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第3章电位器式传感器 电位器式传感器知识结构框图 概述电位器是一种机电转换元件 可将位移 直线位移或线位移 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 电位器分类 线性电位器和非线性电位器 3 1线性电位器 组成 绕于骨架上的电阻丝线圈 沿电位器滑动的滑臂 电刷 线性电位器 骨架截面处处相等 材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制 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 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 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 9 1 图3 1直线位移式电位器传感器原理图 3 2电位器式角度传感器原理图 是德国ALTMANN专业制造商提供的导电塑料角度传感器 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 3 3 作为分压器使用 则有 3 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 若线性电位器式传感器截面长 宽为b h 导线横截面积A 绕线节距为t 则 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 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 3 1 2阶梯特性 阶梯误差和分辨率图3 1所示 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 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 j j 1 大阶跃脉冲为主脉冲 视在分辨脉冲 工程上常把图3 4那种实际阶梯曲线简化成如图3 5所示理想阶梯曲线 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 3 10 阶梯误差理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差与最大输出电压的百分数 3 5理想阶梯曲线 3 2非线性电位器 空载时输出电压 电阻 与电刷行程之间具有非线性关系 研究意义 现实中有些对象是指数函数 对数函数 三角函数及其他任意函数 要满足控制系统特殊要求 必须想办法找到与线性控制系统的关系 用线性输出特性解决非线性输出 常见非线性特性有变骨架 变节距 分路电阻或电位给定四种 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36所示为一种变骨架高度式非线性电位器 图3 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 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 用图中折线逼近曲线 电刷位移为 x 对应的电阻变化就是 R 线性电位器灵敏度公式仍然成立 当 x 0时 则有 3 13 3 14 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为 3 15 3 16 只要骨架高度满足左边式子 即可实现线性灵敏度要求 2 行程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 9 17 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 但结构必须满足 1 为保证强度 骨架的最小高度hmin 3 4mm 不能太小 2 骨架型面坡度 应小于20 30 否则绕制时容易产生倾斜和打滑 产生误差 如图9 7 a 所示 减小误差方法 1 减小坡度 可采用对称骨架 如图3 7 b 所示 2 减小具有连续变化特性的骨架的制造和绕制困难 将骨架设计成阶梯形的 如图9 8所示 实际是对特性曲线采用折线逼近 图3 7对称骨架式 a 骨架坡度太高 b 对称骨架减少坡度 图3 8阶梯骨架式非线性电位器 实际是对特性曲线采用折线逼近 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9 9所示 由 3 13 3 14 式 可导出节距的基本表达式为 3 18 图3 9变节距式非线性电位器 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 见 3 12 式 行程分辨率 由于该分辨率取决于节距 其最大绕距tmax发生在特性斜率最低处 故行程分辨率公式应为 3 结构与特点骨架制造比较容易 绕制较困难 但近年来数字程控绕制机减小了绕制困难 只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况 一般 其中可取 3 2 3分路 并联 电阻式非线性电位器1 实现原理如果有一个线性电位器和若干阻值不同的电阻 要实现图3 11 a 中3所示的非线性特性 如何实现 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 要实现曲线3所要求的特性 线性电位器全行程分若干段 引出一些抽头 对每一段并联适当阻值 使得各段的斜率达到2所需的大小 每一段内 电压输出是线性的 而电阻输出是非线性的 如曲线1 若能求出各段并联电阻的大小 即可实现输出特性3所要求的函数关系 各段并联电阻的大小 可由下式求出 3 20 两种方法求r1 r2 r3 1 知各段电压变化 U1 U2和 U3 