传感器技术及其应用(.ppt

单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 1 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 第3章 电位器式传感器 3.1 线性电位器 3.2 非线性电位器 3.3 负载特性与负载误差 3.4 电位器式传感器 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 2 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.1.1 线性电位器 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3.1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 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 3 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.1 电位器式位移传感器原理图 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 4 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 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 图3.2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 作为分压器使用,则有 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 5 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.2 电位器式角度传感器原理图 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 6 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述 四个公式。因此对如图3.3所示的位移传感器来说, 因为 其灵敏度应为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 7 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.3 线性线绕电位器示意图 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 8 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.3 线性线绕电位器示意图 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 9 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 式中,SR、SU分别为电阻灵敏度、电压灵敏 度;为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线 绕电位器绕线总匝数。 由上式可以看出,线性线绕电位器的电阻灵 敏度和电压灵敏度除与电阻率有关外,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。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 10 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图3.4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 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 11 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.4 局部剖面和阶梯特性1电刷2电阻丝3短路线 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 12 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必 定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n 匝减小到（n-1）匝,这样总阻值的变化就使 得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。这 个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 13 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和 导线直径的比。若电刷的直径太小,尤其使用软合金时 ,会促使形成磨损平台;若直径过大,则只要有很小的磨 损就将使电位器有更多的匝短路,一般取电刷与导线直 径比为10可获得较好的效果。 工程上常把图3.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲 线,如图3.5所示。这时,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,对理想阶梯特性的线绕电位器 ,电压分辨率为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 14 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 除了电压分辨率外,还有行程分辨率,其定 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 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 15 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 从图3.5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j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 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 16 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.5理想阶梯曲线 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 17 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 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)。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 18 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.2.1 非线性电位器 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3.6所示为一种变骨架高度式非线性电位 器。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 19 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.6 变骨架高度式线性电位器 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 20 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 1.骨架变化的规律 变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数、A 、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函 数关系。这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电 位器为例来对骨架变化规律进行分析。在图9.6所示曲 线上任取一小段,则可视为直线,电刷位移为x,对应的 电阻变化就是R,因此前述的线性电位器灵敏度公式 仍然成立,即 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 21 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 当x0时,则有 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 22 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 2. 阶梯误差与分辨率 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 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 23 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.结构特点 变骨架式非线性电位器理论上可以实现所要求的 许多种函数特性,但由于结构和工艺上的原因, 对 于所实现的特性有一定的限制,为保证强度,骨架的 最小高度hmin34mm, 不能太小。特性曲线斜 率也不能过大,否则骨架高度很大或骨架坡度太高, 骨架型面坡度应小于2030。坡度角太大,绕制 时容易产生倾斜和打滑,从而产生误差,如图3.7(a) 所示,这就要求特性曲线斜率变化不能太激烈,为减 小坡度可采用对称骨架,如图3.7(b)所示。 为减小具有连续变化特性的骨架的制造和绕制困 难,也可对特性曲线采用折线逼近,从而将骨架设计 成阶梯形的,如图3.8所示。