电位计角度.doc

大多数转换器归类为一般的运动，与固定点间的位移或某参考点间的相对位置等，有三种优越的转换器运动机械元件：电位计(potentio-meter)、同步器(synchro)及可变差动线性变压器(linear variable differential transformer LVDT)。同步器装置在其他书籍有详细的说明，本章不予介绍；可变差动线性变压器与前章有完整的说明。基本的电位计原理是以滑动器沿着电阻元件滑动，如图19-1(a)所示。再由中间端子以和滑动器位置成比例的分压取作输出，输入电压则加于两端端子。更浅显的图解说明见图19-1(b)，已标注了输入激励以及输出电压。有电位计、分压计、电势计及可变电阻器等中文名称。分类可变电阻器的分类如下表19-1所示如众所周知，电位计的种类繁多，以下我们都会讨论到。导电塑料(Conductive Plastic)，单回转型(Single-Tum)（如图19-2所示）为一精密单回转型导电塑料伺服电位计的代表性产品。导电轨(conductive track)、基片(substrate)，以及终端(terminations)均为塑模制成的电阻性塑胶元件。机壳(housing)采用镀铝材料制成。接帚接触则为真金属材料。滚珠轴承非常精密，而调整轴(adjustment shaft)则由不锈钢所制成。调整轴可以超过元件的350作顺时针360旋转。绕线式回转调整片(Wire Wound Rotary Trimmer)（如图19-3所示）是一种小型的线性回转调整片式电位计，它具有宽广的电阻范围（50到50K）和相当高的功率能力，铝制机壳，调整轴则为不锈钢。接帚和接触点为真金属制成，轴承为精密搪孔(pecision-bored)套筒式，轴可作350顺时针旋转，接头则为金色(gold-flashed)表面。多旋转性绕线可变电阻器的构造如图19-4所示电刷沿着螺旋轨迹滑动的方式，各厂商所采用的方法各自不同，但不管如何，其综合的精密度必须在0.1%或0.1%以上，因此对于轴的旋转，电刷必须能够毫无松动地圆滑随其移动，同时由于其构造如果复杂，会导致成本升高，而且其容量也不容许过于大，因此最好采用简单的构造。19-4(b)表示对着固定在卷筒内侧的螺旋状绕线，电刷沿着其间距一面旋转，一面上下移动的情形。但无论如何，旋转的头尾两端必定要有适当的停止器(Stopper)。以十次旋转性的多旋转性绕线可变电阻器为例加以说明时，其分解度的精度比同一外径的单旋转性绕线可变电阻器改善一个位数，相反地，其板面的空间却只有同一分解度的单旋转性绕线可变电阻器的大约十分之一，因此可利用此方式使精度可变电阻器本身达成小型高精度比，对于各种计测器、类比计算机等的小型化有相当大的贡献。多旋转型绕线可变电阻器的轴的旋转角度为360n，因此为了读取角度，除了标示360度的角度刻度以外，尚必须有作n（转数）的标示的副刻度。因此常使用双重刻度盘或多重刻度盘等名称，另外也有比较容易读取的数位刻度盘(Digital dial)。图19-5是表示多重刻度盘及数位刻度盘的例子。结构回转精密电位计见图19-6，为具有圆柱内壁的杯状物，内有一中央圆柱形中枢，用以支撑一个可转动的轴心(shaft)，基座的功能是用来使电位计的工作元件能够精密地相互连结，并且用镶板(panel)或其他支撑结构来坚固地装设各元件位置。电位计的固有功能与准确度，端视外部精度是否足与内部匹配，以及基座容积大小而定，电阻元件所搭接的圆柱内壁表面，必须一样的圆度而且与对称轴同心。中枢的内外壁表面尺寸均须高精度，以使得轴承和轴能装入中枢及滑环中以确实吻合，如此才能与基座的圆柱形内壁同心，这整个装置系用来使中枢与支架(mount)像标示针头、螺纹套管、精密导标(pilot)等相配合，而且必须在与齿轮、驱动马达或支架上的类似相关机构之间的狭窄公差内被精确定位。电位计可使用金属或塑胶基座，若使用金属制品，须由铸件(castings)或棒料(barstock)机械加工，若使用塑胶制品，则通常由一精密模熔铸而成，金属表面的整修磨光是为了防止腐蚀，塑胶表面则是为了防潮与防止发霉。当要求高准确度时，使用金属基座较好，因为其尺寸能精密地加以控制，而且也稳固些。当考虑低成本或高频操作时，塑胶制品则较为适合，因为它较为便宜，而且基座与电阻绕组之间的分路电容保持最小。