第3章电位器式传感器剖析课件

传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室第第3 3章章 电位器式传感器电位器式传感器 3.1 线性电位器 3.2 非线性电位器 3.3 负载特性与负载误差 3.4 电位器式传感器 传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室第第3 3章章 电位器式传感器电位器式传感器 电位器式传感器知识结构框图电位器式传感器知识结构框图传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 概概 述述 认认识识电电位位器器：是是一一种种机机电电转转换换元元件件，由由电电阻阻元元件件，骨骨架及电刷组成。架及电刷组成。工工作作原原理理：电电刷刷相相对对于于电电阻阻元元件件做做直直线线运运行行或或转转动动运运动可将直线位移或角位移转换成电阻或电压输出。动可将直线位移或角位移转换成电阻或电压输出。优优点点：结结构构简简单单，尺尺寸寸小小，重重量量轻轻，价价格格便便宜宜，输输出出信号大，受环境影响小。信号大，受环境影响小。缺缺点点：由由于于有有摩摩擦擦，要要求求输输出出信信号号大大，可可靠靠性性和和寿寿命命差差，动动态态特特性性不不好好，干干扰扰大大，一一般般用用于于静静态态或或缓缓变变量量的的检测。检测。分类：分类：根据输入输出特性不同分类根据输入输出特性不同分类:线性电位器和线性电位器和非线性电位器；结构分类是线绕式、薄膜式、光电式等非线性电位器；结构分类是线绕式、薄膜式、光电式等传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室常用电位器式传感器有常用电位器式传感器有:直线位移型、角位移型、非线性直线位移型、角位移型、非线性型型.左左图为典典型型的的电位位器器式式传感感器器的的结构构原原理理。它它由由电阻阻元元件件（包包括括骨骨架架和和金金属属电阻阻丝）和和电刷刷（活活动触触点点）两个基本部分）两个基本部分组成。成。由由图可可见，当当有有机机械械位位移移时，电位位器器的的动触触点点产生生位位移移，而而改改变了了动触触点点相相对于于电位位参参考考点点（A点点）的的电阻阻 ，从从而而实实现现了了非非电电量量（位位移移）到到电电量量（电电阻阻值值或或电电压压幅幅值值）的转换。的转换。电电位位器器式式传传感感器器有有线线性性和和非非线线性性电位器式传感器两大类。电位器式传感器两大类。线绕式电位器线绕式电位器传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图 电位器式位器式传感器原理感器原理图a）直）直线位移式位移式 b）转角位移式角位移式1金属金属电阻阻丝 2骨架骨架 3电刷刷传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.1 3.1 线性电位器线性电位器 组组成成:绕绕于于骨骨架架上上的的电电阻阻丝丝线线圈圈、沿沿电电位位器器滑滑动的滑臂、电刷。动的滑臂、电刷。线线性性电电位位器器：骨骨架架截截面面处处处处相相等等，材材料料和和截截面均匀的电阻丝等节距绕制。面均匀的电阻丝等节距绕制。电电位位器器接接负负载载，此此时时的的输输出出特特性性为为负负载载特特性性，不接负载或负载无穷大，输出特性称不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性空载特性。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.1.1 3.1.1 空载特性空载特性 线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系。如果把它作为的线性关系。如果把它作为变阻器变阻器使用使用,假定全长为假定全长为x xmaxmax的电位器其总电阻为的电位器其总电阻为R Rmaxmax,电阻沿长度的分布是均匀电阻沿长度的分布是均匀的的,则当滑臂由则当滑臂由A A向向B B移动移动x x后后,A,A点到电刷间的阻值为点到电刷间的阻值为 (3.1)图图3.1 电位器式电位器式位移传感器位移传感器原理图原理图 传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 若把它作为若把它作为分压器分压器使用使用,且假定加在电位器且假定加在电位器A A、B B之间的之间的电压为电压为U Umaxmax,则输出电压为则输出电压为(3.2)电电位位器器式式角角度度传传感感器器作作变变阻阻器器使使用用,则电阻与角度的关系为则电阻与角度的关系为 (3.3)作为分压器使用作为分压器使用,则有则有(3.4)图图3.2 