第9章电位器式传感器ppt课件.ppt

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1、第9章电位器式传感器9.1线性电位器9.2非线性电位器9.3负载特性与负载误差9.4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。是德国ALTMANN专业位移传感器制造商提供的导电塑料角度传感器。9.1线性电位器电位器接负载，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。9.1.1空载特性线性电位器

2、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(9.1)图9.1电位器式位移传感器原理图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)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(9.3)作为分压器使用,则有(9.4)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。

3、图9.2电位器式角度传感器原理图因此对如图9.3所示的位移传感器来说,因为其灵敏度应为(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。图9.3线性线绕电位器示意图图9.3线性线绕电位器示意图9.1.2阶梯特性、阶梯误差和分辨率图9.4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,电位器

4、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

5、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：大阶跃脉冲为主脉冲，视在分辨脉冲：工程上常把图9.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图9.5所示。这时,电位器(理想阶梯特性的线绕电位器)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,即为：除了电压分辨率外,行程分辨率定义为: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(

6、9.10)(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。电位器的阶梯误差δj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(9.12)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。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

7、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。在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。9.2非线性电位器9.2.1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9.6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。空载时输出电压或电阻与电刷行程之间具有非线性关系。常见有变骨架、变节距、分路电阻或电位给定四种。图9.6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、

8、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(9.13)(9.14)由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为：(9.15)(9.16)2.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