第3章电位器式传感器(精)

优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输 出信号大，受环境影响小。
缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿 命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量 的检测。
电位器分类:线性电位器和非线性电位器
第3章 电位器式传感器
3.1 线性电位器
组成:绕于骨架上的电阻丝线圈、沿电位器滑动的滑臂、电刷。
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给定四种。
3.2.1 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 36 所示为一种变骨架高度式非线性 电位器。
第3章 电位器式传感器
1.骨架变化的规律
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：
Rx
x
xmax
Rmax
(9.1)
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
(9.2)
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图3.1 直线位移式电位器传感器原理图
是 德 国 ALTMANN 专 业 制造商提供的 导电塑料角度 传感器。
3.2 电位器式角度传感器原理图
(3.15)
只要骨架高度满足左边式 子，即可实现线性灵敏度 要求。
(3.16)
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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
eby
t xmax
xmax 1 n 100% xmax n
但由于骨架高度是变化的 , 因而阶梯特性的阶梯也 是变化的, 最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处 ,故阶
的电流I的大小有关。
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3.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率
图3.1所示,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 值亦即名义分辨率为
线性电位器：骨架截面处处相等，材料和截面均匀的电阻丝 等节距绕制。 电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负 载无穷大，输出特性称空载特性。
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3.1.1 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9.1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 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
第3章 电位器式传感器
图3.2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
Ra
a amax
Rmax
(3.3)
作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
U max
(3.4)
结论：线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公 式。
第3章 电位器式传感器 若线性电位器式传感器截面长、宽为b、 h，导线横截面积A，绕线 节距为t，则
Rmax xmax
其灵敏度应为：

A nt
2(b h )n
骨架宽、高
Rmax 2(b h ) SR xmax At
(9.5)
U max 2(b h ) (9.6) SU I xmax At
结论：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
U max U n
(9.7)
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j
j+1
线圈一圈一圈的变化 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。
U max U 阶跃值亦即名义分辨率： n
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。 小电压阶跃亦即次要分辨脉冲：
? 图9.4 局部剖面和阶梯特性
第3章 电位器式传感器
大阶跃脉冲为主脉冲，视在分辨脉冲： U Um Un
工程上常把图 3.4那种实际阶梯曲线简化成如图 3.5所示 理想阶梯曲线 。
(9.11)
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从图9.5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。
第3章 电位器式传感器
第3章 电位器式传感器
电 位 器 式 传 感 器 线性电位器 空载特性 阶梯误差和分辨率 应用 结构变化的三种线性电位器原理 非线性电位器
阶梯误差和分辨率
负载特性和负载误差
电位器式传感器知识结构框图
第3章 电位器式传感器
概述
电位器是一种机电转换元件，可将位移(直线位移或 线位移)转换成电阻或电压输出。
图3.6 变骨架高度式非线性电位器
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当Δx→0时,则有 dR 2(b h ) dx At dU 2(b h ) I dx At
(3.13) (3.14)
由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：
At dR h b 2 dx 1 At dR h b I 2 dx
j
( 1 U max ) 2 n 1 100%(3.10) U max 2n
阶梯误差
3.5 理想阶梯曲线
理想阶梯特性曲线对理论特 性曲线的最大偏差与最大输 出电压的百分数
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3.2 非线性电位器
空载时输出电压(电阻)与电刷行程之间具有非线性关系。 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。常见非线性特性有变骨架、变节距、分路电阻或电位