电位器式角度传感器原理图电位器式角度传感器原理图传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 当电位计结构及电源电压确定后，当电位计结构及电源电压确定后，Ku Ku和和KRKR为常数，线为常数，线性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系性电位计输出与电刷位移（或）转角呈线性关系若电位器为空载（若电位器为空载（R RL L=）时）时,即空载特性为即空载特性为:电位计输出空载电压为电位计输出空载电压为:线性电位计的空载特性Ku电位计的电位计的电压灵敏度电压灵敏度(V/m)KR电位计的电位计的电阻灵敏度电阻灵敏度传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室其灵敏度应为其灵敏度应为(3.6)图图3.3 线性线绕电位器示意图线性线绕电位器示意图SR和和Su分分别别标标明明了了电电刷刷单单位位位位移移所所能能引引起起的的输输出出电电阻阻和和输输出电压的变化量，均为常数。出电压的变化量，均为常数。(3.5)传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 式中式中,S,SR R、S SU U分别为电阻灵敏度、电压灵敏度分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;为导为导线电阻率线电阻率;A;A为导线横截面积为导线横截面积;n;n为线绕电位器绕线总匝为线绕电位器绕线总匝数。数。由由(3.5)(3.5)、(3.6)(3.6)式可以看出式可以看出,线性线绕电位器的电阻线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率灵敏度和电压灵敏度除与电阻率有关外有关外,还与骨架尺还与骨架尺寸寸h h和和b b、导线横截面积、导线横截面积A(A(导线直径导线直径d d）、绕线节距）、绕线节距t t等等结构参数有关结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位器的电流电压灵敏度还与通过电位器的电流I I的的大小有关。大小有关。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室v电电刷刷在在电电位位器器的的线线圈圈上上移移动动时时,线线圈圈一一圈圈一一圈圈的的变变化化，不不是是连连续续变变化化过过程程；电电刷刷在在与与一一匝匝导导线线接接触触过过程程中中，虽虽有有小小位位移移，但但阻阻值值无无变变化化，因因而而输输出出电电压压也也不不改改变变，在在特特性性曲曲线对应表现出线对应表现出平直段平直段；v当当电电刷刷离离开开这这一一匝匝，接接触触下下一一匝匝时时，电电阻阻突突然然增增加加，特特性性曲曲线线出出现现阶阶跃跃段段。这这样样,电电刷刷每每移移过过一一匝匝,输输出出电电压压便便阶阶跃跃一次一次,从起点到终点共产生从起点到终点共产生n n个电压阶梯；个电压阶梯；v其阶跃值其阶跃值即视在即视在(电压电压)分辨率为分辨率为143.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率阶梯特性、阶梯误差和分辨率传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.4 局部剖面和阶梯特性局部剖面和阶梯特性 电刷移动时线圈一圈一圈的变化电刷移动时线圈一圈一圈的变化电位器阻值随电刷移动非连续地改变；电位器阻值随电刷移动非连续地改变；电刷与一匝接触的过程中电刷与一匝接触的过程中,虽有微小位移虽有微小位移,但电阻值并无变化但电阻值并无变化,因而输出电压也不改因而输出电压也不改变变,在输出特性曲线上对应地出现平直段在输出特性曲线上对应地出现平直段电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻电刷离开这一匝而与下一匝接触，电阻突然增加一匝阻值，输出电压便跃变一突然增加一匝阻值，输出电压便跃变一次，特性曲线相应出现阶跃段。次，特性曲线相应出现阶跃段。阶跃值亦即名义分辨率：阶跃值亦即名义分辨率：电刷从电刷从j匝移到匝移到(j+1)匝的过程中匝的过程中,必定会使这必定会使这两匝短路，总匝数从两匝短路，总匝数从n匝减小到（匝减小到（n-1）匝）匝,使使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。