2.1电位器式电阻传感器.doc

第2章 电阻式传感器电阻式传感器的基本原理是将含时的非电量（如力、位移、形变、速度、加速度和扭矩等参数）转换为含时的电阻值（或电压值）。通过测量电路对电阻值（或电压值）进行测量，以达到对上述非电量测量的目的。其核心转换元件是电阻元件。测量电路一般包括采样电路、滤波电路、放大电路和显示等。根据不同的电阻材料，电阻式传感器受非电量的作用转换成电阻参数变化的机理各不相同，因此，根据其不同的电阻材料和转换机理，电阻式传感器可分为五大类：1、电位器（计）式利用变阻器的原理，输出阻值随输出端位置的变化而变化。2、应变片式利用金属和半导体材料的应变-电阻效应，输出阻值随材料的形变而改变。3、压阻式利用石英等晶体的压电效应实现压电转换，其输出阻值随加在材料上的压力而变化。4、光阻式利用半导体材料的光电效应，将光能转换为电能，其输出阻值与外加光的强弱及性质有关。5、热阻式利用金属、半导体材料的电阻-温度特性，将热能转换为电能，其输出阻值随材料温度的变化而变化。本章重点介绍电位器式和应变片式电阻传感器，其它将在后面的章节中陆续介绍。电位器式主要用于非电量变化较大的测量场合；应变式用于测量非电量变化较小的情况，其灵敏度较高。2.1电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上，对电阻元件的形式和工作方式进行发展，其包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。本节重点介绍线绕电位器的原理及其输出特性，概述非线绕式电位器的原理和结构。按特性不同还可分为：1、线性电位器；2、非线性电位器。2.1.1 线性电位器一 线绕电位器1 结构线绕电位器式传感器的核心元件为精密电位器，它可以实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件，如图2.1.1所示。 图2.1.1 电位器式电阻传感器的转换关系 图2.1.2 精密电位器的电路符号图精密电位器在电路中的符号如图2.1.2所示。它由电阻元件和电刷两部分组成，电刷就是输出的抽头端。工作时，在1、2 端加上固定的直流工作电压，从 1、3 端输出电压。这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随被测量产生位移时，输出电压发生相应的变化，这是精密电位器的工作原理。要求电阻丝的电阻系数高，温度系数小，强度高，延展性好，对铜的热电势小，耐磨损和腐蚀，可焊性好。常用的材料有：康铜丝、铂铱合金和卡玛丝。活动电刷由电刷触头、电刷臂、导问和轴承装置构成。电刷与电阻丝的材料应相匹配，通常应使电刷比电阻丝的材料硬度相近或稍高，这样可提高电位器的工作可靠性，减小噪音和延长工作寿命。电刷触头的材料通常是银、铂铱合金、铂铑合金。电刷上要保持一定的接触压力，通常为，过大会增大误差并加速磨损，过小则不能形成可靠的电气接触。故电刷臂通常用弹性较好的材料，如磷青铜。要求骨架材料与电阻丝材料具有相同的膨胀系数，电气绝缘性好，有足够的强度和刚度，散热性好，耐潮湿，易加工。常用的材料有陶瓷、酚醛树脂和工程塑料等绝缘材料。对于精密电位器，常采用经绝缘处理过的金属骨架（表面覆有绝缘层），其导热性好，可提高电位器的允许电流，强度大，易于加工，加工精度高。骨架的外形很多，有矩形、环形、柱形和棒形等。电位器绕制完成后，要用电木漆或其它绝缘漆浸渍，与电刷接触的工作面的绝缘漆要挂掉，并进行机械抛光。2 原理与空载和负载特性当电位器不带负载时，输出量随输入量的变化关系叫空载特性。对于图2.1.2，设输入工作电压为，电位器的总阻值为，总行程为，电刷的行程为，相应的电阻叫输出端电阻。空载时，输出端电压为 (2.1.1)假设电位器的绕线截面积均匀，即电阻线性变化，则 (2.1.2)电位器的电阻灵敏度为 (2.1.3)电位器的电压灵敏度为 (2.1.4)为线绕电位器的电阻和电压灵敏度，它们分别表示单位位移所引起的输出电阻和输出电压的变化量。由上两式可看出均为常数，这样的为其叫线性电位器。若电位器的负载，由于负载电阻与电位器输出端电阻并联，使带负载的输出电压小于空载时的输出电压。得到负载时的输出电压为 (2.1.5)将式（2.1.5）与空载时的输出电压（2.1.1）比较，带负载时的输出电压小于空载输出电压。令为分压系数，为负载系数，则有空载： (2.1.6)负载： (2.1.7)由此可见，对于线性电位器，在空载下输出电压正比于分压系数，正比于输出端电阻。