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 24 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.7 对称骨架式 （a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 25 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.8 阶梯骨架式非线性电位器 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 26 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.9 变节距式非线性电位器 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 27 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.2.2 变节距式非线性线绕电位器 变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非线性线绕电位器。 1.节距变化规律 变节距式电位器是在保持、A、b、h不变的条件下,用改变节距t的方 法来实现所要求的非线性特性,如图3.9所示。由第20页ppt上公 式,可导 出节距的基本表达式为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 28 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 2. 阶梯误差和分辨率 由图3.9可见,变节距式电位器的骨架截面积不变,因而可 近似地认为每匝电阻值相等,即可以认为阶跃值相等。故 阶梯误差计算公式和线性线绕电位器阶梯误差的计算公 式完全相同, 。但行程分辨率不一样,这是由于分辨率取 决于绕距,而变绕距电位器绕距是变化的,其最大绕距tmax 发生在特性斜率最低处,故行程分辨率公式与线性线绕电 位器不同,不能直接用匝数n表示,而应为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 29 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3. 结构与特点 骨架制造比较容易,只能适用于特性曲线斜率变 化不大的情况,一般 其中可取 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 30 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.2.3 分路（并联）电阻式非线性电位器 1工作原理 对于图3.8所示的阶梯骨架式电位器 通过折线逼近法实现的函数关系,采用分路 电阻非线性电位器也可以实现,如图3.10所 示。这种方法是在同样长度的线性电位器 全行程上分若干段,引出一些抽头,通过对每 一段并联适当阻值的电阻,使得各段的斜率 达到所需的大小。在每一段内,电压输出是 线性的,而电阻输出是非线性的。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 31 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.10分路电阻式非线性电位器 （a）分路电阻式非线性电位器;（b）输出特性 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 32 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.10(b)中，曲线1为电阻输出特性，曲线2 为电压输出特性，曲线3为要求的特性。 各段并联电阻的大小,可由下式求出: 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 33 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 若仅知要求的各段电压变化U1、U2和U3,那么根据允 许通过的电流确定R1、R2和R3,或让最大斜率段电阻 为R3（无并联电阻时）压降为U3,则 求出I后,则 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 34 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 2. 误差分析 分路电阻式非线性电位器的行程分辨率与线性线绕电 位器的相同。其阶梯误差和电压分辨率均发生在特性 曲线最大斜率段上 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 35 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.结构与特点 分路电阻式非线性电位器原理上存在折线 近似曲线所带来的误差,但加工、绕制方便, 对特性曲线没有很多限制,使用灵活,通过改 变并联电阻,可以得到各种特性曲线。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 36 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.3 负载特性与负载误差 上面讨论的电位器空载特性相当于负载开 路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位 器接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电 位器的比值为有限值,此时所得的特性为负 载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差 称为电位器的负载误差,对于线性电位器负 载误差即是其非线性误差。带负载的电位 器的电路如图3.11所示。电位器的负载电阻 为Rf,则此电位器的输出电压为 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 37 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.11带负载的电位器电路 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 38 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 相对输出电压为 电阻相对变化 对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 39 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 电位器的负载系数为： 在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为： 接入负载Rf后的输出电压Uxf为： 电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为： 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 40 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 两式带入上式,则得 图3.12所示为f与m、X的曲线关系。由图可见,无论m为何 值,X=0和X=1时,即电刷在起始位置和最终位置时,负载误 差都为零;当X=1/2时,负载误差最大,且增大负载系数时,负 载误差也随之增加。对线性电位器,当电刷处于行程中间位 置时,其非线性误差最大。若要求负载误差在整个行程都保 持在3%以内,由于当X=1/2时,负载误差最大,即 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 41 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 则必须使Rf10Rmax。但是有时负载满足不 了这个条件,一般可以采取限制电位器工作 区间的办法减小负载误差;或将电位器的空 载特性设计为某种上凸的曲线,即设计出非 线性电位器也可以消除负载误差,此非线性 电位器的空载特性曲线2与线性电位器的负 载特性曲线1,两者是以特性直线3互为镜像 的,如图3.13所示。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 42 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.12 f与m、X的关系曲线 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 43 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.13 非线性电位器的空载特性 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 44 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 3.4 电位器式传感器 3.4.1 电位器式位移传感器 电位器式位移传感器常用于测量几 毫米到几十米的位移和几度到360的角度 。图3.14所示推杆式位移传感器可测量5 200mm的位移,可在温度为50C,相对湿度 为98(t20C),频率为300Hz以内及加速 度为300m/s2的振动条件下工作,精度为2, 电位器的总电阻为1500。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 45 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 传感器有外壳1,带齿条的推杆2,以及由齿 轮3、4、5组成的齿轮系统将被测位移转 换成旋转运动,旋转运动通过爪牙离合器6 传送到线绕电位器的轴8上,电位器轴8上 装有电刷9,电刷9因推杆位移而沿电位器 绕组11滑动,通过轴套10和焊在轴套上的 螺旋弹簧7以及电刷9来输出电信号,弹簧7 还可保证传感器的所有活动系统复位。 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 46 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.14 推杆式位移传感器 单击 此处编辑 母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 47 Anhui Science and Technology University 理学院 单击此处编辑 母版标题样 式 图3.15所示替换杆式位移传感器可用于量程为 10mm到量程为320mm的多种测量范围,巧妙之 处在于采用替换杆(每种量程有一种杆)。替换 杆的工作段上开有螺旋槽,当位移超过测量范 围时,替换杆则很容易与传感器脱开。需测大 位移时可再换上其它杆。电位器2和以一定螺 距开螺旋槽的多种长度的替换杆5是传感器的 主要元件,滑动件3上装有销子4,用以将位移转 换成滑动件的旋转。替换杆在外壳1的轴承中 自由运动,并通过其本身的螺旋槽作用于销子4 上,使滑动件3上的电刷沿电位器绕组滑动,此时 电位器的输出电阻与杆的位移成比例。