第章电位器式传感器
《传感器与检测技术》高教(4版) 第六章
差动变压器位移计
当铁芯处于中间位置时，输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向右移动时，则输出电压: UU 21 U 220
当铁芯向左移动时，则输出电压: UU 21 U 220
输出电压的方向反映了铁芯的运动方向，大小反映了铁 芯的位移大小。
差动变压器位移计
输出特性如图所示。
差动变压器位移计
角度的精密测量。 光栅的基本结构
1、光栅：光栅是在透明的玻璃上刻有大量平行等宽等 距的刻线构成的，结构如图。
设其中透光的缝宽为a，不透光的缝宽为b，
一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光
的缝宽，即a = b。图中d = a + b 称为光
栅栅距（也称光栅节距或称光栅常数）。
光栅位移测试
2、光栅的分类
1、激光的特性
（1）方向性强
（2）单色性好
（3） 亮度高
（4） 相干性好
2、激光器
按激光器的工作物质可分为以下几类： （1）固体激光器：常用的有红宝石激光器、钕玻 璃激光器等。
（2）气体激光器：常用的为氦氖激光器、二氧化 碳激光器、一氧化碳激光器等。
激光式传感器
（3） 液体激光器：液体激光器分为无机液体激光器 和有机液体激光器等。
数小，对铜的热电势应尽可能小，常用材料有： 铜镍合金类、铜锰合金类、镍铬丝等。 2、骨架：
对骨架材料要求形状稳定表面绝缘电阻高， 有较好的散热能力。常用的有陶瓷、酚醛树脂 和工程塑料等。 3、电刷：
电刷与电阻丝材料应配合恰当、接触电势 小，并有一定的接触压力。这能使噪声降低。
电位器传感器
电位计式位移传感器
6.2.2 差动变压器位移计结构
1-测头； 2-轴套； 3-测杆； 4-铁芯；5-线圈架； 6-导线； 7-屏蔽筒；8-圆片弹簧；9-弹簧； 10-防尘罩
电位式传感器的原理和应用
电位式传感器的原理和应用1. 电位式传感器的原理电位式传感器是一种常见的测量和检测物理量的传感器，它基于电压的变化来感应被测量的物理量。
以下是电位式传感器的原理：1.电阻分压原理：电位式传感器通常由一个可变电阻和一个参考电阻组成。
可变电阻的阻值会随着被测量物理量的变化而发生变化，从而改变电位器的输出电压。
根据电阻的分压规律，通过测量电位器的输出电压变化，可以间接测量物理量的变化。
2.电容变化原理：某些电位式传感器采用电容作为敏感元件。
当被测量物理量导致电容发生变化时，电位器的电荷量也会相应变化，从而改变电位器的输出电压。
通过测量电位器输出电压的变化，可以获得物理量的变化信息。
3.霍尔效应原理：还有一些电位式传感器基于霍尔效应原理进行工作。
霍尔效应是当通过具有磁场的材料时，会产生横向电势差。
电位式传感器利用霍尔元件感应磁场产生的电势差，进而测量磁场强度或位置相关的物理量。
2. 电位式传感器的应用电位式传感器广泛应用于各种领域，下面列举了几个常见的应用领域：2.1 汽车工业•节气门位置传感器：用于监测发动机的加速踏板位置，以调整发动机的进气量。
•转向角度传感器：用于测量车轮的转向角度，以提供车辆稳定性控制和方向盘辅助。
2.2 工业自动化•位置传感器：用于测量机械臂、运输系统等设备的位置，以实现精确控制和定位。
•压力传感器：用于测量压力变化，监控工业设备的状态，如液体水位、气体流量等。
2.3 医疗健康•血压传感器：用于测量患者的血压，提供医生对患者心血管状况的信息。
•呼吸监测传感器：用于监测患者的呼吸频率和深度，辅助医生判断患者的呼吸系统健康状况。
2.4 环境监测•温度传感器：用于测量环境温度，供暖、通风和空调系统进行自动控制。
•湿度传感器：用于测量环境湿度，可应用于农业控制、仓储和气象观测等领域。
2.5 其他领域•机器人技术：电位式传感器用于机器人的位置检测、姿态控制和环境感知。
•游戏设备：电位式传感器用于游戏手柄的位置和动作检测，提供沉浸感和交互性。
电位器式传感器原理
电位器式传感器原理
电位器式传感器是一种常见的传感器技术，其原理基于电位器的工作原理。
电位器是由一个可调节的电阻器组成的，通过调节电位器的移动部分，可以改变电阻器的阻值。
当外部引入变量作用于电位器上时，移动部分的位置将发生改变，从而改变电阻器的阻值。
在电位器式传感器中，外部引入的变量可以是温度、压力、光强等物理量。
以温度传感器为例，传感器中的电阻器受到温度的影响，电阻值随着温度的变化而发生变化。
为了测量电位器的阻值变化，通常会将一个电压加到电位器的两端，并使用一个电压分压电路来测量电位器上的电压。
电压分压电路可以将电位器上的电压转换为与电位器阻值成比例的电压输出。