根据允许通过的电流确定 R1 R2和 R3 2 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 根据3 20求出并联电阻r1 r2 r3 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 3 21 3 22 x U t 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 例题 设计一只具有分流电阻的环行线绕电位器 已知先行电位器的总电阻R0 4 8k 环形电位器的骨架R内 20mm 电源电压U 27V d c 采用康铜丝作电阻丝 0 5 mm2 m 电阻丝中最大电流密度j 5A mm2 现要求该电位器能实现下表所列函数关系U f 试求线性电位器的分流电阻值 两端电位差 6 7 5 1 4 4 2 7 2 3 1 5 1 1 0 9 0 8 1 5 解 1 由于第一段斜率最大 此处阶梯误差最大 则 r2 1 53K r3 918 3 r4 324 r5 250 9 r6 138 5 r7 138 5 r8 94 3 r9 7405 r10 65 1 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9 11所示 电位器的负载电阻为Rf 则此电位器的输出电压为 3 12带负载的电位器电路 电阻相对变化 3 24 很复杂 电位器的负载系数为 3 25 在未接入负载时 电位器的输出电压Ux为 3 27 则接入负载Rf后的简化的输出电压Uxf表达式为 3 26 3 28 Ux rUmax 比较 3 26 和 3 27 两式可知 Rf不是无穷大 负载与空载输出之间产生偏差 则负载误差为 将 3 26 3 27 两式带入上式 则得 3 29 由图可见 无论m为何值 电刷在起始和最终位置时 负载误差都为零 当X 1 2时 可求导 负载误差最大 且增大负载系数时 负载误差也随之增加 减少方法 尽量减小负载系数 通常希望m 0 1 为此可采用高输入阻抗放大器 将电位器工作区间限制在负载误差曲线范围内 将电位器空载特性设计成某种上凸特性 负载特性必然下降 正好是所要求的特性 图9 13非线性电位器的空载特性 3 设计出非线性电位器 将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线2 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 也可消除负载误差 如图9 13所示 3 4 结构与材料 1 线绕式电位器通常由电阻丝 电刷及骨架构成 1 电阻丝要求电阻丝具有电阻率高 电阻温度系数小 耐磨耐腐蚀等特点 常用的材料有铜锰合金类 铜镍合金类 铂铱合金类 2 非线绕式电位器上述线饶式电位器的特性也适合非线绕式电位器 下面主要介绍非线绕式电位器特点及基本结构 非线绕式电位器具有精度高 性能稳定 易于实现各种变化等特点 但分辨率较低 耐磨性差 寿命较短 因而人们研制了一些性能优良的非线绕式电位器 1 薄膜电位器薄膜电位器通常有两种 一种是碳膜电位器 另一种是金属膜电位器 碳膜电位器是在绝缘骨架表面喷涂一层均匀的电阻液 经烘干聚合制成电阻 电阻液由石墨 碳膜 树脂材料配合而成 这种电位器特点是分辨率高 耐磨性较好 工艺简单 成本较低 线性较好 但接触电阻及噪声较大等 金属膜电位器是在绝缘基体上用高温蒸镀或电镀方法 涂上一层金属膜而制成 金属膜为合金锗铑 铂铜 铂铑锰等 该电位器温度系数小 可在高温下工作 但存在难磨性差 功率小 阻值较小 1K 2K 等缺陷 2 导电塑料电位器这种电位器由塑料粉和导电材料 合金 石墨 碳黑等 压制而成 它又称为实心电位器 该电位器耐磨性较好 寿命长 电刷容许的接触压力较大 适用于振动 冲击等恶劣工作环境 能承受较大功率 但温度影响较大 接触电阻大 精度不高 3 光电电位器 光电电位器是一种非接触式电位器 用光束代替电刷 克服上述接触式电位器耐磨性差 寿命较短的共同缺点 1 光电导层 2 基体 3 薄膜电阻带 4 电刷窄光束 5 光电级 当无光照射时 因光电导材料暗电阻极大 电阻带与电极之间可视为断路 当窄光束4 电刷 照射在窄间隙上时 电阻带与电极接通 这样在外电源E的作用下 负载电阻上输出的电压随着光束 电刷 移动而变化 优点 光电电位器具有耐磨性好 精度 分辨率高 寿命长 可达亿万次循环 可靠性好 阻值范围宽 500 15M 等优点 3 5电位器式传感器 9 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9 14所示推杆式位移传感器可测量5 200mm的位移 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 图9 15替换杆式位移传感器 3 5 2电位器式压力传感器电位器式压力传感器如图3 16所示 弹性敏感元件膜盒的内腔 通入被测流体 在流体压力作用下 膜盒硬中心 推动连杆上移 使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动 因而输出一个与被测压力成比例的电压信号 该电压信号可远距离传送 故可作为远程压力表 图3 16电位器式压力传感器 流体压力作用膜盒硬中心 推动连杆上移 曲柄带动电刷在电位器绕组上滑动 输出一个与被测压力成比例的电压信号 3 5 3电位器式加速度传感器图3 17所示为电位器式加速度传感器 惯性质量块在被测加速度的作用下 使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移 从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动 输出一与加速度成比例的电压信号 总结 电位器传感器结构简单 价格低廉 性能稳定 能承受恶劣环境条件 输出功率大 一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表 