
这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为
11
Un
Umax
(
n
1
) n
j
(2-8)
式中：U max
n
j 为电刷短接第
1
j
和
j+1
匝时的输出电压；
U max
j n
为电刷仅接触第 j 匝时的输出电压。
因此，在大的阶跃中还有小的阶跃。这种小的阶跃应
有(n-2)次，这是因为在绕线始端和终端的两次短路中，将
传感器技术及应用
电位器式传感器
电位器作为传感器，可将机械位移或其他能转换为位 移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化。 常用来测量位移、压力、加速度等物理量。由于结构简单、 尺寸小、重量轻、价格便宜、精度较高、性能稳定、输出 信号大、受环境（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响较 小，且可实现线性的或任意函数的变换，因而在自动检测 和自动控制中有着广泛的用途。
2.1 电位器式传感器
广州大பைடு நூலகம்市政技术学院 机电系
2.1.6 光电电位器式传感器
光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷 光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成
广州大学市政技术学院 机电系
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2.1.4 绕线电位器式位移传感器
图2-6 YHD型电阻式位移传感器 1-测量轴；2-滑线电阻；3-电刷；4-精密无感电阻；5-导轨；6-弹簧；7-壳体
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2.1.5 非绕线电位器式传感器
1. 合成膜电位器 2. 金属膜电位器 3. 导电塑料电位器 4. 导电玻璃釉电位器
电位器式电阻传感器的工作原理是基于均匀截面导体的电阻计算公式，即：
其中：ρ为导体的电阻率（Ω.m） l为导体的长度（m） A为导体的截面积（m2）
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2.1.2 电位器式传感器的输出特性
当RL→∞时，其输出电压才与位移成正比
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2.1.2 电位器式传感器的输出特性
传感器原理与应用
（清华大学出版社）
第二章 电阻式传感器及应用 2.1 电位器式传感器
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2.1.1 电位器式传感器的工作原理
电位器是人们常用到的一种电子元件，它 作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位 移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值 的变化，从而引起输出电压的变化。
图2-2 电位器式传感器实物图 （a）双出轴导电塑料直线位移传感器 广州大学市政技术学院 机电系 （b）轴套式旋转式电位器
2.1.1 电位器式传感器的工作原理
图2-3 电位器式传感器工作原理图 （a）直线式位移传感器原理图 （b）旋转式电位器原理图
电位器式传感器
度或宽度的方法来实现非线性函数特性。 图2-6所示为一种变骨架高度式非线 性电位器。
15
图2-6 变骨架式电位器
16
电位器的结构与材料
由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。 但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件 及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻 丝绕成。 1、电阻丝：
(3-31)
(3-32)
9
图3-38 线性线绕电位器示意图
10
•
式中 ,kR 、 ku 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。
x xmax
Rx
Rmax
(3-27)
5
图3-36 电位器式位移传感器原理图
6
•
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
Ux
x xmax
U max
(3-28)
图3-37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
Ra
作为分压器使用,则有
a amax
x xmax
Rmax
(3-29)
Ua
U max
(3-30)
7
图3-37 电位器式角度传感器
8
•
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3-38 所示的位移 传感器来说,因为
Rmax xmax
15
图2-6 变骨架式电位器
16
电位器的结构与材料
由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。 但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件 及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻 丝绕成。 1、电阻丝：
(3-31)
(3-32)
9
图3-38 线性线绕电位器示意图
10
•
式中 ,kR 、 ku 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。
x xmax
Rx
Rmax
(3-27)
5
图3-36 电位器式位移传感器原理图
6
•
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
Ux
x xmax
U max
(3-28)
图3-37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
Ra
作为分压器使用,则有
a amax
x xmax
Rmax
(3-29)
Ua
U max
(3-30)
7
图3-37 电位器式角度传感器
8
•
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3-38 所示的位移 传感器来说,因为
Rmax xmax
《电位器式传感器》课件
《电位器式传感器》ppt 课件
CONTENTS
目录
• 电位器式传感器概述 • 电位器式传感器的结构与组成 • 电位器式传感器的性能参数 • 电位器式传感器的使用与维护 • 电位器式传感器的未来发展与展望
CHAPTER
01
电位器式传感器概述
定义与工作原理
定义
电位器式传感器是一种将物理量 （如位移、压力等）转换为电信 号的装置。
轴承与密封件
轴承是电位器式传感器中支撑轴 的部件，起到减小摩擦和磨损的
作用。
密封件用于保护传感器内部组件 不受外界环境的影响，如灰尘、
水分等。
轴承和密封件的材料和设计对传 感器的性能和使用寿命有很大影 响，需要选择合适的材料和工艺
进行制造。
CHAPTER
03
电位器式传感器的性能参数
电阻值与阻值变化规律
电刷和导电带的材质和接触方 式对传感器的性能有很大影响 ，需要保证良好的导电性和稳 定性。
框架与轴
框架是电位器式传感器的支撑结构， 用于安装和固定其他组件。