通过测量电位器上的电压输出，可以推导出外部引入变量的数值。
例如，在温度传感器中，通过校准和电阻值-温度曲线的
关系，可以得出温度的数值。
总结来说，电位器式传感器的原理是基于电位器的电阻值随外部引入变量的改变而变化，通过测量电位器上的电压输出来推导出外部变量的数值。
这种传感器原理广泛应用于测量和控制领域。
传感器技术第9章电位器式传感器
x Rx xmax Rmax
(9.1)
第9章 电位器式传感器
图9.1 电位器式位移传感器原理图
第9章 电位器式传感器
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
Umax
(9.2)
图9.2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
U U max
(9.7)
n
第9章 电位器式传感器
图9.4 局部剖面和阶梯特性
第9章 电位器式传感器
实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必定会使 这两匝短路,于是电位器的总匝数从n匝减小到（n-1） 匝,这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生 一个小阶跃。这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为
Ra
a amax
Rmax
作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
Umax
(9.3) (9.4)
第9章 电位器式传感器
图9.2 电位器式角度传感器原理图
第9章 电位器式传感器
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9.3所示的位移传感器来说,因为
Rmax
A
2(b
h)n
xmax nt
X Rx x Rmax xmax
第9章 电位器式传感器
电位器的负载系数为
m R max Rf
在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为
Ux XUmax
接入负载Rf后的输出电压Uxf为
Uxf Umax1mXX(1X)
电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为
电位式传感器
一、概述
1. 传感器定义
传感器是借助检测元件将一种形式的信息转 换成另一种信息的装置。
物理量
ห้องสมุดไป่ตู้
电量
目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义 上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的 装置。
2. 传感器的构成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件 的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、 阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
按测量类型：
单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器
按制作方式： 线绕电位器
导电塑料电位器 导电材料粉
普通塑料基底
变阻器式传感器产品
案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
比较
重量设定
案例：煤气包储量检测 （汽车燃油表）
钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数
->电位器
->电阻
案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
d
V
二、电位器式传感器
• 电位器式传感器是把被测量转换为电阻变化的一 种传感器,
•1 变阻器式传感器
• 2.等效电路分析:
•L-变阻器总长; •x-电刷移动量. •R-总电阻; •RL电刷电阻;
E
x L
R=K*l
l=R/K
L x
=R
R1
=
E E1
E1 x=L*E1 / E
2.2 电阻式传感器
x=L*E1 / E = K*E1
传感器论文
第2章电阻式传感器电阻式传感器的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和装置显示或记录被测量值的变化。