电阻式元件(Resistance Elenment)电阻式元件是精密电位计的重要部分，它通常由绝缘电阻绕线在一支撑结构上，电阻线上所涂的油漆涂料则用以防潮及避免短路等意外。绕阻部分的表面需要保持干净，平直而光滑，如此才能使滑动器得到良好的电式接触。除了所谈的对一固体环(solid ring)绕线的环式绕阻(toroidal windings)之外，电阻式元件是以平绕方式，然后再弯成圆形，以便能装入基座中。抽头(Taps)抽头(Taps)是一种电压接触，固定于电阻绕组的某些已知的突出点(angular point)上而且穿过一条导线与一外部电位计接头或内部分路电阻相连接。（如图19-7所示）抽头的制造乃是焊接一段电阻线至一圈绕组上，它们的设置外型呈突出状，做成0.001英寸直径轴心的抽头，它能负载200mA的电流，而且基座输出可由抽头线来取得。通常抽头线都与一金属带焊在一起。此金属的另一端再与接头焊在一起。这种方法可使抽头电阻尽可能地降至最低，约在十分之几欧姆左右。操作特点除了一些典型的机械特性如扭矩、冲程(travel)和接触电阻之外，每一电位计均有决定其效率及价值的操作特性。直线性(Linearity) 除非另有说明，否则都假设电位计具独立直线性(independent linearity)，直线性在电位计电压输出对机械冲程所描绘的曲线上，代表距离此曲线的最大偏差量，而且我们可以画得一条最佳直线通过这个曲线。决定直线性的因素有：元件的分解度(resolution)，元件导线的直线性，以及当缠绕电阻性元件时，导线的配置和施加于导线上的应力等。噪声(Noise) 所谓噪声是扰乱我们所要的电压输出的任何电讯号或干扰。它可能是由错误终止，外部离子或元件氧化所引起，当电阻器的接帚(wiper)扫过元件时，在接帚与电阻元件之间的有效电阻为以欧姆单位表示的等量噪声电阻(Equivalent noise resistance)。在测试等量噪声电阻时，定值电流会通过这接帚电路，于是杂讯经过放大之后会以随机电压(random voltage)方式呈现于示波器上。输出平滑度（非线绕）电位计(Output Smoothness Potentiomenters) 输出平滑度是电压输出中任何产生变量(spurions variation)的一种量度，它并非呈现于输入端。在整个理论电冲程(theoretical electrical travel)中它是以总外施电压的百分比表示的，其测量是为了得到一特定冲程增量。输出平滑度还包括接触电阻变量效应(effects of contact resistance variations)，分解度，以及其他输出上的微非直线性(micro nonlinearities)。操作温度范围(Operating Temperature Range) 操作温度范围乃是由电位计于无损坏或故障之虑情况下操作的最大及最小环境温度。功率额(Power Rating) 功率额乃是电位计在无永久损坏或过度温升(temperature rise)之虑情况下的最大损耗。在特定摄氏温度下是以瓦特为单位表示的，并且是以规定置于流通空气或装设于散热座(heat sink)上，若无特别规定，一般都假设不使用散热座。分辨率(Resolution) 绕线电位计的分解度为电位计电阻线有效圈数所决定输出增量的平均值，通常以圈数倒数的百分比表示：膜片型(film-type)或滑线型(slide-wire)电位计的分解度，理论上均为无限大。温度系数(Temperature coefficient) 温度系数为温度每变化1，总电阻的变化量。在整个任何温度变化期间，温度系数为线性时，温度系数可用来找出总电阻变化量，它的单位为。公式如下：TC=温度系数R=初始温度时的电阻R=由初始温度到最终温度的电阻变化量t=由初时温度到最终温度的温度变化量，单位电压系数(Voltage coefficient)此乃外施电压时电阻变化的测量。此名次只对碳电位计适用。当施加全额(full rated)电压和十分之一额电压持续一段短时间，以避免因自热(self-heating)引起的电阻变化时，电压系数是以伏特分之百分比表示的。且是由总电阻变化算得。电压率（百分比）(Voltage Ratio)电压率为显示与元件终端有关的接帚位置的数字。它是以总外施电压的百分比表示。其计算方程式为输出电压除以总外施电压乘以100。一、 实验电路原理说明 如图19-8所示为旋转角度检知