传感器技术电位器式传感器ppt课件

1、第9章 电位器式传感器第第9章章 电位器式传感器电位器式传感器 9.1 线性电位器线性电位器 9.2 非线性电位器非线性电位器 9.3 负载特性与负载误差负载特性与负载误差 9.4 电位器式传感器电位器式传感器 第9章 电位器式传感器9.1 线性电位器线性电位器 9.1.1 空载特性 线性电位器的理想空载特性曲线应具有严峻的线性关系。图9.1所示为电位器式位移传感器原理图。假设把它作为变阻器运用,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,那么当滑臂由A向B挪动x后,A点到电刷间的阻值为 maxmaxxxRRx(9.1) 第9章 电位器式传感器图9.1 电位器式位移

2、传感器原理图 第9章 电位器式传感器 假设把它作为分压器运用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,那么输出电压为maxmaxxxUUx(9.2) 图9.2所示为电位器式角度传感器。作变阻器运用,那么电阻与角度的关系为 maxmaxaaRRa(9.3) 作为分压器运用,那么有 maxmaxaxUUx(9.4) 第9章 电位器式传感器图9.2 电位器式角度传感器原理图第9章 电位器式传感器 线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵照上述四个公式。因此对如图9.3所示的位移传感器来说,由于maxmax2()Rbh nAxnt其灵敏度应为 maxmaxmaxmax2()2()RURbhSxAtUb

3、hSIxAt(9.6) 第9章 电位器式传感器图9.3 线性线绕电位器表示图第9章 电位器式传感器图9.3 线性线绕电位器表示图第9章 电位器式传感器 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。 由(9.5)、(9.6)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等构造参数有关;电压灵敏度还与经过电位器的电流I的大小有关。 第9章 电位器式传感器 9.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 图9.4所示为绕n匝电阻丝的线性电位器的部分剖面和阶梯特性曲线图。

4、电刷在电位器的线圈上挪动时,线圈一圈一圈的变化,因此,电位器阻值随电刷挪动不是延续地改动,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,因此输出电压也不改动,在输出特性曲线上对应地出现平直段;当电刷分开这一匝而与下一匝接触时,电阻忽然添加一匝阻值,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maxUUn(9.7) 第9章 电位器式传感器图9.4 部分剖面和阶梯特性 第9章 电位器式传感器 实际上,当电刷从j匝移到(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匝减小到n-1匝,这样总阻值的变化就使得

5、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max11()1aUUjnn(9.8) mnUUU (9.9) 第9章 电位器式传感器 主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和导线直径的比。假设电刷的直径太小,尤其运用软合金时,会促使构成磨损平台;假设直径过大,那么只需有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,普通取电刷与导线直径比为10可获得较好的效果。 工程上常把图9.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图9.5所示。这时,电位器的电压分辨率定义为: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Umax之比的百分数,对理想阶梯特性的线绕电位器,电压分辨率

6、为maxmax1100%baUneUn(9.10) 第9章 电位器式传感器 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(9.11) 第9章 电位器式传感器 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一样,那么经过每个阶梯中点的直线即是实践特性曲线,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通常以理想阶梯特性曲线对实践特性曲线的最大偏向值与最大输出电压值的百分数表示,即maxmax1()12100%2jUnUn(9.12) 第9

7、章 电位器式传感器第9章 电位器式传感器 阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身义务原理所决议的,是一种原理性误差,它决议了电位器可以到达的最高精度。在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需添加匝数,即减小导线直径小型电位器通常选0.5mm或更细的导线或添加骨架长度如采用多圈螺旋电位器)。 第9章 电位器式传感器9.2 非线性电位器非线性电位器 9.2.1 变骨架式非线性电位器 变骨架式电位器是利用改动骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。图9.6所示为一种变骨架高度式非线性电位器。 第9章 电位器式传感器图9.6 变骨架高度式线性电位器第9章 电位器式传感器 1.骨架变化的规律 变骨

8、架式非线性电位器是在坚持电位器构造参数、A、t不变时,只改动骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系。这里以只改动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展分析。在图9.6所示曲线上任取一小段,那么可视为直线,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依然成立,即 2()2()RURbhSxAtRbhSIxAt第9章 电位器式传感器当x0时,那么有 2()2()dRbhdxAtdUbhIdxAt(9.13) (9.14) 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为212At dRhbdxAt dRhbIdx(9.15) (9.16) 第9章 电位器式传感器 2

9、. 阶梯误差与分辨率 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一样,那么有maxmaxmax1100%byxtnexxn 但由于骨架高度是变化的,因此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maxmax()1100%2jdUtdxU (9.17)第9章 电位器式传感器 3.构造特点 变骨架式非线性电位器实践上可以实现所要求的许多种函数特性,但由于构造和工艺上的缘由,对于所实现的特性有一定的限制,为保证强度,骨架的最小高度hmin34mm,不能太小。特性曲线斜率也不能过大,否那么骨架高度很大或骨架坡度太高,骨架型面坡度应小于203

10、0。坡度角太大,绕制时容易产生倾斜和打滑,从而产生误差,如图9.7(a)所示,这就要求特性曲线斜率变化不能太猛烈,为减小坡度可采用对称骨架,如图9.7(b)所示。 为减小具有延续变化特性的骨架的制造和绕制困难,也可对特性曲线采用折线逼近,从而将骨架设计成阶梯形的,如图9.8所示。第9章 电位器式传感器 图9.7 对称骨架式 a)骨架坡度太高;b)对称骨架减少坡度第9章 电位器式传感器 图9.8 阶梯骨架式非线性电位器第9章 电位器式传感器 9.2.2 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坚持、A、b、h不变的