小电压阶跃亦即次要分辨脉冲：小电压阶跃亦即次要分辨脉冲：jj+1传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室问问题题的的简简化化处处理理：在在理理想想情情况况下下,特特性性曲曲线线每每个个阶阶梯梯的的大大小小完完全全相相同同,则则通通过过每每个个阶阶梯梯中中点点的的直直线线即即是是理理论论特特性性曲曲线线,阶阶梯梯曲曲线线围围绕绕它它上上下下跳跳动动,从从而而带带来来一一定定误误差差,这这就就是是阶梯误差阶梯误差。(3.9)阶梯误差阶梯误差理想阶梯特性曲线对理论特理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差与最大输性曲线的最大偏差与最大输出电压的百分数出电压的百分数图图3.5 理想理想阶梯曲线阶梯曲线传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 电位器的电压分辨率定义为电位器的电压分辨率定义为:在电刷行程内在电刷行程内,电位电位器输出电压器输出电压阶梯的最大值阶梯的最大值与最大输出电压与最大输出电压U Umaxmax之比的百分之比的百分数数,对理想阶梯特性的线绕电位器对理想阶梯特性的线绕电位器,电压分辨率为电压分辨率为(3.10)电压分辨率电压分辨率 行行程程分分辨辨率率定定义义为为:在在电电刷刷行行程程内内,能能使使电电位位器器产产生生一一个个可可测测出出变变化化的的电电刷刷最最小小行行程程与与整整个个行行程程之之比比的的百百分分数数,即即(3.11)和行程分辨率和行程分辨率传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 阶阶梯梯误误差差和和分分辨辨率率的的大大小小都都是是由由线线绕绕电电位位器器本本身身工工作作原原理理所所决决定定的的,是是一一种种原原理理性性误误差差,它它决决定定了了电电位位器器可可能能达达到到的的最最高高精精度度。在在实实际际设设计计中中,为为改改善善阶阶梯梯误误差差和和分分辨辨率率,需需增增加加匝匝数数,即即减减小小导导线线直直径径（小小型型电电位位器器通通常常选选0.5mm0.5mm或或更更细细的的导导线线）或或增增加加骨骨架架长长度度（如如采采用用多多圈圈螺旋电位器螺旋电位器)。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.2 非线性电位器 3.2.1 变骨架式非线性电位器 图图3.6 变骨架高度式非线性电位器变骨架高度式非线性电位器线性电位器的三个条件？线性电位器的三个条件？非非线线性性电电位位器器：变变骨骨架架式式，变变节节距式，分路电阻式等距式，分路电阻式等特特点点：输输入入位位移移和和输输出出电电压压之之间间呈现非线性变化呈现非线性变化传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.6 变骨架高度式非线性电位器变骨架高度式非线性电位器 骨架变化的规律骨架变化的规律电位器结构参数电位器结构参数、A、t不变不变,只改变骨架宽度只改变骨架宽度b或高度或高度h曲线上任取一小段曲线上任取一小段,可视为直线，用图中折线逼近曲线可视为直线，用图中折线逼近曲线电刷位移为电刷位移为x,对应的电阻变化就是对应的电阻变化就是R线性电位器灵敏度公式仍然成立：线性电位器灵敏度公式仍然成立：传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 变变骨骨架架式式非非线线性性电电位位器器是是在在保保持持电电位位器器结结构构参参数数、A A、t t不不变变时时,只只改改变变骨骨架架宽宽度度b b或或高高度度h h来来实实现现非非线性函数关系。线性函数关系。在在图图3.63.6所所示示曲曲线线上上任任取取一一小小段段,则则可可视视为为直直线线,电电刷刷位位移移为为x,x,对对应应的的电电阻阻变变化化就就是是R,R,因因此此前前述述的的线性电位器灵敏度公式仍然成立线性电位器灵敏度公式仍然成立,即即 1.骨架变化的规律骨架变化的规律传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室v非非线线性性电电位位器器输输出出电电阻阻(或或电电压压)与与电电刷刷行行程程之之间间是是非非线线性性函函数数关关系系，因因此此空空载载特特性性是是一一条条曲曲线线，其其灵灵敏敏度度与电刷位置有关，是变量。与电刷位置有关，是变量。