傳感器技術(shù)第9章電位器式傳感器課件

第9章電位器式傳感器9.1線性電位器9.2非線性電位器9.3負(fù)載特性與負(fù)載誤差9.4電位器式傳感器9.1線性電位器9.1.1空載特性線性電位器的理想空載特性曲線應(yīng)具有嚴(yán)格的線性關(guān)系。圖9.1所示為電位器式位移傳感器原理圖。如果把它作為變阻器使用,假定全長為xmax的電位器其總電阻為Rmax,電阻沿長度的分布是均勻的,則當(dāng)滑臂由A向B移動(dòng)x后,A點(diǎn)到電刷間的阻值為(9.1)圖9.1電位器式位移傳感器原理圖圖9.2電位器式角度傳感器原理圖線性線繞電位器理想的輸出、輸入關(guān)系遵循上述四個(gè)公式。因此對如圖9.3所示的位移傳感器來說,因?yàn)槠潇`敏度應(yīng)為(9.6)圖9.3線性線繞電位器示意圖式中,SR、SU分別為電阻靈敏度、電壓靈敏度;ρ為導(dǎo)線電阻率;A為導(dǎo)線橫截面積;n為線繞電位器繞線總匝數(shù)。由(9.5)、(9.6)式可以看出,線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率ρ有關(guān)外,還與骨架尺寸h和b、導(dǎo)線橫截面積A(導(dǎo)線直徑d）、繞線節(jié)距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān);電壓靈敏度還與通過電位器的電流I的大小有關(guān)。9.1.2階梯特性、階梯誤差和分辨率圖9.4所示為繞n匝電阻絲的線性電位器的局部剖面和階梯特性曲線圖。電刷在電位器的線圈上移動(dòng)時(shí),線圈一圈一圈的變化,因此,電位器阻值隨電刷移動(dòng)不是連續(xù)地改變,導(dǎo)線與一匝接觸的過程中,雖有微小位移,但電阻值并無變化,因而輸出電壓也不改變,在輸出特性曲線上對應(yīng)地出現(xiàn)平直段;當(dāng)電刷離開這一匝而與下一匝接觸時(shí),電阻突然增加一匝阻值,因此特性曲線相應(yīng)出現(xiàn)階躍段。這樣,電刷每移過一匝,輸出電壓便階躍一次,共產(chǎn)生n個(gè)電壓階梯,其階躍值亦即名義分辨率為(9.7)圖9.4局部剖面和階梯特性主要分辨脈沖和次要分辨脈沖的延續(xù)比,取決于電刷和導(dǎo)線直徑的比。若電刷的直徑太小,尤其使用軟合金時(shí),會促使形成磨損平臺;若直徑過大,則只要有很小的磨損就將使電位器有更多的匝短路,一般取電刷與導(dǎo)線直徑比為10可獲得較好的效果。工程上常把圖9.4那種實(shí)際階梯曲線簡化成理想階梯曲線,如圖9.5所示。這時(shí),電位器的電壓分辨率定義為:在電刷行程內(nèi),電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓Umax之比的百分?jǐn)?shù),對理想階梯特性的線繞電位器,電壓分辨率為(9.10)除了電壓分辨率外,還有行程分辨率,其定義為:在電刷行程內(nèi),能使電位器產(chǎn)生一個(gè)可測出變化的電刷最小行程與整個(gè)行程之比的百分?jǐn)?shù),即(9.11)從圖9.5中可見,在理想情況下,特性曲線每個(gè)階梯的大小完全相同,則通過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論特性曲線,階梯曲線圍繞它上下跳動(dòng),從而帶來一定誤差,這就是階梯誤差。電位器的階梯誤差δj通常以理想階梯特性曲線對理論特性曲線的最大偏差值與最大輸出電壓值的百分?jǐn)?shù)表示,即(9.12)階梯誤差和分辨率的大小都是由線繞電位器本身工作原理所決定的,是一種原理性誤差,它決定了電位器可能達(dá)到的最高精度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為改善階梯誤差和分辨率,需增加匝數(shù),即減小導(dǎo)線直徑（小型電位器通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線）或增加骨架長度（如采用多圈螺旋電位器)。9.2非線性電位器9.2.1變骨架式非線性電位器變骨架式電位器是利用改變骨架高度或?qū)挾鹊姆椒▉韺?shí)現(xiàn)非線性函數(shù)特性。