11、条件下,用改动节距t的方法来实现所要求的非线性特性,如图9.9所示。由9.13、9.14式,可导出节距的根本表达式为2 ()2(bhIbhtdRdUAAdxdx(9.18) 第9章 电位器式传感器图9.9 变节距式非线性电位器 第9章 电位器式传感器 2. 阶梯误差和分辨率 由图9.9可见,变节距式电位器的骨架截面积不变,因此可近似地以为每匝电阻值相等,即可以以为阶跃值相等。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一样,见(9.12)式。但行程分辨率不一样,这是由于分辨率取决于绕距,而变绕距电位器绕距是变化的,其最大绕距tmax发生在特性斜率最低处,故行程分辨率公式与线性线绕电

12、位器不同,不能直接用匝数n表示,而应为 maxmax100%bytex第9章 电位器式传感器 3. 构造与特点 骨架制造比较容易,只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况,普通 maxmaxminmin()3()dUtdxdUtdx其中可取 min(0.03 0.04)tdmm第9章 电位器式传感器 9.2.3 分路并联电阻式非线性电位器 1义务原理 对于图9.8所示的阶梯骨架式电位器经过折线逼近法实现的函数关系,采用分路电阻非线性电位器也可以实现,如图9.10所示。这种方法是在同样长度的线性电位器全行程上分假设干段,引出一些抽头,经过对每一段并联适当阻值的电阻,使得各段的斜率到达所需的大小。在每

13、一段内,电压输出是线性的,而电阻输出是非线性的。 第9章 电位器式传感器 图9.10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 第9章 电位器式传感器 图9.10(b)中，曲线1为电阻输出特性，曲线2为电压输出特性，曲线3为要求的特性。 各段并联电阻的大小,可由下式求出:111222333/rRRrRRrRR (9.19) 第9章 电位器式传感器 假设仅知要求的各段电压变化U1、U2和U3,那么根据允许经过的电流确定R1、R2和R3,或让最大斜率段电阻为R3无并联电阻时压降为U3,那么33UIR求出I后,那么 2211URIURI第9章 电位器式传感器 2. 误差分析 分路电阻

14、式非线性电位器的行程分辨率与线性线绕电位器的一样。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maxmaxmaxmax()1100%2()1100%2jbdUtxUUtxeU (9.20) (9.21) 第9章 电位器式传感器 3.构造与特点 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,运用灵敏,经过改动并联电阻,可以得到各种特性曲线。第9章 电位器式传感器9.3 负载特性与负载误差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,而普通情况下,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

15、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向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,那么此电位器的输出电压为第9章 电位器式传感器第9章 电位器式传感器max2maxmaxxfxffxxR RUUR RR RR相对输出电压为 2maxmaxmaxxfxffxxUR RYUR RR RR(9.22) 电阻相对变化 maxxRXR(9.23) 对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即maxmaxxRxXRx第9章 电位器式传感器电位器的负载系数为maxfRmR(9.24) 在未接入负载时,电位

16、器的输出电压Ux为 maxxUXU(9.25) 接入负载Rf后的输出电压Uxf为100%xxffxUUU电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为 max1(1)xfXUUmXX(9.27) (9.28) 第9章 电位器式传感器 图9.12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,负载误差也随之添加。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。 假设要求负载误差在整个行程都坚持在3%以内,由于当X=1/2时,负载误差最大,即11 100%1(1)fmXX将(9.2

17、5)、(9.26)两式带入上式,那么得(9.28) 11 100%() 100%3%1141(1)22fmmm第9章 电位器式传感器 那么必需使Rf10Rmax。但是有时负载满足不了这个条件,普通可以采取限制电位器义务区间的方法减小负载误差;或将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线,即设计出非线性电位器也可以消除负载误差,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,如图9.13所示。 第9章 电位器式传感器图9.12 f与m、X的关系曲线 第9章 电位器式传感器 图9.13 非线性电位器的空载特性第9章 电位器式传感器9.4 电位器式传感器电位器式

18、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丈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丈量5200mm的位移,可在温度为50C,相对湿度为98(t20C),频率为300Hz以内及加速度为300m/s2的振动条件下义务,精度为2,电位器的总电阻为1500。 第9章 电位器式传感器 传感器有外壳1,带齿条的推杆2,以及由齿轮3、4、5组成的齿轮系统将被测位移转换成旋转运动,旋转运动经过爪牙离合器6传送到线绕电位器的轴8上,电位器轴8上装有电刷9,电刷9因推杆位移而沿电位器绕组11滑动,经过轴套10和焊在轴套上的螺旋弹簧7以及电刷9来输出电信号,弹簧7还可保证传感器的一切活动系统复位。第9章 电位器式传感器图9.14 推杆式位移传感器 第9章 电位器式传感器 图9.15所示交换杆式位移传感器可用于量程为10mm到量程为320mm的多种丈量范围,巧妙之处在于采用交换杆(每种量程有一种杆)。交换杆的义务段上开有螺旋槽,当位移超越丈量范围时,交换杆那么很容易与传感器脱开。需测大位移时