電位器式傳感器

關(guān)于電位器式傳感器第1頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三2電阻式傳感器

電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示被測(cè)量值的變化。電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。

第2頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三3電阻式傳感器分類1電位器式傳感器2應(yīng)變片式傳感器第3頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三43.4電位器式傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來(lái)使用。它們主要用于測(cè)量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。第4頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三5一、線性電位器的空載特性

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3-36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(zhǎng)為xmax的電位器其總電阻為Rmax,電阻沿長(zhǎng)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(3-27)2.1.1線性電位器第5頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三6圖3-36電位器式位移傳感器原理圖第6頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三7

若把它作為分壓器使用,且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為(3-28)

圖3-37所示為電位器式角度傳感器。作變阻器使用,則電阻與角度的關(guān)系為(3-29)作為分壓器使用,則有(3-30)第7頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三8

圖3-37電位器式角度傳感器第8頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三9

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(duì)如圖3-38所示的位移傳感器來(lái)說(shuō),因?yàn)槠潇`敏度應(yīng)為

(3-32)(3-31)第9頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三10

圖3-38線性線繞電位器示意圖第10頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三11

式中,kR、ku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(guò)電位器的電流I的大小有關(guān)。

第11頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三12二、階梯特性

圖2-4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(guò)程中,雖有微小位移,但電阻值并無(wú)變化,因而輸出電壓也不改變,在輸出特性曲線上對(duì)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(guò)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(2-7)第12頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三13圖2-5理想階梯特性曲線第13頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三14非線性電位器非線性電位器是指在空載時(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，也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。第14頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三15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▉?lái)實(shí)現(xiàn)非線性函數(shù)特性。圖2-6所示為一種變骨架高度式非線性電位器。

第15頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三16圖2-6變骨架式電位器第16頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三17電位器的結(jié)構(gòu)與材料

由于測(cè)量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動(dòng)電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。

1、電阻絲：電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強(qiáng)度、電勢(shì)及加工

2、電刷：某些電刷結(jié)構(gòu)如圖2-11

電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置

3、骨架。膨脹系數(shù)、絕緣性能、強(qiáng)度及加工第17頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三18圖2-11某些電刷結(jié)構(gòu)第18頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三19電位器式傳感器應(yīng)用舉例電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器是利用彈性元件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測(cè)的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點(diǎn)的移動(dòng)，從而引起輸出電壓或電流的相應(yīng)變化。如圖2-12為YCD-150型遠(yuǎn)程壓力表原理圖。彈簧管內(nèi)通入被測(cè)流體,在流體壓力作用下,彈簧管產(chǎn)生彈性位移,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(cè)壓力成比例的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳送,故可作為遠(yuǎn)程壓力表。

第19頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三20圖2-12YCO-l50型壓力傳感器原理圖第20頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三21電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器如圖2-13彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測(cè)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),同樣輸出一個(gè)與被測(cè)壓力成比例的電壓信號(hào)。第21頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三22圖2-13膜盒電位器式壓力傳感器原理圖第22頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三23電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器常用于測(cè)量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360°的角度。圖2-14電位器式位移傳感器：其中3為輸入軸，電阻線1以均勻的間隔繞在用絕緣材料制成的骨架上，觸點(diǎn)2沿著電阻絲的裸露部分滑動(dòng)，并由導(dǎo)電片4輸出。

圖2-15電位器式位移傳感器在測(cè)量比較小的位移時(shí)，可將線位移變換成角位移。第23頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三24圖2-14電位器式位移傳感器示意圖第24頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三25圖2-15測(cè)小位移傳感器示意圖第25頁(yè)，講稿共28頁(yè)，2023年5月2日，星期三26電位器式加速度傳感器

圖2-16所示為電位器式加速度傳感器,慣性質(zhì)量塊在被測(cè)加速度的作用下,使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測(cè)加速度的位移,從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動(dòng),輸出一與加速度成比例的電壓信號(hào)。電位器傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,性能穩(wěn)定,能承受惡劣環(huán)境