電位器式傳感器

1、電位器式傳感器第4章 非電量的電測(cè)技術(shù)4.1 電位器式傳感器4.2 電阻應(yīng)變式傳感器4.3 電感式傳感器4.4 電容式傳感器4.5 熱電偶傳感器4.6 熱電阻傳感器4.7 壓電傳感器4.8 超聲波傳感器4.9 振弦式傳感器4.10 光電式傳感器4.11 激光式傳感器4.12 光纖傳感器4.13 紅外式傳感器4.14 熱敏傳感器4.15 霍爾式傳感器4.16 氣敏傳感器第4章 非電量的電測(cè)技術(shù) 何為非電量？何為非電量？ 機(jī)械量（如溫度、壓力、速度、位移、應(yīng)變、流量、液位等）、機(jī)械量（如溫度、壓力、速度、位移、應(yīng)變、流量、液位等）、熱工量（如溫度、熱工量（如溫度、 壓力、流量等）和化工量（濃度、成

2、分、壓力、流量等）和化工量（濃度、成分、PHPH值值等）。等）。 非電量的電測(cè)技術(shù)就是將各種非電量變換為電量，而后進(jìn)非電量的電測(cè)技術(shù)就是將各種非電量變換為電量，而后進(jìn)行測(cè)量的方法。行測(cè)量的方法。 非電量電測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是研究如何將非電量轉(zhuǎn)換成非電量電測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)是研究如何將非電量轉(zhuǎn)換成電量的技術(shù)電量的技術(shù)傳感技術(shù)。傳感技術(shù)。 電位器式傳感器 把直線位移或轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換成具有一定函數(shù)關(guān)系的輸出電阻或輸出電壓。因此可以用來(lái)測(cè)量振動(dòng)、位移、速度、加速度和壓力等非電參數(shù)。 原理 電阻變化： 相應(yīng)電刷位移 的電壓輸出 為： 式中 電位器的電阻靈敏度 。 式中 電位器的電壓靈敏度 。 當(dāng)電阻絲直徑

3、與材質(zhì)一定時(shí)，則電阻 R 隨導(dǎo)線長(zhǎng)度 L 而變化。 xkxLRRRx/x0UxkxRUUs/0RkSk4.1 電位器式傳感器 常用電位器式傳感器有:直線位移型、角位移型、非線性型. 左圖為典型的電位器式傳感器的左圖為典型的電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理。它由電阻元件（包括骨結(jié)構(gòu)原理。它由電阻元件（包括骨架和金屬電阻絲）和電刷（活動(dòng)觸架和金屬電阻絲）和電刷（活動(dòng)觸點(diǎn)）兩個(gè)基本部分組成。點(diǎn)）兩個(gè)基本部分組成。由圖可見(jiàn)，當(dāng)有機(jī)械位移時(shí)，電由圖可見(jiàn)，當(dāng)有機(jī)械位移時(shí)，電位器的動(dòng)觸點(diǎn)產(chǎn)生位移，而改變了位器的動(dòng)觸點(diǎn)產(chǎn)生位移，而改變了動(dòng)觸點(diǎn)相對(duì)于電位參考點(diǎn)（動(dòng)觸點(diǎn)相對(duì)于電位參考點(diǎn)（A點(diǎn)）點(diǎn)）的電阻的電阻 ，從而實(shí)現(xiàn)

4、了非電量，從而實(shí)現(xiàn)了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉(zhuǎn)換。值）的轉(zhuǎn)換。 電位器式傳感器有線性和非線性電位器式傳感器有線性和非線性電位器式傳感器兩大類。電位器式傳感器兩大類。xR4.1.1 4.1.1 電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)圖4-1 電位器式傳感器原理圖a）直線位移式 b）轉(zhuǎn)角位移式1金屬電阻絲 2骨架 3電刷電位器式傳感器結(jié)構(gòu)形式電位器式傳感器結(jié)構(gòu)形式 電位器式傳感器分類電位器式傳感器分類 滑線式滑線式 半導(dǎo)體式半導(dǎo)體式 骨架式骨架式 分段電阻式分段電阻式 液體觸點(diǎn)式液體觸點(diǎn)式 電位器式傳感器結(jié)構(gòu)電位器式傳感器結(jié)構(gòu) 如右圖所示。如右圖所

5、示。 4.1.2 線性電位器式傳感器 線性電位器式傳感器的理想空載（負(fù)載電阻）特性曲線應(yīng)具有嚴(yán)格的直線性關(guān)系。圖4-2是線性電位器式傳感器原理圖。由圖可見(jiàn)，線性電位器式傳感器的骨架截面處處相等，由材料均勻的金屬電阻絲按相等截距繞制成電阻元件，因此其最大電阻值為： 式中， 為導(dǎo)線的電阻率； 為導(dǎo)線的截面積； 和 分別為骨架的寬度 和高度； 為電位器線圈的總匝數(shù)。ANhbR)(2maxAbhN圖4-2 線性電位器式傳感器原理圖a）結(jié)構(gòu)圖 b）原理圖 由于電位器單位長(zhǎng)度上電阻值處處相等，當(dāng)電刷行程為 時(shí)，對(duì)應(yīng)的空載輸出電阻和輸出電壓分別為： 和 式中， 和 分別為電位器電刷的最大行程和加于電位器兩端