框架和轴的设计需要考虑到强度、刚 度和耐久性等因素，以确保传感器在 使用过程中的稳定性和可靠性。
轴是连接电刷和框架的部件，保证电 刷能够随着测量物体的移动而转动。
灵敏度
灵敏度是指电位器式传感器在单位输入下输出的变化量。灵敏度越高，传感器对 微小变化的响应越快，测量精度也越高。
温度稳定性与寿命
温度稳定性
电位器式传感器在使用过程中，其电 阻值会受到环境温度的影响。温度稳 定性好的传感器能在较宽的温度范围 内保持稳定的性能。
寿命
电位器式传感器的寿命是指其在使用 过程中能够保持性能参数不变的时限 。选择寿命长的传感器可以降低更换 和维护成本。
CONTENTS
目录
• 电位器式传感器概述 • 电位器式传感器的结构与组成 • 电位器式传感器的性能参数 • 电位器式传感器的使用与维护 • 电位器式传感器的未来发展与展望
CHAPTER
01
电位器式传感器概述
定义与工作原理
定义
电位器式传感器是一种将物理量 （如位移、压力等）转换为电信 号的装置。
轴承与密封件
轴承是电位器式传感器中支撑轴 的部件，起到减小摩擦和磨损的
作用。
密封件用于保护传感器内部组件 不受外界环境的影响，如灰尘、
水分等。
轴承和密封件的材料和设计对传 感器的性能和使用寿命有很大影 响，需要选择合适的材料和工艺
进行制造。
CHAPTER
03
电位器式传感器的性能参数
电阻值与阻值变化规律
电刷和导电带的材质和接触方 式对传感器的性能有很大影响 ，需要保证良好的导电性和稳 定性。
框架与轴
框架是电位器式传感器的支撑结构， 用于安装和固定其他组件。
框架和轴的设计需要考虑到强度、刚 度和耐久性等因素，以确保传感器在 使用过程中的稳定性和可靠性。
轴是连接电刷和框架的部件，保证电 刷能够随着测量物体的移动而转动。
灵敏度
灵敏度是指电位器式传感器在单位输入下输出的变化量。灵敏度越高，传感器对 微小变化的响应越快，测量精度也越高。
温度稳定性与寿命
温度稳定性
电位器式传感器在使用过程中，其电 阻值会受到环境温度的影响。温度稳 定性好的传感器能在较宽的温度范围 内保持稳定的性能。
寿命
电位器式传感器的寿命是指其在使用 过程中能够保持性能参数不变的时限 。选择寿命长的传感器可以降低更换 和维护成本。
电子课件-《传感器应用技术》-B02-9641 4-1
螺线管式差动变压器按绕组排列方式的不同，可分为一节 式、二节式、三节式、四节式和五节式等类型，如图所示。一 节式灵敏度高，三节式零点残余电压较小，通常采用的是二节 式和三节式两类。
1-一次侧线圈；2-二次侧线圈；3-磁芯 差动变压器线圈的各种排列方式
一、电位器式位移传感器
2）光电电位器 光电电位器是一种非接触式电位器，用光 束代替电刷，克服接触式电位器耐磨性差、寿命较短的缺点。
光电电位器如图所示。
1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻带；4-电刷窄光束；5-光电极 光电电位器
二、电容式位移传感器
电容式传感器是通过把被测量转换成电容量的变化来工 作的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应 特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，可 以用来测量位移、液位、振动、压力、力等参数。但电容 式传感器的泄露电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一 定的局限。
二、电容式位移传感器
（1）变面积式电容传感器 如图所示，是一直线位移型电容式传感器的示意图。
直线位移型电容式传感型；b）齿形极板型；c）圆筒形；d）差动型 变面积式电容传感器的派生型
二、电容式位移传感器
（2）变间隙式电容传感器 如图所示为变间隙式电容传感器的原理图。
第四章 位置传感器
第一节 模拟式位移传感器
一、电位器式位移传感器
电位器式传感器是将机械位移通过电位器转换为与 之成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。电位 器按结构形式不同，可分为绕线式和非绕线式两大类。 绕线电位器式传感器是目前最常用的一种。
一、电位器式位移传感器
1.电位器基本结构及工作原理 如图所示为仪表与传感器上使用的某绕线式电位器 的结构原理图。它们是由电阻元件1及电刷2（活动触点） 两个基本部分组成。
1-一次侧线圈；2-二次侧线圈；3-磁芯 差动变压器线圈的各种排列方式
一、电位器式位移传感器
2）光电电位器 光电电位器是一种非接触式电位器，用光 束代替电刷，克服接触式电位器耐磨性差、寿命较短的缺点。
光电电位器如图所示。
1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻带；4-电刷窄光束；5-光电极 光电电位器
二、电容式位移传感器
电容式传感器是通过把被测量转换成电容量的变化来工 作的一种传感器。它具有结构简单、灵敏度高、动态响应 特性好、适应性强、抗过载能力大及价格便宜等特点，可 以用来测量位移、液位、振动、压力、力等参数。但电容 式传感器的泄露电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一 定的局限。
二、电容式位移传感器
（1）变面积式电容传感器 如图所示，是一直线位移型电容式传感器的示意图。
直线位移型电容式传感型；b）齿形极板型；c）圆筒形；d）差动型 变面积式电容传感器的派生型
二、电容式位移传感器
（2）变间隙式电容传感器 如图所示为变间隙式电容传感器的原理图。
第四章 位置传感器
第一节 模拟式位移传感器
一、电位器式位移传感器
电位器式传感器是将机械位移通过电位器转换为与 之成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件。电位 器按结构形式不同，可分为绕线式和非绕线式两大类。 绕线电位器式传感器是目前最常用的一种。
一、电位器式位移传感器
1.电位器基本结构及工作原理 如图所示为仪表与传感器上使用的某绕线式电位器 的结构原理图。它们是由电阻元件1及电刷2（活动触点） 两个基本部分组成。
电位器式传感器标准版文档
转式有单圈旋转式(图2-3-
2b)和多圈旋转式(2-3-2c)
两种。电刷由触头、臂、导
向及轴承等装置组成；触头
常用银、铂铱、铂铑等金属. 电刷臂用磷青铜等弹性较好 的材料；骨架常用陶瓷、酚 醛树脂及工程塑料等绝缘材
图2-3-2 电位器原理图 1—骨架 2—电刷 3—电阻丝 4—转
轴 5—接线端子
料。
河 南
第三讲 电位器式传感器
工
业
职
业
一、电位器式传感器的转换原理
技 术
二、电位器的结构与类型
学
三、电位器式传感器的应用
院
电
气
工
程
系
第三讲 电位器式传感器
一、电位器式传感器的转换原理
电位器的电压转换原理如图2-3-1所示。设直滑电位器
电阻体的长度为 l，电阻值为R，两端加（输入）电压为Ui，
电位器变组成分压比电路,则输出量是与压力成一定关系 的电压Uo为:
2、类型：
（1）线绕电位器 线绕电位器电阻元件由康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等电阻丝
绕制，其额定功率范围一般为0.25～50W，阻值范围为 100Ω～100kΩ之间。当接触电刷从这一匝移到另一匝时，阻 值的变化呈阶梯式。
（2）非线绕电位器 1）合成膜电位器 其优点是分辨率较高，阻值范围很宽
（100Ω～4.7MΩ），耐磨性较好，工艺简单，成本低，线性 度好等；主要缺点是接触电阻大，功率不够大，容易吸潮，噪 声较大等。