圖9.6所示為一種變骨架高度式非線性電位器。圖9.6變骨架高度式線性電位器當(dāng)Δx→0時(shí),則有(9.13)(9.14)由上述兩個(gè)公式可求出骨架高度的變化規(guī)律為(9.15)(9.16)2.階梯誤差與分辨率變骨架高度式電位器的繞線節(jié)距是不變的,因此其行程分辨率與線性電位器計(jì)算式相同,則有但由于骨架高度是變化的,因而階梯特性的階梯也是變化的,最大階梯值發(fā)生在特性曲線斜率最大處,故階梯誤差為(9.17)3.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)變骨架式非線性電位器理論上可以實(shí)現(xiàn)所要求的許多種函數(shù)特性,但由于結(jié)構(gòu)和工藝上的原因,對于所實(shí)現(xiàn)的特性有一定的限制,為保證強(qiáng)度,骨架的最小高度hmin>3～4mm,不能太小。特性曲線斜率也不能過大,否則骨架高度很大或骨架坡度太高,骨架型面坡度α應(yīng)小于20°～30°。坡度角太大,繞制時(shí)容易產(chǎn)生傾斜和打滑,從而產(chǎn)生誤差,如圖9.7(a)所示,這就要求特性曲線斜率變化不能太激烈,為減小坡度可采用對稱骨架,如圖9.7(b)所示。為減小具有連續(xù)變化特性的骨架的制造和繞制困難,也可對特性曲線采用折線逼近,從而將骨架設(shè)計(jì)成階梯形的,如圖9.8所示。圖9.8階梯骨架式非線性電位器9.2.2變節(jié)距式非線性線繞電位器變節(jié)距式非線性線繞電位器也稱為分段繞制的非線性線繞電位器。1.節(jié)距變化規(guī)律變節(jié)距式電位器是在保持ρ、A、b、h不變的條件下,用改變節(jié)距t的方法來實(shí)現(xiàn)所要求的非線性特性,如圖9.9所示。由（9.13）、（9.14）式,可導(dǎo)出節(jié)距的基本表達(dá)式為(9.18)圖9.9變節(jié)距式非線性電位器3.結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)骨架制造比較容易,只能適用于特性曲線斜率變化不大的情況,一般其中可取9.2.3分路（并聯(lián)）電阻式非線性電位器1．工作原理對于圖9.8所示的階梯骨架式電位器通過折線逼近法實(shí)現(xiàn)的函數(shù)關(guān)系,采用分路電阻非線性電位器也可以實(shí)現(xiàn),如圖9.10所示。這種方法是在同樣長度的線性電位器全行程上分若干段,引出一些抽頭,通過對每一段并聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻,使得各段的斜率達(dá)到所需的大小。在每一段內(nèi),電壓輸出是線性的,而電阻輸出是非線性的。圖9.10分路電阻式非線性電位器（a）分路電阻式非線性電位器;（b）輸出特性圖9.10(b)中，曲線1為電阻輸出特性，曲線2為電壓輸出特性，曲線3為要求的特性。各段并聯(lián)電阻的大小,可由下式求出:(9.19)若僅知要求的各段電壓變化ΔU1、ΔU2和ΔU3,那么根據(jù)允許通過的電流確定ΔR1、ΔR2和ΔR3,或讓最大斜率段電阻為ΔR3（無并聯(lián)電阻時(shí)）壓降為ΔU3,則求出I后,則2.誤差分析分路電阻式非線性電位器的行程分辨率與線性線繞電位器的相同。其階梯誤差和電壓分辨率均發(fā)生在特性曲線最大斜率段上(9.20)(9.21)3.結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)分路電阻式非線性電位器原理上存在折線近似曲線所帶來的誤差,但加工、繞制方便,對特性曲線沒有很多限制,使用靈活,通過改變并聯(lián)電阻,可以得到各種特性曲線。9.3負(fù)載特性與負(fù)載誤差上面討論的電位器空載特性相當(dāng)于負(fù)載開路或?yàn)闊o窮大時(shí)的情況,而一般情況下,電位器接有負(fù)載,接入負(fù)載時(shí),由于負(fù)載電阻和電位器的比值為有限值,此時(shí)所得的特性為負(fù)載特性,負(fù)載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差,對于線性電位器負(fù)載誤差即是其非線性誤差。