按其工作原理可分为电位器式、应变式和固态压阻式传感器三种。
2.1电位器式传感器电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各种电气和电子设备中。
在仪表与传感器中，它主要是作为一种把机械位移输入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的。
利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加速度等。
此外，在伺服式仪表中，它还可用作反馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。
电位器的优点是结构简单、尺寸小、重量轻、输出特性精度高(可达0.1%或更高)且稳定性好，可以实现线性及任意函数特性；受环境因素(温度、湿度、电磁干涉、放射性)影响较小；输出信号较大，一般不需放大。
因此，它是最早获得工业应用的传感器之一。
伹它也存在一些缺点，主要是存在摩擦和磨损。
由于有摩擦，因而要求敏感元件有较大的输出功率，否则会降低传感器的精度，又由于有滑动触点及磨损，则使电位器的可靠性和寿命受到影响。
另外线绕电位器分辨力较低也是一个主要缺点。
目前电位器围绕着减小或消除摩擦、提高使用寿命和可靠性、提高精度和分辨力等而不断得到发展。
目前电位器虽然在不少应用场合已被更可靠的无接触式的传感元件所代替，但其某些独特的性能仍然不能被完全取代，在同类传感元件中仍然占有一定的地位。
电位器的种类极其繁多。
按其结构形式不同，可分为绕线式、薄膜式、光电式、磁敏式等。
在绕线电位器中，又可分为单圈式和多圈式两种。
按其特性曲线不同，还可分为线性电位器和非线性(函数)电位器两种。
如图2-1所示为常用电位器式传感器。
图2-1 电位器传感器2.1.1线性电位器1. 电位器的理想特性、灵敏度图 2-2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，且假定全长为max x 的电位器其总电阻为max R ，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 到滑臂间的阻值为max max x xR R x =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max U ，则输出电压为max max x xU U x =图2-3所示为电位器式角度传感器。
传感器技术及应用 教学大纲
传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。
二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。
其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。
三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。
四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。
主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。
同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。
传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。
本课程主要内容可以分为三部分。
第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。
教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。
五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。
2.1 电位器
2、摩托车汽油油位传感器
结构参数ρ、A、t不变, 只改变骨架宽度b或高度h
曲线上任取一小段,可视为直线，用图中折线逼近曲线 电刷位移为Δx,对应的电阻变化就是ΔR 线性电位器灵敏度公式仍然成立：
（1）骨架高度
只要骨架高度 满足左边式子， 即可实现线性 灵敏度要求。
（2）行程分辨率与阶梯误差 变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的 ,因 此其行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有