v电阻灵敏度为：电阻灵敏度为：v电压灵敏度为：电压灵敏度为：传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室当当x0时时,则有则有(3.13)(3.14)由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为(3.15)(3.16)212At dRhdxAtdUhdxr rr r=I-b-b传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 变骨架高度式电位器的绕线变骨架高度式电位器的绕线节距是不变节距是不变的的,因此因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同其行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有则有 但但由由于于骨骨架架高高度度是是变变化化的的,因因而而阶阶梯梯特特性性的的阶阶梯梯也也是是变变化化的的,最最大大阶阶梯梯值值发发生生在在特特性性曲曲线线斜斜率率最最大大处处,故故阶阶梯误差为梯误差为(3.17)2.2.阶梯误差与分辨率阶梯误差与分辨率传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 变变骨骨架架式式非非线线性性电电位位器器理理论论上上可可以以实实现现所所要要求求的的许许多多种种函函数数特特性性,但但由由于于结结构构和和工工艺艺上上的的原原因因,对对于于所所实实现现的的特性有一定的限制：特性有一定的限制：1 1）为为保保证证强强度度,骨骨架架的的最最小小高高度度h hminmin334mm,4mm,不不能能太小。太小。2 2）特特性性曲曲线线斜斜率率也也不不能能过过大大,否否则则骨骨架架高高度度很很大大或或骨骨架架坡坡度度太太高高,骨骨架架型型面面坡坡度度应应小小于于20203030。坡坡度度角角太太大大,绕绕制制时时容容易易产产生生倾倾斜斜和和打打滑滑,从从而而产产生生误误差差,这这就就要要求求特特性性曲曲线线斜斜率率变变化化不不能能太太激激烈烈,为为减减小小坡坡度度可可采采用用对对称称骨架骨架。为为减减小小具具有有连连续续变变化化特特性性的的骨骨架架的的制制造造和和绕绕制制困困难难,也可对特性曲线采用也可对特性曲线采用折线逼近折线逼近,从而将从而将骨架设计成阶梯形。骨架设计成阶梯形。3.3.结构特点结构特点传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 图图3.7 对称骨架式对称骨架式（a)骨架坡度太高骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度对称骨架减少坡度传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 图图3.8 阶梯骨架式非线性电位器阶梯骨架式非线性电位器传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 变节距式非线性线绕电位器也称为变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的分段绕制的非线性线绕电位器。非线性线绕电位器。1.1.节距变化规律节距变化规律 变节距式电位器是在保持变节距式电位器是在保持、A A、b b、h h不变的不变的条件下条件下,用改变节距用改变节距t t的方法来实现所要求的非线性特的方法来实现所要求的非线性特性性,如图如图3.93.9所示。可导出节距的基本表达式为所示。可导出节距的基本表达式为(3.18)3.2.2 3.2.2 变节距式非线性线绕电位器变节距式非线性线绕电位器传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.9 变节距式非线性电位器变节距式非线性电位器 传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 变变节节距距式式电电位位器器的的骨骨架架截截面面积积不不变变,因因而而可可近近似似地地认认为为每每匝匝电电阻阻值值相相等等,即即可可以以认认为为电电压压输输出出阶阶跃跃值值相相等等。故故阶阶梯梯误误差差计计算算公公式式和和线线性性线线绕绕电电位位器器阶阶梯梯误误差差的的计计算算公公式式完完全全相相同同。但但行行程程分分辨辨率率不不一一样样,这这是是由由于于分分辨辨率率取取决决于于绕绕距距,而而变变绕绕距距电电位位器器绕绕距距是是变变化化的的,其其最最大大绕绕距距t tmaxmax发发生生在在特特性性曲曲线线斜斜率率最最低低处处,故故行行程程分分辨辨率率公公式式与与线线性性线线绕绕电位器不同电位器不同,不能直接用匝数不能直接用匝数n n表示表示,而应为而应为 2.2.阶梯误差和分辨率阶梯误差和分辨率传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 3.3.