项目二 电位器位移传感器

Hale Waihona Puke Baidu 任务实施
通过位移测量仪，实现位移的检测，并通过数码管显 示，对测量的位移量精度要求并不太高。系统电路如下。
任务实施
1、电路工作原理： 系统采用电位器传感器进行位移测量，电位器与 电阻R3和R4构成直流电桥，电桥直流电源由1403供 给。当被测量移动时，电桥失衡，输出相应电压信号， 经差动输入AD521放大。放大后加到ICL7139双积分式 A/D转换器件，在 ICL7139提供振荡信号的作用下， 输出直接驱动数码管和LCD显示。
传感器技术与应用
项目二：位移检测
学习重点 掌握电位器传感器的原理和应用 掌握光栅位移传感器的基本原理 理解超声波传感器的基本原理
目 录
任务一：机械式位移测量仪
任务二：光栅位移传感器在 机床工作台上的应用
任务三、简易汽车倒车雷达
任务一：机械式位移测量仪
机械式位 移测量仪
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。 同时，与其它种类的位移传感器相比，它结构简单、 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。因此，在工程机械等方面经常采用。 缺点：触点存在摩擦和损耗 种类：线绕式、薄膜式、光电式和磁敏式
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
一、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 阻沿长度均匀分布,则当 滑臂由A向B移动x后,A点 到滑臂间的阻值为
1:电阻丝 2:骨架 3:滑臂 位移传感器原理图
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。
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
j
（二）线性电位器的阶梯特性、分辨率和阶梯误差
电刷在线圈上移动,线圈一圈一圈的变化,
任务一：机械式位移测量仪
二、非线性电位器
机械式位移 测量仪
也称函数电位器，指空载时输出电压(电阻)与电 刷行程之间具有非线性的函数关系。 研究意义：现实中有些对象是指数函数、对数 函数、三角函数及其他任意函数。要满足控制系统 特殊要求,必须想办法找到与线性控制系统的关系,用 线性输出特性解决非线性输出。常见非线性电位器 有变骨架式、变节距式、分路电阻式或电位给定式 四种。 以变骨架式为例说明非线性电位器的空载特性。
设电位器的负载系数为
m
Rmax Rf
在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为 接入负载Rf后的输出电压Uxf为 U xf U max 电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为
f
U x XU max
X 1 mX (1 X )
U x U xf Ux
100%
故，可得误差：
1 f [1 ] 100% 1 mX (1 X )
h At dU x b 2 I dx
故。可说线性电阻灵敏度和电压灵敏度适合非线性 电位器。 dR X 2(b h ) kR dx At dU x 2(b h ) ku I dx At
任务一：机械式位移测量仪 三、负载特性与负载误差
机械式位移 测量仪
上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为 无穷大时的情况,而一般情况下,电位器接有负载,接入 负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值 ,此时 所得的特性为负载特性 , 负载特性偏离理想空载特性 的偏差称为电位器的负载误差 , 对于线性电位器负载 误差即是其非线性误差。 电位器带负载图如下，电位器的负载电阻为Rf,
输出电压为： U xf U max
Rx R f
2 R f Rmax Rx Rmax Rx
相对输出电压为 电阻相对变化
Y
U xf U max

Rx R f
2 R f Rmax Rx Rmax Rx
X
Rx Rmax
对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即
X Rx x Rmax xmax
Rx x xmax Rmax
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
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
作变阻器使用,则电阻与角度的关系为：
Ra a amax Rmax
作为分压器使用,则有：
U U max max
任务实施
2、各部分电路： 1）1403是一款低压基准芯片。一般用作一些需要基本 精准的基准电压的场合。输入电压范围: 4.5 V --- 40 V， 输出电压: 2.5 V。 2）AD521是单片集成测量放大器，对输入差模信号进行 放大，放大倍数为：放大倍数可以在0.1到1000范围内 调整，通常选Rs=100K，Rg在使用中根据实际需要选定。 3）芯片7555构成多谐振动器，给ICL7139提供振荡信号， 4）ICL7139双积分式A/D转换器件，其输出可直接驱动 数码管和LCD显示。
j+1
电位器阻值随电刷移动非连续地改变
电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻突然增加一 匝阻值，特性曲线相应出现阶跃段。 ,输出电压便跃 变一次，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。阶跃值亦称为视在分辨脉 冲：
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。
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
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。 在保持电位器结构参数ρ （导线电阻率）、A（导线截 面积）、t（匝间距）不变时, 只改变骨架宽度b或高度h来实 现非线性函数关系。 以改变高度h来分析：在 图所示曲线上任取一小段,则可 视为直线,电刷位移为Δx,对应 的电阻变化就是ΔR,
任务实施
3、电路调试： 1）电位器处于零点(动触点无位移)，选择合适的桥臂 电阻，使电桥平衡，通过调放大器AD521的4脚和6脚间 的调零电阻，使得电路的输出为0； 2）用该位移计测量标准位移(满量程位移)，调节 ICL7139中VREF端可变电阻，改变参考电压，使得数码管 的显示满量程位移。 3）调试过程中，A/D转换器的参考电压是根据量程来 调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
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：
eby xmax 1 n 100% xmax n
从图中可见,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动,从而带来一定误差,这 就是阶梯误差。
A:导体横截面积 ρ: 导线的电阻率 n: 绕线的匝数
任务一：机械式位移测量仪
从而，得出灵敏度系数：电阻灵敏度和电压灵敏度
机械式位移 测量仪
Rmax 2(b h) k R (电阻灵敏度） xmax At U max 2(b h) kU (电压灵敏度） I xmax At
1:电阻丝 2:滑臂 3:骨架 角度传感器原理图
任务一：机械式位移测量仪
线性线绕电位器：
机械式位移 测量仪
线绕电位器理想的输出输入关系也遵循上述四个线 性公式，因此下图的位移传感器有下列线性关系：
h:骨架高 d:绕线的直径 b:骨架宽 t:绕线的节距
Rmax xmax