各段并联电阻的大小,可由下式求出:
r1 // R1 R1 R2 r2 // R2 R3 r3 // R3
(1)
两种方法求r1、r2、r3： 1、知各段电压变化 ΔU1 、 ΔU2 和ΔU3, 根据允许通过的电流确 定ΔR1、ΔR2和ΔR3； 2、让最大斜率段电阻为ΔR3（无并联电阻时）压降为ΔU3,则
tmin d (0.03 ~ 0.04)mm
(
) max
其中可取
用分路电阻实现变电阻
要实现曲线3所要求的特性:
线性电位器全行程分若干段,引出一些抽头, 对每一段并联适 当阻值,使得各段的斜率达到2所需的大小(每一段内,电压输出 是线性的),而电阻输出是非线性的,如曲线1.若能求出各段并联 电阻的大小,即可实现输出特性3所要求的函数关系。
（3）导电塑料电位器 导电塑料电位器又称实心电位 器，耐磨性很好，使用寿命较长，允许电刷的接触压力很大， 在振动、冲击等恶劣环境下仍能可靠地工作。此外，它的分 辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。 导电塑料电位器的缺点是阻值易受湿度影响，故精度不易做 得很高。导电塑料电位器的标准阻值有1kΩ、2kΩ、5kΩ和 10kΩ，线性度为0.1％和0.2％。 （4）导电玻璃釉电位器 导电玻璃釉电位器又称金属陶 瓷电位器，它的耐高温性和耐磨性好，有较宽的阻值范围， 电阻湿度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是 接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。
传感器应用技术(答案)
四、传感器技术的发展趋势教学目标课，你们想怎样上？方法：评分标准分组：评分标准：（100分制）第一章传感器基础什么是传感器？思考：人身上有传感器吗？是什么类型传感器？传感器传感器的应用第二章光电式传感器光电式传感器的分类：一、预习问题储料仓二、问题解答概念题1、什么是外光电效应、光电管？光电效应光子能量光子能量吸收光子能量外光电效应使电子逸出物体表面光电管：光电阴极光电阳极光电子光电流光照强度光阴极的灵敏度电阻上的电压一定函数关系2、什么是光电倍增管？若干个倍增极逐级轰击次级发射倍增极106～108倍于紫外/可见/近红外光光度计，旋光仪、糖度计，发光分光光度计等3、什么是内光电效应、光敏电阻？电阻率阻值电流内光电效应开关式光电信号电阻率低阻态阻值亮电流原值呈高阻态4、光电二极管、光电三极管的结构？光电特性？反向反向偏置反向电阻光电流与阳极电压U AUminI∮U AU AUzI∮UAI∮UQ。
5、请举光源本身是被测物的光电传感器应用实例。
直接照射某些物理参数6、请举被测物吸收光通量的光电传感器应用实例。
光通量光电元件吸收量1—恒流源 2—半导体激光器 3—半反半透镜 4—反射镜5—被测水样6、9—光电池7、10—电流/电压转换器8—标准水样恒定红外光部分红外光减弱阀值判断电路7、请列举被测物体反射光通量的光电传感器应用实例。
反射反射光通量性质、状态和与光源之间的距离8、请举被测物遮挡光通量的光电传感器应用实例。
光通量减弱尺寸或位置正确位置零遮光面积方向及大小9、什么是光电开关？分别用图片介绍对射式、镜反射式、漫反射式、槽式、光纤式光电开关的用法。
靠近和通过强弱变化电流的变化电隔离的(即电缘绝)“通”与“断”10、什么是计量光栅？莫尔条纹的工作原理？应用举例？等节距刻线结构原理简单、计量精度高和分辨力强11、什么是光纤传感器？其在检测温度、加速度方面怎么应用？光纤自身直接接收长度、折射率、直径振幅（强度）、相位、波长和偏振方向被动式无需光源光强信号电信号考光束与测量光束光程差干涉效应电信号12、什么是红外线传感器？有什么应用？绝对零度热效应温度升高其他物理量自身的温度电信号光—热—电1、如图设计一套检测机构，检测输送带上往前输送的电路板的摆放位置是否正确。
2.1电位器全解
视在分辨脉冲
U =U m +U n
局部剖面和阶梯特性
j j+1
电压分辨率：电位器输出电压阶梯的 最大值与最大输出电压之比
eba
U max / n 1 100% % U max n
行程分辨率：电刷行程内，有使电位 器产生一个可测变化的电刷最小行程 值与整个工作行程的百分数
xmax / n 1 eby 100% % xmax n
RX x r X Rmax L
令
在未接入负载时, 当RL为∞， 电位器的输出电压U0为 U0=rUin
m↓, 负载特性曲线与理性空载特性曲线越接近.