结构与特点结构与特点 骨架制造比较容易骨架制造比较容易,只能适用于特性曲线斜率只能适用于特性曲线斜率变化不大的情况变化不大的情况,一般一般 其中可取其中可取 传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室1 1工作原理工作原理 对对于于图图3.83.8所所示示的的阶阶梯梯骨骨架架式式电电位位器器通通过过折折线线逼逼近近法法实实现现的的函函数数关关系系,采采用用分分路路电电阻阻非非线线性性电电位位器器也也可可以以实实现现,如如图图3.103.10所所示示。这这种种方方法法是是在在同同样样长长度度的的线线性性电电位位器器全全行行程程上上分分若若干干段段,引引出出一一些些抽抽头头,通通过过对对每每一一段段并并联联适适当当阻阻值值的的电电阻阻,使使得得各各段段的的斜斜率率达达到到所所需需的的大大小小。在在每每一一段段内内,电电压压输输出出是是线线性性的的,而而电电阻阻输输出出是非线性的是非线性的。3.2.3分路（并联）电阻式非线性电位器传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 图图3.10分路电阻式非线性电位器分路电阻式非线性电位器（a）分路电阻式非线性电位器）分路电阻式非线性电位器;（b）输出特性）输出特性 要实现曲线要实现曲线3所要求的特性所要求的特性:线线性性电电位位器器全全行行程程分分若若干干段段,引引出出一一些些抽抽头头,对对每每一一段段并并联联适适当当阻阻值值,使使得得各各段段的的斜斜率率达达到到2所所需需的的大大小小(每每一一段段内内,电电压压输输出出是是线线性性的的),而而电电阻阻输输出出是是非非线线性性的的,如如曲曲线线1.若若能能求求出出各各段段并并联联电电阻阻的的大大小小,即即可可实实现现输输出出特特性性3所所要求的函数关系。要求的函数关系。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 各段并联电阻的大小各段并联电阻的大小,可由下式求出可由下式求出:(3.19)若若仅仅知知要要求求的的各各段段电电压压变变化化UU1 1、UU2 2和和UU3 3,那那么么根根据据允允许许通通过过的的电电流流确确定定RR1 1、RR2 2和和RR3 3,或或让让最最大大斜率段电阻为斜率段电阻为RR3 3（无并联电阻时）压降为（无并联电阻时）压降为UU3 3,则则求出求出I后后,则则 然后依次计算各段并联电阻值然后依次计算各段并联电阻值r。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 2.2.误差分析误差分析 分分路电阻式非线性电位路电阻式非线性电位器器的行程分辨率与线性线的行程分辨率与线性线绕电位器的相同。其阶梯误差和电压分辨率均发生在特性绕电位器的相同。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曲线最大斜率段上(3.20)(3.21)3.3.结构与特点结构与特点 分分路路电电阻阻式式非非线线性性电电位位器器原原理理上上存存在在折折线线近近似似曲曲线线所所带带来来的的误误差差,但但加加工工、绕绕制制方方便便,对对特特性性曲曲线线没没有有很很多多限限制制,使使用用灵灵活活,通通过过改改变变并并联联电电阻阻,可可以以得得到到各各种种特特性性曲线。曲线。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室例例 题题 设设计计一一只只具具有有分分流流电电阻阻的的环环行行线线绕绕电电位位器器。已已知知先先行行电电位位器器的的总总电电阻阻R0=4.8kR0=4.8k，环环形形电电位位器器的的骨骨架架R R内内=20mm=20mm，电电源源电电压压U=27VU=27V（d.cd.c），采采用用康康铜铜丝丝作作电电阻阻丝丝（=0.5=0.5.mm2/m.mm2/m），电电阻阻丝丝中中最最大大电电流流密密度度j=5A/mm2j=5A/mm2，现现要要求求该该电电位位器器能能实实现现下下表所列函数关系表所列函数关系U=fU=f（），试求线性电位器的分流电阻值。），试求线性电位器的分流电阻值。转角转角0 034346868102102136136170170204204238238272272306306340340输输 出出电压电压272720.320.3 15.215.2 10.810.8 8.18.15.85.84.34.32.82.81.71.70.80.80 0两端两端电位电位差差6.75.14.42.72.31.51.10.90.81.5传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室解：解：1、由于第一段斜率最大，此处阶梯误差最大、由于第一段斜率最大，此处阶梯误差最大.