2）金属膜电位器 金属膜电位器具有无限分辨力，接触电阻 很小，耐热性好，满负荷达70℃。与线绕电位器相比，它的分 布电容和分布电感很小，特别适合在高频条件下使用。它的噪 声仅高于线绕电位器。金属电位器的缺点是耐磨性较差，阻值 范围窄，一般在10～100Ω之间。由于这些缺点，限制了它的 使用范围。
2.1电位器式电阻传感器
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。
精密电位器机械位移信号电信号转换元件电刷电阻元件LR00()L RI()L RLI321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。
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式传感器 2应变片式传感器
3
3.4 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 等各种参数。
电阻系数、温度系数、强度、电势及加工 2、电刷：某些电刷结构如图2-11
电刷触头、电刷臂、导向及轴承装置 3、骨架。
膨胀系数、绝缘性能、强度及加工
18
图2-11 某些电刷结构
19
电位器式传感器应用举例
• 电位器式压力传感器
•
电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧
管、膜片或膜盒）把被测的压力变换为弹性元件的位
分辨率为
U Umax n
(2-7)
12
图2-5 理想阶梯特性曲线
13
非线性电位器
非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与 电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器， 也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨 架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。
14
2019/10/31
20
图2-12 YCO-l50型压力传感器原理 图
21
• 电位器式压力传感器
电位器式压力传感器如图2-13
• 弹性敏感元件膜盒的内腔,通入被测流体,在流 体压力作用下,膜盒硬中心产生弹性位移,推动 连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器 绕组上滑动,同样输出一个与被测压力成比例的
电压信号。
22
移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出
电压或电流的相应变化。
如图2-12 为YCD-150型远程压力表原理图。
弹簧管内通入被测流体,在流体压力作用下,弹簧管产生 弹性位移, 使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上 滑动,因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。该
电压信号可远距离传送,故可作为远程压力表。
•
由式可以看出,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。
11
• 二、 阶梯特性
•
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
24
图2-14 电位器式位移传感器示意图
25
图2-15 测小位移传感器示意图
26
• 电位器式加速度传感器
•
图2-16所示为电位器式加速度传感器,
惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧
图2-13 膜盒电位器式压力传感器原理图
23
• 电位器式位移传感器
电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几 十米的位移和几度到360°的角度。
图2-14电位器式位移传感器： 其中3为输入轴，电阻线1以均匀的间隔绕在用绝缘
材料制成的骨架上，触点2沿着电阻丝的裸露部分滑动， 并由导电片4输出。
图2-15电位器式位移传感器 在测量比较小的位移时，可将线位移变换成角位移。
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。
Rmax
作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
U max
(3-29)
(330)
7
图3-37 电位器式角度传感器
8
•
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3-38 所示的位移传
感器来说,因为
Rmax
2(b h)n A
xmax nt
其灵敏度应为
kR
Rm a x xm a x
15
• 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线性函数特性。
图2-6所示为一种变骨架高度式非线性 电位器。
16
图2-6 变骨架式电位器
17
电位器的结构与材料
由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但 是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及 活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝 绕成。 1、电阻丝：
4
2.1.1 线性电位器
一、线性电位器的空载特性
•
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3-36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 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
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
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。
Rx
x xmax
Rmax
(3-27)
5
图3-36 电位器式位移传感器原理图
6
•
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
x U x xmax Umax
(3-28)
图3-37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
Ra
a amax
2(b h)
At
ku
U m ax xm a x
I
2(b h)
At
(3-31) (3-32)
9
图3-38 线性线绕电位器示意图
10
•
式 中 ,kR 、 ku 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。
3
3.4 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 等各种参数。
电阻系数、温度系数、强度、电势及加工 2、电刷：某些电刷结构如图2-11
电刷触头、电刷臂、导向及轴承装置 3、骨架。
膨胀系数、绝缘性能、强度及加工
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图2-11 某些电刷结构
