电位器式传感器PPT课件

1、2.1 2.1 电位器式传感器 电位器是一种常用的电子元件，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。特点: : 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。应用: : 主要用于测量位移、角位移，还可以测量能转换为位移的其它非电量如压力、高度、加速度等各种参数。 分类: : 按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按输入- -输出特性的不同，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。第1页/共31页2.1.1 线

2、性电位器1. 1. 线绕电位器的结构图2.1 电位器式位移传感器原理图 1 1电阻丝；2 2骨架；3 3滑臂第2页/共31页 2. 2. 空载特性( (输出端不接负载或负载为无穷大) ) 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2.12.1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x xmaxmax的电位器其总电阻为R Rmaxmax，电阻沿长度的分布是均匀的，则当滑臂由A A向B B移动x x后，A A点到电刷间的阻值为 maxmaxxxRRx(2.1) 第3页/共31页 若把它作为分压器使用, ,且假定加在电位器A A、B B之间的电压为U Umax

3、max, ,则输出电压为maxmaxxxUUx(2.2) 图2.22.2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 maxmaxaaRRa(2.3) 作为分压器使用, ,则有 (2.4) maxmaxUU第4页/共31页图2.2 2.2 电位器式角度传感器原理图1 1电阻丝；2 2骨架；3 3滑臂第5页/共31页 线性线绕电位器理想的输出（电阻或电压）、输入关系（位移或角位移）遵循上述四个公式。因此对如图2.32.3所示的位移传感器来说, ,因为maxmax2()Rbh nAxnt其灵敏度应为：（达到稳定工作状态时，输出变化量与引起此变化的输入变化量之比，表明变化的灵敏度

4、，当是线性变化时，即为输出量与输入量的比。）maxmaxmaxmax2()2()RURbhSxAtUbhSIxAt(2.6) (2.5) 输入输出输入变化量输出变化量灵敏度线性第6页/共31页图2.3 2.3 线性线绕电位器示意图第7页/共31页图2.3 2.3 线性线绕电位器示意图第8页/共31页 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；t为两线圈间的距离。 由(2.5)、(2.6)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

5、敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。 第9页/共31页 . 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,其阶跃值亦即视在分辨脉冲为maxUUn(2.7) 第10页/共31页图2.4 局部剖面和阶梯特性 第11页/共31

6、页 实际上, ,当电刷从j j匝移到(j+1)(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 n匝减小到（n-1n-1）匝。jnUUmaxmax11()1aUUjnn(2.8) mnUUU (2.9) 当电刷只与第j j匝线圈接触时，输出电压为：当电刷使第j j匝与(j+1)(j+1)匝线圈短路时，输出电压为：jnUU1max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：第12页/共31页 4. 4. 电压分辨率和行程分辨率 工程上常把图2.42.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线, ,如图2.52.5所示。通常以没有小跳

7、跃的理想阶梯特性来定义电位器的电压分辨率（分辨物理量细节的能力）: :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U Umaxmax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：maxmax1100%baUneUn(2.10) 第13页/共31页 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maxmax1100%byxnexn(2.11) 第14页/共31页图2.5 理想阶梯特性曲线第15页/共31页 . . 阶梯误差 从图2.52.5中可见, ,在理想情况下,

8、 ,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 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maxmax1()12100%2jUnUn(2.12) 第16页/共31页 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。第17页/共31页2.1.2 非线性电位器 非线性电位器是指空载时电位器的输出电压（或电

9、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。 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2.62.6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。 第18页/共31页图2.6 2.6 变骨架高度式非线性电位器第19页/共31页 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2.6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

10、立,即 2()2()RURbhSxAtRbhSIxAt第20页/共31页当x0时,则有 2()2()dRbhdxAtdUbhIdxAt(2.13) (2.14) 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为212At dRhbdxAt dRhbIdx(2.15) (2.16) 第21页/共31页 图2.7 对称骨架式 （a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度第22页/共31页2.1.3 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

11、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2.82.8所示。电位器的负载电阻为R Rf f, ,则此电位器的输出电压为第23页/共31页图2.8 2.8 带负载的电位器电路第24页/共31页max2maxmaxxfxffxxR RUUR RR RR(2.17) 电阻相对变化 maxxRXR(2.18) 对于线性电位器电阻相对变化就是行程相对变化，即maxmaxxRxXRx第25页/共31页电位器的负载系数为maxfRmR(2.19) 在未接入负载时, ,电位器的输出电压U Ux x为 maxxUXU(2.20) 接入负载R

12、f后的输出电压Uxf为100%xxffxUUU电位器在接入负载电阻R Rf f后的负载误差为 max1(1)xfXUUmXX(2.21) (2.22) 第26页/共31页 图2.8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11 100%1(1)fmXX将(2.20)(2.20)、(2.21)(2.21)两式带入上式, ,则得(2.23) 11 100%() 100%3%1141(1)22fmmm第27页/共31页 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