则则r2=1.53K；r3=918.3；r4=324；r5=250.9；r6=138.5；r7=138.5；r8=94.3；r9=7405；r10=65.1；传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.3负载特性与负载误差 一一般般情情况况下下,电电位位器器接接有有负负载载,接接入入负负载载时时,由由于于负负载载电电阻阻和和电电位位器器的的比比值值为为有有限限值值,此此时时所所得得的的特特性性为为负负载载特特性性,负负载载特特性性偏偏离离理理想想空空载载特特性性的的偏偏差差称称为为电电位位器器的的负负载载误误差差,对对于于线线性性电电位位器器负负载误差即是其非线性误差。载误差即是其非线性误差。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室相对输出电压为相对输出电压为(3.22)电阻相对变化电阻相对变化(3.23)对于线性电位器电阻相对变化就是对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程电阻相对行程，即，即电位器的负载电阻为电位器的负载电阻为R Rf f,则此电位器的输出电压为则此电位器的输出电压为传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室电位器的负载系数为电位器的负载系数为(3.24)在未接入负载时在未接入负载时,电位器的输出电压电位器的输出电压Ux为为(3.25)接入负载接入负载Rf后的输出电压后的输出电压Uxf为为电位器在接入负载电阻电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为后的负载误差为(3.26)(3.27)传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 图图3.123.12所所示示为为f f与与m m、X X的的曲曲线线关关系系。由由图图可可见见,无无论论m m为为何何值值,X=0,X=0和和X=1X=1时时,即即电电刷刷在在起起始始位位置置和和最最终终位位置置时时,负负载载误误差差都都为为零零;当当X=1/2X=1/2时时,负负载载误误差差最最大大,且且增增大大负负载载系系数数时时,负负载载误误差差也也随随之之增增加加。对对线线性性电电位位器器,当当电电刷刷处处于于行程中间位置时行程中间位置时,其非线性误差最大其非线性误差最大。若若要要求求负负载载误误差差在在整整个个行行程程都都保保持持在在3%3%以以内内,由由于当于当X=1/2X=1/2时时,负载误差最大负载误差最大,即即 将将(3.25)、(3.26)两式带入上式两式带入上式,则得则得(3.28)传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.12 f与与m、X的关系曲线的关系曲线 1）无无论论m为为何何值值,电电刷刷在在起起始始和和最最终终位位置置时时,负负载误差都为零载误差都为零;2）当当X=1/2时时,可可求求导导,负负载载误误差差最最大大,且且增增大大负负载载系系数数时时,负负载载误误差差也也随随之之增加。增加。3）减减少少方方法法：尽尽量量减减小小负负载载系系数数，通通常常希希望望m0.1，为为此此可可采采用用高高输输入入阻阻抗抗放放大大器器；将将电电位位器器工工作作区区间间限限制制在在负负载载误误差差曲曲线线范范围围内内；将将电电位位器器空空载载特特性性设设计计成成某某种种上上凸凸特特性性，负负载载特特性性必必然然下下降降，正正好好是是所所要要求的特性。求的特性。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室带负载线性电位器传感器电路见图。图中，带负载线性电位器传感器电路见图。图中，。求负载误。求负载误差。若差。若 ，负载误差又是多少？，负载误差又是多少？解：可求得位移解：可求得位移 时传感器电阻和空载时传感器电阻和空载输出电压分别为：输出电压分别为：由图可求得带负载由图可求得带负载 时的输出电压为：时的输出电压为：图图3-13 带负载电位器传感器电路图带负载电位器传感器电路图传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 引起的负载误差为：引起的负载误差为：若负载若负载 ，可求得输出电压为：，可求得输出电压为：引起的负载误差为：引起的负载误差为：由此可见，欲使负载误差小于由此可见，欲使负载误差小于1.0%，必须保证负载电阻，必须保证负载电阻 以以上。上。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.4、结构与材料v1 1线绕式电位器线绕式电位器v通常由电阻丝、电刷及骨架构成。