也就是说，输出电压与机械位移量是线性关系。但是在负载下，输出电压与输出端电阻呈非线性关系，且小于空载输出电压。由式（2.1.7）可给出线性电位器的负载特性曲线，如图2.1.3所示。当电位器的电刷处于零位置和最大位置时，空载与负载输出电压相等；如果电位器的分压系数一定，即电刷处于某一位置不变，则负载系数越小，负载电阻越大，这时空载输出电压越接近负载输出电压，负载误差越小，电位器的负载特性曲线越接近于线性；当负载系数一定时，电位器的输出随分压系数而变化。图2.1.3 线性电位器的负载特性曲线令为负载误差，则相对负载误差为。对于（2.1.7）式，当一定时，对于求一阶导数并令其为零，则得到时，负载误差最大。因此在实际电位器电路中，最大负载误差产生在电位器的阻值附近，此时。3 减小电位器负载误差的方法由负载输出特性知，在分压系数一定时，随着负载系数的减小，输出电压将增大，并接近空载输出电压。因此在条件许可情况下，应尽量使负载系数减小，即尽量采用较大的负载电阻。例1设电位器的总电阻，要求负载误差，试用负载系数减小发确定负载电阻。解：由，得到即要满足负载误差，则负载电阻应大于。4 线绕电位器的阶梯特性、阶梯误差和分辨率由线绕电位器的结构可知，一个由匝电阻丝绕制而成的线性电位器，当电刷在与一匝电阻丝接触的过程中，虽有微小位移，但电阻值并无变化，因而输出电压不变，在输出特性曲线上对于一段平直线。这样，当电刷从一匝移动到另一匝，输出电压便阶跃一次，共产生个电压阶梯。输出电压的阶跃值就是传感器的视在分辨脉冲 （2.1.8）其中为最大输出电压，为线圈匝数。仔细分析会发现，当电刷从第匝电阻丝移到第匝电阻丝的过程中，必然会使这两匝电阻丝短路，那么电位器的总匝数势必从匝将为匝，总阻值减小，就使得输出电压发生一个小的阶跃，这样，在视在分辨脉冲中还将产生次要分辨脉冲，即大的阶跃之中有小的阶跃。如图2.1.4所示。图2.1.4 线绕线性电位器的实际输出特性曲线 图2.1.5 阶梯特性小的阶跃应有次，因为在从0到第1匝电阻丝的短路中，不会使总匝数降低而影响输出电压。在一个视在脉冲中，存在小的阶梯和一个大的阶梯，小的阶梯是次要分辨脉冲，大的阶梯是主要分辨脉冲，视在脉冲是二者之和，即 （2.1.9）当电刷接在第匝电阻丝时，其输出电压为；当电刷接在第匝与第匝电阻丝时，其输出电压为。这时的次要分辨脉冲为 （2.1.10）当固定时，随着的增大而增大，最大时，此时。主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续时间比，取决于电刷与导线的直径比。电刷直径太小，会促使形成磨损平台；直径太大易使多匝短路。一般取电刷与导线直径比为10效果最佳。工程上，常把图2.1.4实际的阶梯特性曲线简化成图2.1.5理想的阶梯特性曲线。这时，特性特性曲线各个阶梯大小完全相同。定义 电位器的电压分辨率为：视在分辨脉冲电压（最大阶梯电压）与最大输出电压之比，即 （2.1.11）定义 行程分辨率为：可测出的电刷最小行程与电刷整个工作行程之比，即 （2.1.12）在图2.1.5中，过中心点并穿过理想阶梯特性曲线的直线叫理论特性直线，阶梯特性曲线围绕理论特性直线上下波动。若用理论特性直线取代理想阶梯特性曲线，势必带来一定误差，这就是阶梯误差。阶梯误差定义为：理想阶梯特性曲线相对于理论直线的最大偏差电压与最大输出电压之比，即 （2.1.13）阶梯误差和分辨率的大小都是由现绕式电位器自身的工作原理所决定的，无法消除。它们决定了电位器可能达到的最高精度。通过增加导线匝数来改善阶梯误差和提高分辨率。在实际中，可减小导线直径或增加骨架长度来实现。二 非线绕电位器式电阻传感器线绕电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变化等优点，但是也有不少缺点，如分辨率差、耐磨性差、寿命较短等。因此，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的结构与精密线绕电位器的大致相仿，由基体、电阻膜带、电刷、转轴和导电环等组成。基体通常用胶木片、陶瓷片和玻璃等绝缘材料制作，并制成环状。电阻膜带起着线绕电位器中绕组的作用，是电位器的电阻元件，它是在基体上喷涂或蒸镀具有一定形状的电阻膜带而形成的。根据在基体上喷涂材料的不同，薄膜电位器可分为合成膜电位器和金属膜电位器两类。薄膜电位器的电刷通常采用多指电刷，以减小接触电阻，提高工作的稳定性。合成膜电位器是在绝缘基体表面喷涂一层由石墨、炭黑等材料配制的电阻液，经烘干聚合后制成电阻膜。