《3-电位器式传感器》.ppt

2002/12总结 同学们好！ 第2章 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。 2.1 电位器式电阻传感器 2.2 应变片式电阻传感器 2.1 电位器式电阻传感器 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。 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 2-3 所示的位移传感器来说, 因为 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ρ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。 二、 阶梯特性、阶梯误差和分辨率 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,电刷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 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 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。若电刷的直径太小,尤其使用软合金时,会促使形成磨损平台;若直径过大,则只要有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,一般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2-4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线, 如图2-5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,电压分辨率为 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,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。 2.1.2 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。 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。 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ρ、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。 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Δx,对应的电阻变化就是ΔR,因此前述的线性电位器灵敏度公式仍然成立,即 电阻灵敏度kR 、电压灵敏度ku分别为: 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。 图2-9所示为δL与m(负载系数为m=Rmax/RL)、 X(电阻相对行程)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m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 则必须使RL10Rmax。但是有时负载满足不了这个条件,一般可以采取限制电位器工作区间的办法减小负载误差;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2-10所示。 2.1.4 电位器的结构与材料 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