通常由电阻丝、电刷及骨架构成。v1 1）电阻丝）电阻丝v要求电阻丝具有电阻率高，电阻温度系数小，耐磨耐要求电阻丝具有电阻率高，电阻温度系数小，耐磨耐腐蚀等特点。常用的材料有铜锰合金类、铜镍合金类、腐蚀等特点。常用的材料有铜锰合金类、铜镍合金类、铂铱合金类。铂铱合金类。v2 2非线绕式电位器非线绕式电位器v 非线绕式电位器具有精度高，性能稳定，易于实现非线绕式电位器具有精度高，性能稳定，易于实现各种变化等特点。但分辨率较低，耐磨性差，寿命较各种变化等特点。但分辨率较低，耐磨性差，寿命较短。短。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室 1）、）、薄膜电位器薄膜电位器 薄薄膜膜电电位位器器通通常常有有两两种种：一一种种是是碳碳膜膜电电位位器器，另另一一种种是是金金属属膜膜电电位位器器。碳碳膜膜电电位位器器是是在在绝绝缘缘骨骨架架表表面面喷喷涂涂一一层层均均匀匀的的电电阻阻液液，经经烘烘干干聚聚合合制制成成电电阻阻。电电阻阻液液由由石石墨墨、碳碳膜膜、树树脂脂材材料料配配合合而而成成。这这种种电电位位器器特特点点是是分分辨辨率率高高、耐耐磨磨性性较较好好、工工艺艺简简单单、成成本本较较低低、线线性性较较好好，但但接接触触电电阻阻及及噪噪声声较较大等。大等。金金属属膜膜电电位位器器是是在在绝绝缘缘基基体体上上用用高高温温蒸蒸镀镀或或电电镀镀方方法法，涂涂上上一一层层金金属属膜膜而而制制成成。金金属属膜膜为为合合金金锗锗铑铑、铂铂铜铜、铂铂铑铑锰锰等等。该该电电位位器器温温度度系系数数小小，可可在在高高温温下下工工作作，但但存存在在难难磨磨性性差差、功功率率小小、阻阻值值较较小小（1K-2 K）等等缺缺陷。陷。2）、导电塑料电位器）、导电塑料电位器这这种种电电位位器器由由塑塑料料粉粉和和导导电电材材料料（合合金金、石石墨墨、碳碳黑黑等等）压压制制而而成成，它它又又称称为为实实心心电电位位器器。该该电电位位器器耐耐磨磨性性较较好好、寿寿命命长长、电电刷刷容容许许的的接接触触压压力力较较大大，适适用用于于振振动动、冲冲击击等等恶恶劣劣工工作作环环境境，能能承承受受较较大大功功率率。但但温温度度影影响响较较大，接触电阻大，精度不高。大，接触电阻大，精度不高。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3 3、光电电位器、光电电位器v 光电电位器是一种非接触式电位器，用光束代替电刷，克服上述光电电位器是一种非接触式电位器，用光束代替电刷，克服上述接触式电位器耐磨性差，寿命较短的共同缺点。接触式电位器耐磨性差，寿命较短的共同缺点。1-光电导层；光电导层；2-基体；基体；3-薄膜电阻薄膜电阻带；带；4-电刷窄光束；电刷窄光束；5-光电极光电极当当无无光光照照射射时时，因因光光电电导导材材料料暗暗电电阻阻极极大大，电电阻阻带带与与导导电电电电极极之之间间可可视视为为断断路路，当当窄窄光光束束4（电电刷刷）照照射射在在窄窄间间隙隙上上时时，电电阻阻带带与与电电极极接接通通，输输出出端端便便有有电电压压输输出出，这这样样在在外外电电源源E的的作作用用下下，负负载载电电阻阻上上输输出出的的电电压压随随着着光光束束（电刷）移动而变化。（电刷）移动而变化。优优点点:光光电电电电位位器器具具有有耐耐磨磨性性好好，精精度度、分分辨辨率率高高，寿寿命命长长（可可达达亿亿万万次次循循环环）、可可靠靠性性好好，阻值范围宽（阻值范围宽（500-15M）等优点；）等优点；传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室v3.5.13.5.1电位器式压力传感器电位器式压力传感器3.5电位器式传感器图图3-17 YCO-l50型压力传感器原理图型压力传感器原理图传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3-18 膜盒电位器式压力传感器原理图膜盒电位器式压力传感器原理图传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室v 3.5.2 3.5.2 电位器式压力传感器电位器式压力传感器v 电位器式压力传感器如图电位器式压力传感器如图3.163.16所示所示,弹性敏感元件膜弹性敏感元件膜盒的内腔盒的内腔,通入被测流体通入被测流体,在流体压力作用下在流体压力作用下,膜盒硬中膜盒硬中心心,推动连杆上移推动连杆上移,使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器使曲柄轴带动电位器的电刷在电位器绕组上滑动绕组上滑动,因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。