其缺点是精度不高 动态响应较差 不适于测量快速变化量 图9 18电位器式加速度传感器 惯性质量块在被测加速度的作用下 片状弹簧产生正比于加速度的位移 电刷在电位器上滑动 输出一与加速度成比例的电压信号 惯性质量块 活塞阻力器 3 6电位器式传感器应用设计 3 6 1 电位器式液位传感器设计要求设计一只电位器式液位传感器 液面上限比下限高100mm 当达到液位上限时 一只继电器吸合 发出电流控制信号 而在其余液面高度均要有电压输出 继电器的线圈电阻为1250 吸合电流5mA 若要求该液位传感器的非线性误差 max 0 8 输出电压灵敏度Usc l 60mv mm 试求该电位器的总电阻Rmax 总长度L和电源激励电压Usr 解 要利用已知的非线性误差 电压灵敏度设计电位器总长度及选择符合条件的电压 电位器式传感器接入负载后存在非线性误差 负载误差推导过程如下 则负载时输出电压为 空载输出电压为 UX XUmax非线性误差为 当X 1 2时 负载非线性误差最大 m 0 032 又Rf 1250 Rmax mRf 0 032 1250 40 Usr IRf 5 10 3 1250V 6 25V L 6250 60mm 104mm所以根据设计要求应选择总阻值为40 总长度为104mm电位器 电源激励电压Usr为6 25V 这样便可构成满足上述要求的电位器式位移测量系统 3 6 2 电位器式角度指示仪设计 设计原理 用一个470 旋钮电位器模拟电位器式传感器 其电压变化一般为 0 5 v 这样不需要电桥测量电路和仪表放大器就可以对电压信号进行采集 选用51单片机 如89C52 作为系统的CPU ADC0809模数转换器 三位LED显示旋转的角度 转角范围为0 360 其原理框图如图3 18 图3 18角度指示仪原理框图 3 6 3 汽车前轮转向角的简易测量系统设计 3 6 3 1 设计任务利用电位器式角度传感器 模拟汽车前轮转向角的检测信号 单片机 电子技术等相关知识设计简易汽车前轮转向角测量系统 3 6 3 2 设计要求转角仪测量范围是左转角0 50 右转角0 50度 汽车前轮转向角最小分辨率为0 5 小数点后只显示5或0 最大的示值误差为1 图3 20汽车前轮转向角检测仪 3 6 3 4 设计提示与分析根据设计指标 用八位AD 0 255 芯片就可达到要求 制动过程信号采集通过人员旋动电位器来模拟 假定传感器电压的中间值为固定的0度 实际角度测量系统不这样 设计了自动归零处理 朝左旋转为正向角 符号位用0显示 朝右旋转为负向角 符号位用1显示 程序中角度计算可以通过查表 也可以用一个线性化公式来计算 左右转角的显示时间大于1秒 如果没有电位器式角度传感器 可用一个普通旋钮电位器代替 3 6 3 5 设计内容如下1 了解电位器式角度传感器的工作原理 工作特性等 2 当给电位器标准电压时 对转角与输出的电压进行测量 为程序设计的校正做准备 3 设计合理的信号调理电路 4 用单片机和AD芯片对信号进行处理 要有Protel画硬件接线原理图 利用C语言在单片机开发软件中编写相关程序 并对单片机的程序作详细解释 5 列出制作该装置的元器件 制作实验板 并调试运行成功 3 6 3 7 单片机采样显示硬件原理图 3 6 4 电位器性能测试系统的设计 电位器性能测试一般包括电气性能测试与机械性能测试 目前国内有旋转寿命测试台 线性度 平滑性等测试台 2009 2010年武汉工程大学给中国空空导弹研究所研制了一套电位器性能测试系统 该系统是评估舵机 舵机是航模 飞行器 导弹上的旋转的角度传感器等等 用电位器各种性能指标的 电气性能测试项目有 1 有效电气行程 理论电气行程的测试 2 独立线性度测试 3 输出平滑性测试 4 接触电阻测试 5 接触电阻变化测试 6 后冲 7 正弦响应 阶跃响应 8 旋转寿命测试 其中前7项电气性能测试的硬件系统框图如图3 23所示 硬件系统采用研华IPC工控机作为控制器 内部装有数据采集卡和数字IO卡 DIO卡 通过LAN口与PMAC的clipper运动控制卡通讯 clipper运动控制卡采用脉冲 方向控制方式与伺服驱动器接线 伺服驱动器用两条电缆6芯编码线与4芯动力线与伺服电机连接 伺服电机安装在夹具座上 夹具配有多种电位器安装小夹具 小夹具上安装配套测量的电位器 电位器的三根信号线给信号调理箱 信号调理箱内有很多继电器与恒流源等电路 通过DIO卡的控制来自动进行各项功能的测试 该装置进行独立线性度测试原理是 用伺服电机带动电位器以一固定的角度一步一步的前进 每前进一步就停下来 用数据采集卡采集输出的电压信号 这样得出很多角度值与电压值的标定点 通过数据处理来计算各种行程与独立线性度 工控机界面用LabVIEW软件开发 图3 24是该系统有效行程与独立线性度的测试界面 该装置进行平滑性的测试原理是 伺服电机以以固定的速度匀速运行 电位器的输出信号通过滤波器后 用数据采集卡采集滤波后的信号 通过计算分析后可相应数据 下图3 25是输出平滑性的测试曲线 例题 1 试分析电位器式传感器的负载特性 什么是负载误差 如何减小负载误差 解 接入负载时 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非线性误差 未接入负载时 电位器的输出电压为 接入负载后的负载误差为 由上式知 无论m为何值时 X为0或1时 即起始或最终位置 误差为零 在X 1 2时 负载误差最大 若要减少误差 一般可限制电位器工作区间 或将电位器的空载特性设计成某种上凸的曲线 即设计出非线性电位器也可减小非线性误差 使非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的误差抵消 如上图 2 电位器式传感器线圈电阻为10K 电刷最大行程4mm 若允许最大消耗功率40mW 传感器所用激励电压为允许的最大激励电压 试求当输入位移量为1 2mm时 输出电压是多少 解 若该位移传感器工作在空载状态 则 R 10 103 L 4mm P 40mWP V2 R V 20V当L 1 2mm时 Vo