《电位器式传感器》PPT课件

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1、第3章电位器式传感器电位器式传感器知识结构框图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。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。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，

2、输出特性称空载特性。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(9.2)(9.1)图3.1直线位移式电位器传感器原理图3.2电位器式角度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。图3.2所示为电位器式角度传感器。作变阻器

3、使用,则电阻与角度的关系为(3.3)作为分压器使用,则有(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。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，则其灵敏度应为：(9.6)骨架宽、高(9.5)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的电流I的大小有关。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,

4、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(9.7)图9.4局部剖面和阶梯特性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。阶跃值亦即名义分辨率：电刷从

5、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：?jj+1大阶跃脉冲为主脉冲，视在分辨脉冲：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)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。(3.10)阶梯误差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3.5理想

6、阶梯曲线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。图3.6变骨架高度式非线性电位器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

7、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：当Δx→0时,则有(3.13)(3.14)由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：(3.15)(3.16)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,故阶梯误差为(9.17)3.结构特点变骨架式非线性电位器

8、理论上可以实现所要求的许多种函数特性,但结构必须满足：（1）为保证强度,骨架的最小高度hmin>3～4mm,不能太小。（2）骨架型面坡度α应小于20°～30°，否则绕制时容易产生倾斜和打滑,产生误差,如图9.7(a)所示。减小误差方法：（1）减小坡度，可采用对称骨架,如图3.7(b)所示。（2）减小具