A nt
2(b h )n
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
电位器的阶梯误差γj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：
j
( 1 U max ) 1 2 n 100% U max 2n
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。 为改善阶梯误差和提高分辨率，需增加匝数，用细 线（小型的常用0.5mm或更细的线），或增加骨架 长度(如采用多圈螺旋电位器)。
任务一：机械式位移测量仪
这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为
机械式位移 测量仪
故，就有了大的阶梯（主要分辨脉冲）和小的阶梯 （次要分辨脉冲），二者之和称为视在分辨脉冲。
U Um Un
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
对比后可以发现，带负载后 输出电压比空载输出低。负载系 数m越大，误差就越大。
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
下图所示为δf 与 m 、 X 的曲线关系。由图可见 , ①无论m为何值,X=0和X=1时,即电刷在起始位置 和最终位置时,负载误差都为零; ②当X=1/2时,负载误差最大; ③增大负载系数 m 时 , 即减小负载电阻时，负载 误差也随之增加。 ④对线性电位器 , 当电刷处于行程中间位置时 , 其非线性误差最大。 由于当X=1/2时,负载误差最大,实际要求负载误 差在整个行程都保持在3%以内，即
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
2、活动电刷 由电刷触头（常用银、铂铑等金属）、电刷臂（磷 青铜等弹性好的材料）、导线、轴承装置组成。
某些电刷结构： 1.电刷；2.电阻元件
电刷要保持一定的接 触压力，大小为： 50—100mN 过大：产生误差，并 加速磨损。 过小：产生接触不良。
3、骨架 材料：陶瓷、酚醛树脂、工程塑料等绝缘材料。 要求：膨胀系数、电气绝缘性好，足够的刚度和 强度，散热性好，耐潮湿，易加工。 形式：矩形、环形、柱形、棒形等。
任务一：机械式位移测量仪
当Δx→0时,则有
机械式位移 测量仪
dR 2(b h ) dx At dU 2(b h ) I dx At
由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：
At dRx h b 2 dx
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
由公式看出：高度h是位移X的函数，并且与dR/dx 有关，它越大，h就越高，但线性不好，又不能为 零，故，工程上规定hmin>3mm. 若空载输出电压为Ux，根据U=IR关系可得h与 Ux关系：
如图非线性电位器的空载特性曲线 2与线性电位 器的负载特性曲线 1,两者是以特性直线 3互为镜 像的 。
任务一：机械式位移测量仪 四、电位器的结构与材料
机械式位移 测量仪
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（电阻元件） 要求电阻系数高、电阻温度系数小，强度高和延 展性好，对铜的热电势要小，耐磨耐腐蚀，焊接性好 等。常用的材料有康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等。
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
工程上常把实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线。 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,称为分辨率。对理想阶 梯特性的线绕电位器，电压分辨率为：
eba U max 1 n 100% U max n
1 m f [1 ] 100% ( ) 100% 3% 1 1 4m 1 m (1 ) 2 2
任务一：机械式位移测量仪
机械式位移 测量仪
为了减小负载误差，首先要尽量减小负载系数， 通常希望负载系数小于 0.1 。就必须使 Rf>10Rmax 。 但是有时负载满足不了这个条件 ,一般可以采取： ① 限制电位器工作区间的办法减小负载误差。 ②可采用高输入阻抗放大器; ③将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线 , 即设计出非线性电位器也可以消除负载误差.