6、的最大電壓； 和 分別為線性電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度。 由于 ， 為導(dǎo)線間的節(jié)距，因此 和 可表示為： 和式中， 為導(dǎo)線中的電流。xkxxRRRxmaxmaxxkxxUUUxmaxmaxxmaxxmaxUUkRkNtxmaxAthbkR)(2AthbIkU)(2tUkRkI 實(shí)際上繞線線性電位器的變換是一匝一匝進(jìn)行的，電刷每移過(guò)一匝，輸出電壓（或電阻）產(chǎn)生一個(gè)增量 （ ），其值為： 由此可見(jiàn)，繞線線性電位器傳感器的輸入輸出特性不是線性的，而是一條階梯特性曲線。其理想階梯特性曲線見(jiàn)圖4-3。 由圖4-3可求出繞線線性電位器傳感器的電壓分辨率 ，其定義為：在工作行程內(nèi)電位器產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)得出的

7、輸出電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，即： URNUUmaxBk%1001%100%100maxmaxmaxNUNUUUkB圖4-3 繞線線性電位器傳感器理想階梯特性曲線 由圖4-3可求出繞線線性電位器傳感器的階梯誤差 ，其定義為理想階梯特性曲線與理想的理論直線的最大偏差值與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)，即： 上面研究的是線性電位器的空載特性。實(shí)際上，由于負(fù)載電阻 ，當(dāng)傳感器帶負(fù)載時(shí)的工作特性稱為負(fù)載特性。由于負(fù)載效應(yīng)的存在，傳感器的負(fù)載特性與理想空載特性之間存在著偏差稱為負(fù)載誤差。負(fù)載誤差與負(fù)載電阻 的大小有關(guān)，負(fù)載電阻 愈大，負(fù)載誤差愈小，反之亦然。%10021%100)21(%1002m

8、axmaxmaxNUNUUUrjjrlRlRlR 帶負(fù)載線性電位器傳感器電路見(jiàn)圖4-4。圖中， ， ， ， ， 。求負(fù)載誤差。若 ，負(fù)載誤差又是多少？解解：由式（4-2）和式（4-3）可求得位移 時(shí) 傳感器電阻和空載輸出電壓分別為：由圖可求得帶負(fù)載 時(shí)的輸出電壓為： V5maxU k5maxRmmx50maxmmx30k20lRk 100lR)(k330505maxmaxxxRRxV330505maxmaxxxUUxxk20lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax83. 2203203)35(2032035圖4-4 帶負(fù)載電位器傳感器電路圖 引起的負(fù)

9、載誤差為： 若負(fù)載 ，可求得輸出電壓為： 引起的負(fù)載誤差為： 由此可見(jiàn)，欲使負(fù)載誤差小于1.0%，必須保證負(fù)載電阻 以上。%7 . 5%1003383. 2%100 xxxllUUUrk100lRlxlxxlxlxlxlxxlRRRRRRRRRRURRRRIU)(maxmax)(96. 210031003)35(100310035V%3 . 1%1003396. 2%100 xxxllUUUrmax20RRl 非線性電位器傳感器是指在空載時(shí)其輸出電壓（或電阻）與電刷行程 之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器觸感器，也稱為函數(shù)電位器傳感器。它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其它任意函數(shù)，因此

10、可以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求。 常用的非線性電位器傳感器有變骨架式、變截距式和分路電阻式等。 對(duì)廣大用戶而言，常用分路電阻式，因此僅討論分路電阻式非線性電位器傳感器。4.1.3 非線性電位器傳感器分路電阻式非線性電位器傳感器 分路電阻式非線性電位器傳感器的工作原理實(shí)際上是通過(guò)折線逼近法來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)變換關(guān)系的，見(jiàn)圖4-6 。圖4-6 分路電阻式非線性電位器傳感器a）特性曲線 b）電路圖 4.1.4 電位器式傳感器的應(yīng)用 1.電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器 如圖4-8所示，彈性敏感元件波紋管在被測(cè)壓力p 作用下，產(chǎn)生彈性位移，通過(guò)連桿帶動(dòng)電位器的電刷在電阻絲上滑動(dòng)，因而輸出一個(gè)與被測(cè)壓力成比例的電壓信號(hào)。圖4-8 電位器式壓力傳感器原理 2.電位器式位移測(cè)量電位器式位移測(cè)量 電位器式傳感器測(cè)量的基本