当RL不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，负载误差为：
UO U L 1 L 100% [1 ]% UO 1 mr (1 r ) mr (1 r ) = 100% 1+mr (1 r )
各段并联电阻的大小,可由下式求出:
r1 // R1 R1 R2 r2 // R2 R3 r3 // R3
(1)
两种方法求r1、r2、r3： 1、知各段电压变化 ΔU1 、 ΔU2 和ΔU3, 根据允许通过的电流确 定ΔR1、ΔR2和ΔR3； 2、让最大斜率段电阻为ΔR3（无并联电阻时）压降为ΔU3,则
骨架长一定，导线直径减小；导线直径 一定，则增加骨架长度。
二、线绕式电位器的特性
2 阶梯误差
理想阶梯特性曲线
理想阶梯曲线
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,即阶梯误差。
j
( 1 U max ) 2 n 1 100% U max 2n
第2-2章 电阻式传感器2013-3
x
RA y
B
C 轴向应变 x 造成电阻增加，横向应 变 y 造成电阻减少。
RB
x y
R圆弧 R直线
25
2.2 应变式电阻传感器
26
2.2 应变式电阻传感器
3.机械滞后
应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸 载特性不重合，即为机械滞后。
原因：敏感栅 基底和粘结剂 材料性能，或 使用中的过载 过热，产生的 残余变形。
应变效应 结构型传感器 应变片
12
R E R
压阻效应 物性型传感器
R 1 2 x R
K0 R / R
R
x
常数
R 1 2
x
1 2
金属丝应变灵敏度系数
金属丝灵敏系数
K0表示金属丝产生单位应变时，电阻相对变化的大小。 对于材料一定的金属导体，泊松比为常数，则灵敏系 数为常数。R
最大工作电流：对已安装的应变片，允许通过敏 感栅而不影响其工作特性的最大电流称为应变片 最大工作电流Imax.
I k , 但工作电流过大，会使应变片过热，增大零漂及蠕变，甚 至烧毁应变片
30
7. 标称电阻 标称电阻:未安装、也不受力的情况下，在室温下 测得的应变片电阻值。 常用：60、120、200、350、500、1000（欧姆） 通常情况下：R越大，应变片承受电压的能力越 强，输出信号就越大。敏感栅的尺寸可能也越大 （材料：电阻率大）。
应变片由电阻丝（敏感栅）、基底和盖层、引线和粘合剂组成。 基底盖层：固定敏感栅形状、尺寸等 保护层，防潮、 粘合剂：粘贴作用，传递应变 防腐蚀、防损。纸基和胶基（ 0.02~0.4mm） 引线： 0.1~0.15mm的低阻镀锡铜线。
电位器式电阻传感器
电位器式传感器 视在脉冲为二者之和： 例：一个电位器，总电压为10V，匝数为10，电刷从第5匝到第6匝过程中，计算电压的变化情况。 j j+1
2.1 电位器式传感器
j
j+1
电位器式传感器 工程上常把实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图2-5所示。 理想阶梯曲线
01
电压分辨率: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
电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。 1.下图是电位器式位移传感器的结构图。
2.1 电位器式传感器—应用
电位器式压力传感器
2.1 电位器式传感器—应用
电位器式压力传感器
2、电位器式压力传感器
当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，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阻体上滑动1 电位器式传感器
2.1 电位器式传感器
行程分辨率: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
电位器式传感器
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直线，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。
∴Rmax=mRL=0.032×1250Ω=40Ω
Usr=I RL=5×10-3×1250V=6.25V;
∴L=6250/60mm=104mm
所以根据设计要求应选择总阻值为40，总长度为104 mm电位器,电源激励电压Usr为6.25V，这样便可构成满足上述要求的电位器式位移测量系统。
例题
01
试分析电位器式传感器的负载特性？什么是负载误差？如何减小负载误差？
任务5-电位器式位移传感器
（2）线绕电位器式角位移传感器。线绕电位器的 电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类 很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻 丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细， 在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻 丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。
科学出版社