这种电位器的优点是分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度好，但有接触电阻大、噪声大和抗潮性差等缺点。金属膜电位器是在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜等。这种金属膜电位器的温度系数小，具有在高温下（150 以上）可靠工作等优点，但仍存在耐磨性差、功率小、阻值较低（12 k）等缺点。2导电塑料电位器这种电位器由塑料粉及导电材料粉（合金、石墨、炭黑等）压制而成，又被称为实心电位器，其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大（几十几百克），适用于振动、冲击等恶劣条件下工作，阻值范围大，能承受较大的功率；其缺点是温度影响较大、接触电阻大、精度不高。3光电电位器上述介绍的几种电位器均是接触式电位器，它们的共同缺点是耐磨性较差、寿命较短。光电电位器是一种无接触式电位器，它克服了接触式电位器的缺点，用光束代替常用的电刷。光电电位器由薄膜电阻带、光电导层和导电极等主要部分组成，其结构如图2.1.6所示。在图氧化铝基体上沉积一层硫化镉（CdS）或硒化镉（CdSe）的光电导层，这种半导体光电导材料，在无光照情况下，暗电阻很大，相当于绝缘体，而当受一定强度的光照射时，它的明电阻很小，相当于良导体，其暗电阻与明电阻之比可达105108。光电电位器正是利用半导体光电导材料的这种性质，在光电导层上分别沉积薄膜电阻带和金属导电极，薄膜电阻带是电位器的电阻元件，相当于精密线绕电位器的绕组，或者相当于薄膜电位器中的电阻膜带，它有两个电极引出端1、2，在其上加工作电压；而金属导电极相当于普通电位器的导电环，作为电位器的输出端（电极3）而输出信号电压。薄膜电阻带和金属导电极之间形成一间隙，这样，当无光束照射在间隙的光电导材料上时，薄膜电阻带与金属导电极之间是绝缘的，没有电压输出，。当有一束经过聚焦的窄光束照射在光电导层的间隙上时，该处的明电阻就变得很小，相当于把薄膜电阻带和金属导电极接通，类似于电刷头与电阻元件相接触的情况，这时，金属导电极输出与光束位置相应的薄膜电阻带电压，负载电阻上便有电压输出。如果光束位置移动，就相当于电刷位置移动，输出电压也相应变化。图2.1.6 光电电位器原理图光电电位器的优点很多，由于它完全无摩擦，不存在磨损问题，它的精度、寿命、分辨率和可靠性都很高，阻值范围宽（50015 M），这些是一般电位器所不及的。但光电电位器的工作温度范围比较窄（ 150），输出电流小，输出阻抗较高，另外，光电电位器需要照明光源和光学系统，其结构较复杂，体积和重量较大，但随着集成光路器件的发展，可以将有源和无源的光学器件（分路器、调制器、耦合器、偏振器、干涉仪、光源、光检测器等）集成在一个光路芯片上，制成集成光路芯片，使光学系统的体积和重量大大减小，这就是集成光电子技术，这样，光电电位器结构复杂的缺点就得以克服，应用不再受此限制。2.1.2非线性电位器（不讲）当电位器空载时，其输出电压（或电阻）与电刷行程之间存在非线性函数关系的电位器叫非线性电位器，又叫函数电位器。非线性函数可以是对数函数、指数函数、三角函数或其它任意函数，因此函数电位器可用来满足控制系统中的特殊要求。常用的非线性线绕式电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式四种。现以变骨架式为例说明其空载特性。电刷移动有的微小位移时，导线长度变化量为 （2.1.14）电阻变化量为 （2.1.15）其中是骨架的宽度，是骨架的高度，是电阻丝电阻率，是导线节距，是导线横截面积。当作为变阻器使用时，电阻灵敏度为 （2.1.16）得到骨架高度与的函数为 （2.1.17）由于均为常数，是位移的函数，故灵敏度越大，越高， 太高绕线容易打滑，但是灵敏度也不宜太小，更不能为零。考虑到骨架的机械强度和工艺上加工的要求，必须使。当作为分压器使用时，电压灵敏度为 （2.1.18）得到骨架高度与的函数为 （2.1.19）2.1.3 电位器式传感器的应用1 航空飞行高度传感器航空飞行高度传感器能将飞机或飞行器的高度参数，通过传感器变成电信号输出，并指示出高度值，其结构原理如图2.1.7所示。航空飞行高度传感器由真空膜盒、杠杆机构、齿弧、齿轮及精密电位器等部分组成。图中，表示高度处的气压，是加在精密电位器两端的工作电压，为输出信号电压。图2.1.7 航空飞行高度传感器的结构原理图真空膜盒的内部抽成真空，作为气敏元件，当高度