帶負(fù)載的電位器的電路如圖9.11所示。電位器的負(fù)載電阻為Rf,則此電位器的輸出電壓為相對輸出電壓為(9.22)電阻相對變化(9.23)對于線性電位器電阻相對變化就是電阻相對行程，即電位器的負(fù)載系數(shù)為(9.24)在未接入負(fù)載時(shí),電位器的輸出電壓Ux為(9.25)接入負(fù)載Rf后的輸出電壓Uxf為電位器在接入負(fù)載電阻Rf后的負(fù)載誤差為(9.27)(9.28)圖9.12所示為δf與m、X的曲線關(guān)系。由圖可見,無論m為何值,X=0和X=1時(shí),即電刷在起始位置和最終位置時(shí),負(fù)載誤差都為零;當(dāng)X=1/2時(shí),負(fù)載誤差最大,且增大負(fù)載系數(shù)時(shí),負(fù)載誤差也隨之增加。對線性電位器,當(dāng)電刷處于行程中間位置時(shí),其非線性誤差最大。若要求負(fù)載誤差在整個(gè)行程都保持在3%以內(nèi),由于當(dāng)X=1/2時(shí),負(fù)載誤差最大,即將(9.25)、(9.26)兩式帶入上式,則得(9.28)則必須使Rf>10Rmax。但是有時(shí)負(fù)載滿足不了這個(gè)條件,一般可以采取限制電位器工作區(qū)間的辦法減小負(fù)載誤差;或?qū)㈦娢黄鞯目蛰d特性設(shè)計(jì)為某種上凸的曲線,即設(shè)計(jì)出非線性電位器也可以消除負(fù)載誤差,此非線性電位器的空載特性曲線2與線性電位器的負(fù)載特性曲線1,兩者是以特性直線3互為鏡像的,如圖9.13所示。圖9.12δf與m、X的關(guān)系曲線圖9.13非線性電位器的空載特性9.4電位器式傳感器9.4.1電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360°的角度。圖9.14所示推桿式位移傳感器可測量5～200mm的位移,可在溫度為±50°C,相對濕度為98％(t＝20°C),頻率為300Hz以內(nèi)及加速度為300m/s2的振動(dòng)條件下工作,精度為2％,電位器的總電阻為1500Ω。傳感器有外殼1,帶齒條的推桿2,以及由齒輪3、4、5組成的齒輪系統(tǒng)將被測位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過爪牙離合器6傳送到線繞電位器的軸8上,電位器軸8上裝有電刷9,電刷9因推桿位移而沿電位器繞組11滑動(dòng),通過軸套10和焊在軸套上的螺旋彈簧7以及電刷9來輸出電信號,彈簧7還可保證傳感器的所有活動(dòng)系統(tǒng)復(fù)位。圖9.14推桿式位移傳感器圖9.15所示替換桿式位移傳感器可用于量程為10mm到量程為320mm的多種測量范圍,巧妙之處在于采用替換桿(每種量程有一種桿)。替換桿的工作段上開有螺旋槽,當(dāng)位移超過測量范圍時(shí),替換桿則很容易與傳感器脫開。需測大位移時(shí)可再換上其它桿。電位器2和以一定螺距開螺旋槽的多種長度的替換桿5是傳感器的主要元件,滑動(dòng)件3上裝有銷子4,用以將位移轉(zhuǎn)換成滑動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)。替換桿在外殼1的軸承中自由運(yùn)動(dòng),并通過其本身的螺旋槽作用于銷子4上,使滑動(dòng)件3上的電刷沿電位器繞組滑動(dòng),此時(shí)電位器的輸出電阻與桿的位移成比例。

圖9.15替換桿式位移傳感器圖9.16拉線式大位移傳感器9.4.2電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器如圖9.17所示,彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測流體,在流體壓力作用下,膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移,推動(dòng)連桿上移,使曲柄軸帶動(dòng)電位器的電刷在電位器繞組上滑動(dòng),因而輸出一個(gè)與被測壓力成比例的電壓信號。該電壓信號可遠(yuǎn)距離傳送,故可作為遠(yuǎn)程壓力表。圖9.17電位器式壓力傳