（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，图16是这种电位器的 结构原理图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和 导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉 积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上 再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电 极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导 电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当 光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导 层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导 电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出， 输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实 现了将光束位移转换为电压信号输出。
（4）金属膜电位器。金属膜电位器由合金、金属或 金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在陶 瓷基体上一层薄膜制成。金属膜电位器具有无限的分辨 率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70 ℃。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小， 所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于 线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值 范围窄，一般在10-100 kΩ之间。由于这些缺点限制了它 的使用。
角位移传感器的性能指标主要有灵敏度、线性度、 稳定性等，下面分别进行讨论：
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（1）传感器输出线性度
它是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线
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第4章电位器式传感器
基本题：
4.1电位器的主要用途是什么？
4.2电位器的特点是什么？
4.3什么是电位器的阶梯特性？在实际使用时，它会给电位器带来什么问题？
4.4研究非线性电位器的出发点是什么？如何实现非线性电位器？
4.5什么是电位器的负载特性和负载误差？如何减小电位器的负载误差？
4.6证明图4.4.5指出的“所设计的非线性特性3为原线性电位器负载特性2关于线性特性1的镜像”。
4.7一骨架截面为圆形的电位器，半径为a 。
现用直径为d 、电阻率为ρ的导线绕制，共紧密地绕了W 匝。
试导出该线绕式电位器的灵敏度表达式(注意：导线直径d 不可忽略)。
4.8试设计一电位器的电阻特性。
它能在带负载情况下给出X Y =的线性特性，如图
4.1所示。
给定电位器的总电阻Ω=1000R ，负载电阻f R 分别为Ω50和Ω500。
计算时取X 的间距为0.1。
X 和Y 分别为相对输入和相对输出。
图4.1带负载的电位器
4.9试设计一分流电阻式非线性电位器的电路及其参数。
要求特性如图4.2所示，所用线性电位器的总电阻为1000Ω，输出为空载。
图4.2非线性电位器的输出特性
4.10图 4.3为一带负载的线性电位器。
试用解析和数值方法(可把整个行程分成10段)，求(a),(b)两种电路情况下的端基线性度。
图4.3带负载的电位器
4.11有一非线性电位器R x ()，x 为行程，其范围为L x ≥≥0，且x L =时阻值为R 0。
当负载电阻为R f 时，其电压的输出特性为行程x 的线性函数。
试设计R x ()。
若R x ()是骨架截面积为圆形的线绕式电位器，试讨论其实现的可能方式，并用简图示意出最佳方案。
4.12图4.4给出了某位移传感器的检测电路。
in U =12V ，k Ω100=R ，AB 为线性电位器，总长度为150mm ，总电阻为30Ωk ，C 点为电刷位置。
问
(1)输出电压out U =0V 时，位移x =?
(2)当位移x 的变化范围为10～140mm 时，输出电压out U 的范围为多少？
图4.4电位器式位移传感器检测电路
4.13某线绕式电位器的骨架直径0D =10mm ，总长0L =100mm ，导线直径d =0.1mm ，电阻率6106.0-⨯=ρm ⋅Ω，总匝数W=1000。
试计算该电位器的空载电阻灵敏度
4.14某线绕式非线性电位器的骨架宽度b ＝8mm ，高度x x h 02.010)(+=mm ，x 为电位器的工作位移，导线的截面积S=0.032mm ，电阻率m 1072.06⋅Ω⨯=-ρ，绕线节距1.0=t mm ，当该电位器工作位移范围为0～100mm 时，试计算出其电阻灵敏度的范围。
4.15给出一种电位器式压力传感器的结构原理图，并说明其工作过程与特点。
提高题：
4.16针对图4.7.1所示的电位器式加速度传感器的结构示意图，试建立描述其动态测量过程的输入/输出关系(可用传递函数描述)。
4.17基于电位器的工作机理，设计一角位移传感器的基本原理结构，并讨论其可能的测量误差以及改善措施。
R，总工作行4.18某位移测量装置采用了两个相同的线性电位器。
电位器的总电阻为
0 L。
当被测位移变化时，带动这两个电位器一起滑动(如图4.5所示，虚线表示电程为
U。
刷的机械臂)。
如果采用电桥检测方式，电桥的激励电压为
in
(1)设计电桥的连接方式；
L时，电桥的输出电压范围是多少？
(2)被测位移的测量范围为0～
图4.5电位器式位移传感器结构图
注：题中的图形和公式见教材《传感器技术及应用》（樊尚春编著，北京航空航天大学出版社，2004）。