精選電位器式傳感器講義

（優(yōu)選）電位器式傳感器當(dāng)前第1頁\共有27頁\編于星期一\11點2電阻式傳感器

電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路而最后顯示被測量值的變化。電阻式傳感器與相應(yīng)的測量電路組成的測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等測試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測以及實現(xiàn)生產(chǎn)自動化不可缺少的手段之一。

當(dāng)前第2頁\共有27頁\編于星期一\11點3電阻式傳感器分類1電位器式傳感器2應(yīng)變片式傳感器當(dāng)前第3頁\共有27頁\編于星期一\11點43.4電位器式傳感器電位器是一種常用的機電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號大、性能穩(wěn)定并容易實現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。當(dāng)前第4頁\共有27頁\編于星期一\11點5一、線性電位器的空載特性

線性電位器的理想空載特性曲線應(yīng)具有嚴格的線性關(guān)系。圖3-36所示為電位器式位移傳感器原理圖。如果把它作為變阻器使用,假定全長為xmax的電位器其總電阻為Rmax,電阻沿長度的分布是均勻的,則當(dāng)滑臂由A向B移動x后,A點到電刷間的阻值為(3-27)2.1.1線性電位器當(dāng)前第5頁\共有27頁\編于星期一\11點6圖3-36電位器式位移傳感器原理圖當(dāng)前第6頁\共有27頁\編于星期一\11點7

若把它作為分壓器使用,且假定加在電位器A、B之間的電壓為Umax,則輸出電壓為(3-28)

圖3-37所示為電位器式角度傳感器。作變阻器使用,則電阻與角度的關(guān)系為(3-29)作為分壓器使用,則有(3-30)當(dāng)前第7頁\共有27頁\編于星期一\11點8

圖3-37電位器式角度傳感器當(dāng)前第8頁\共有27頁\編于星期一\11點9

線性線繞電位器理想的輸出、輸入關(guān)系遵循上述四個公式。因此對如圖3-38所示的位移傳感器來說,因為其靈敏度應(yīng)為

(3-32)(3-31)當(dāng)前第9頁\共有27頁\編于星期一\11點10

圖3-38線性線繞電位器示意圖當(dāng)前第10頁\共有27頁\編于星期一\11點11

式中,kR、ku分別為電阻靈敏度、電壓靈敏度;ρ為導(dǎo)線電阻率;A為導(dǎo)線橫截面積;n為線繞電位器繞線總匝數(shù)。

由式可以看出,線性線繞電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度除與電阻率ρ有關(guān)外,還與骨架尺寸h和b、導(dǎo)線橫截面積A(導(dǎo)線直徑d）、繞線節(jié)距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān);電壓靈敏度還與通過電位器的電流I的大小有關(guān)。

當(dāng)前第11頁\共有27頁\編于星期一\11點12二、階梯特性

圖2-4所示為繞n匝電阻絲的線性電位器的局部剖面和階梯特性曲線圖。電刷在電位器的線圈上移動時,線圈一圈一圈的變化,因此,電位器阻值隨電刷移動不是連續(xù)地改變,導(dǎo)線與一匝接觸的過程中,雖有微小位移,但電阻值并無變化,因而輸出電壓也不改變,在輸出特性曲線上對應(yīng)地出現(xiàn)平直段;當(dāng)電刷離開這一匝而與下一匝接觸時,電阻突然增加一匝阻值,因此特性曲線相應(yīng)出現(xiàn)階躍段。這樣,電刷每移過一匝,輸出電壓便階躍一次,共產(chǎn)生n個電壓階梯,其階躍值亦即名義分辨率為(2-7)當(dāng)前第12頁\共有27頁\編于星期一\11點13圖2-5理想階梯特性曲線當(dāng)前第13頁\共有27頁\編于星期一\11點14非線性電位器非線性電位器是指在空載時其輸出電壓(或電阻)與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。當(dāng)前第14頁\共有27頁\編于星期一\11點15變骨架式非線性電位器

變骨架式電位器是利用改變骨架高度或?qū)挾鹊姆椒▉韺崿F(xiàn)非線性函數(shù)特性。圖2-6所示為一種變骨架高度式非線性電位器。

當(dāng)前第15頁\共有27頁\編于星期一\11點16圖2-6變骨架式電位器當(dāng)前第16頁\共有27頁\編于星期一\11點17電位器的結(jié)構(gòu)與材料

由于測量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。

1、電阻絲：電阻系數(shù)、溫度系數(shù)、強度、電勢及加工

2、電刷：某些電刷結(jié)構(gòu)如圖2-11

電刷觸頭、電刷臂、導(dǎo)向及軸承裝置

3、骨架。膨脹系數(shù)、絕緣性能、強度及加工當(dāng)前第17頁\共有27頁\編于星期一\11點18圖2-11某些電刷結(jié)構(gòu)當(dāng)前第18頁\共有27頁\編于星期一\11點19電位器式傳感器應(yīng)用舉例電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器是利用彈性元件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力變換為彈性元件的位移，并使此位移變?yōu)殡娝⒂|點的移動，從而引起輸出電壓或電流的相應(yīng)變化。如圖2-12為YCD-150型遠程壓力表原理圖。彈簧管內(nèi)通入被測流體,在流體壓力作用下,彈簧管產(chǎn)生彈性位移,使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動,因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。該電壓信號可遠距離傳送,故可作為遠程壓力表。

當(dāng)前第19頁\共有27頁\編于星期一\11點20圖2-12YCO-l50型壓力傳感器原理圖當(dāng)前第20頁\共有27頁\編于星期一\11點21電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器如圖2-13彈性敏感元件膜盒的內(nèi)腔,通入被測流體,在流體壓力作用下,膜盒硬中心產(chǎn)生彈性位移,推動連桿上移,使曲柄軸帶動電位器的電刷在電位器繞組上滑動,同樣輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。當(dāng)前第21頁\共有27頁\編于星期一\11點22圖2-13膜盒電位器式壓力傳感器原理圖當(dāng)前第22頁\共有27頁\編于星期一\11點23電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360°的角度。圖2-14電位器式位移傳感器：其中3為輸入軸，電阻線1以均勻的間隔繞在用絕緣材料制成的骨架上，觸點2沿著電阻絲的裸露部分滑動，并由導(dǎo)電片4輸出。

圖2-15電位器式位移傳感器在測量比較小的位移時，可將線位移變換成角位移。當(dāng)前第23頁\共有27頁\編于星期一\11點24圖2-14電位器式位移傳感器示意圖當(dāng)前第24頁\共有27頁\編于星期一\11點25圖2-15測小位移傳感器示意圖當(dāng)前第25頁\共有27頁\編于星期一\11點26電位器式加速度傳感器

圖2-16所示為電位器式加速度傳感器,慣性質(zhì)量塊在被測加速度的作用下,使片狀彈簧產(chǎn)生正比于被測加速度的位移,從而引起電刷在電位器的電阻元件上滑動,輸出一與加速度成比例的電壓信號。