电位器式传感器

1 电位器式传感器 2 电阻式传感器 电阻式传感器的种类繁多 应用广泛 其基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化 再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化 电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力 测压 称重 测位移 测加速度 测扭矩 测温度等测试系统 目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一 3 电阻式传感器分类 1电位器式传感器2应变片式传感器 4 3 4电位器式传感器 电位器是一种常用的机电元件 广泛应用于各种电器和电子设备中 它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用 它们主要用于测量压力 高度 加速度 航面角等各种参数 电位器式传感器具有一系列优点 如结构简单 尺寸小 重量轻 精度高 输出信号大 性能稳定并容易实现任意函数 其缺点是要求输入能量大 电刷与电阻元件之间容易磨损 电位器的种类很多 按其结构形式不同 可分为线绕式 薄膜式 光电式等 按特性不同 可分为线性电位器和非线性电位器 目前常用的以单圈线绕电位器居多 5 一 线性电位器的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 36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 3 27 2 1 1线性电位器 6 图3 36电位器式位移传感器原理图 7 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 3 28 图3 37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 29 作为分压器使用 则有 3 30 8 图3 37电位器式角度传感器 9 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 38所示的位移传感器来说 因为 其灵敏度应为 3 32 3 31 10 图3 38线性线绕电位器示意图 11 式中 kR ku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 12 二 阶梯特性图2 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 2 7 13 图2 5理想阶梯特性曲线 14 非线性电位器 非线性电位器是指在空载时其输出电压 或电阻 与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器 也称函数电位器 常用的非线性线绕电位器有变骨架式 变节距式 分路电阻式及电位给定式四种 15 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2 6所示为一种变骨架高度式非线性电位器 16 图2 6变骨架式电位器 17 电位器的结构与材料 由于测量领域的不同 电位器结构及材料选择有所不同 但是其基本结构是相近的 电位器通常都是由骨架 电阻元件及活动电刷组成 常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成 1 电阻丝 电阻系数 温度系数 强度 电势及加工2 电刷 某些电刷结构如图2 11电刷触头 电刷臂 导向及轴承装置3 骨架 膨胀系数 绝缘性能 强度及加工 18 图2 11某些电刷结构 19 电位器式传感器应用举例 电位器式压力传感器电位器式压力传感器是利用弹性元件 如弹簧管 膜片或膜盒 把被测的压力变换为弹性元件的位移 并使此位移变为电刷触点的移动 从而引起输出电压或电流的相应变化 如图2 12为YCD 150型远程压力表原理图 弹簧管内通入被测流体 在流体压力作用下 弹簧管产生弹性位移 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 20 图2 12YCO l50型压力传感器原理图 21 电位器式压力传感器电位器式压力传感器如图2 13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 膜盒硬中心产生弹性位移 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 同样输出一个与被测压力成比例的电压信号 22 图2 13膜盒电位器式压力传感器原理图 23 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2 14电位器式位移传感器 其中3为输入轴 电阻线1以均匀的间隔绕在用绝缘材料制成的骨架上 触点2沿着电阻丝的裸露部分滑动 并由导电片4输出 图2 15电位器式位移传感器在测量比较小的位移时 可将线位移变换成角位移 24 图2 14电位器式位移传感器示意图 25 图2 15测小位移传感器示意图 26 电位器式加速度传感器图2 16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 电位器传感器结构简单 价格低廉 性