该电压信号可远距离传送该电压信号可远距离传送,故可作为远程压力表。故可作为远程压力表。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.16 电位器式压力传感器电位器式压力传感器 流体压力作用膜盒硬中心流体压力作用膜盒硬中心推动连杆上移推动连杆上移曲柄带动电刷在电曲柄带动电刷在电位器绕组上滑动位器绕组上滑动输出一个与被测压力输出一个与被测压力成比例的电压信号成比例的电压信号传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室v3.5.3 3.5.3 电位器式加速度传感器电位器式加速度传感器v 图图3.173.17所所示示为为电电位位器器式式加加速速度度传传感感器器,惯惯性性质质量量块块在在被被测测加加速速度度的的作作用用下下,使使片片状状弹弹簧簧产产生生正正比比于于被被测测加加速速度度的的位位移移,从从而而引引起起电电刷刷在在电电位位器器的的电电阻阻元元件件上上滑滑动动,输出一与加速度成比例的电压信号。输出一与加速度成比例的电压信号。v 总总结结:电电位位器器传传感感器器结结构构简简单单,价价格格低低廉廉,性性能能稳稳定定,能能承承受受恶恶劣劣环环境境条条件件,输输出出功功率率大大,一一般般不不需需要要对对输输出出信信号号放放大大就就可可以以直直接接驱驱动动伺伺服服元元件件和和显显示示仪仪表表;其其缺缺点点是是精精度度不不高高,动动态态响响应应较较差差,不不适适于于测测量量快快速速变变化化量。量。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室图图3.17 电位器式加速度传感器电位器式加速度传感器1-惯性块惯性块 2-片状弹簧片状弹簧 3-电阻元件电阻元件 4-电刷电刷 惯性质量块在被测惯性质量块在被测 加速度的作用下加速度的作用下片状弹簧产生正比片状弹簧产生正比于加速度的位移于加速度的位移电刷在电位器上滑动电刷在电位器上滑动输出一与加速度成输出一与加速度成比例的电压信号比例的电压信号惯惯性性质质量量块块活塞阻力器活塞阻力器传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室3.6 电位器式传感器应用设计v3.6.13.6.1、电位器式液位传感器设计、电位器式液位传感器设计v 要要求求设设计计一一只只电电位位器器式式液液位位传传感感器器，液液面面上上限限比比下下限限高高100mm100mm，当当达达到到液液位位上上限限时时，一一只只继继电电器器吸吸合合，发发出出电电流流控控制制信信号号，而而在在其其余余液液面面高高度度均均要要有有电电压压输输出出。继继电电器器的的线线圈圈电电阻阻为为12501250，吸吸合合电电流流5mA5mA，若若要要求求该该液液位位传传感感器器的的非非线线性性误误差差max0.8%max0.8%，输输出出电电压压灵灵敏敏度度Usc/LUsc/L60mv/mm60mv/mm，试试求求该该电电位位器器的的总总电电阻阻RmaxRmax，总长度，总长度L L和电源激励电压和电源激励电压UsrUsr。v解解：要要利利用用已已知知的的非非线线性性误误差差、电电压压灵灵敏敏度度设设计计电电位位器总长度及选择符合条件的电压。器总长度及选择符合条件的电压。v 电电位位器器式式传传感感器器接接入入负负载载后后存存在在非非线线性性误误差差，负负载误差推导过程如下：载误差推导过程如下：传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室则负载时输出电压为：则负载时输出电压为：空载输出电压为：空载输出电压为：UX=XUmax非线性误差为：非线性误差为：当当X=1/2时时,负载非线性误差最大：负载非线性误差最大：传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室m=0.032;又又 Rf=1250;Rmax=mRf=0.0321250=40 Usr=IRf=510-31250V=6.25V;L=6250/60mm=104mm 所以根据设计要求应选择总阻值为所以根据设计要求应选择总阻值为40，总长度为，总长度为104 mm电位器电位器,电源激励电压电源激励电压Usr为为6.25V，这样便可构成满，这样便可构成满足上述要求的电位器式位移测量系统。足上述要求的电位器式位移测量系统。传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室传感器原理及应用传感器原理及应用电气信息学院测控教研室电气信息学院测控教研室