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电位器式传感器应用举例
• 电位器式压力传感器
•
电位器式压力传感器是利用弹性元件（如弹簧
管、膜片或膜盒）把被测的压力变换为弹性元件的位
分辨率为
U Umax n
(2-7)
12
图2-5 理想阶梯特性曲线
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非线性电位器
非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与 电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器， 也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨 架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。
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2019/10/31
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图2-12 YCO-l50型压力传感器原理 图
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• 电位器式压力传感器
电位器式压力传感器如图2-13
• 弹性敏感元件膜盒的内腔,通入被测流体,在流 体压力作用下,膜盒硬中心产生弹性位移,推动 连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器 绕组上滑动,同样输出一个与被测压力成比例的
电压信号。
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移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出
电压或电流的相应变化。
如图2-12 为YCD-150型远程压力表原理图。
弹簧管内通入被测流体,在流体压力作用下,弹簧管产生 弹性位移, 使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上 滑动,因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。该
电压信号可远距离传送,故可作为远程压力表。
•
由式可以看出,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。
11
• 二、 阶梯特性
•
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
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图2-14 电位器式位移传感器示意图
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图2-15 测小位移传感器示意图
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• 电位器式加速度传感器
•
图2-16所示为电位器式加速度传感器,
惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧
图2-13 膜盒电位器式压力传感器原理图
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• 电位器式位移传感器
电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几 十米的位移和几度到360°的角度。
图2-14电位器式位移传感器： 其中3为输入轴，电阻线1以均匀的间隔绕在用绝缘
材料制成的骨架上，触点2沿着电阻丝的裸露部分滑动， 并由导电片4输出。
图2-15电位器式位移传感器 在测量比较小的位移时，可将线位移变换成角位移。
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。
Rmax
作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
U max
(3-29)
(330)
7
图3-37 电位器式角度传感器
8
•
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3-38 所示的位移传
感器来说,因为
Rmax
2(b h)n A
xmax nt
其灵敏度应为
kR
Rm a x xm a x
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• 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线性函数特性。
图2-6所示为一种变骨架高度式非线性 电位器。
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图2-6 变骨架式电位器
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电位器的结构与材料
由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但 是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及 活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝 绕成。 1、电阻丝：
4
2.1.1 线性电位器
一、线性电位器的空载特性
•
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3-36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 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
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
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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。
Rx
x xmax
Rmax
(3-27)
5
图3-36 电位器式位移传感器原理图
6
•
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
x U x xmax Umax
(3-28)
图3-37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
Ra
a amax
2(b h)
At
ku
U m ax xm a x
I
2(b h)
At
(3-31) (3-32)
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图3-38 线性线绕电位器示意图
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•
式 中 ,kR 、 ku 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。