電氣測試技術（第5版）課件：電位器式傳感器

28December2024

電位器式傳感器電位器式傳感器把直線位移或轉角位移轉換成具有一定函數(shù)關系的輸出電阻或輸出電壓。因此可以用來測量振動、位移、速度、加速度和壓力等非電參數(shù)。原理電阻變化：相應電刷位移的電壓輸出為：式中

電位器的電阻靈敏度。式中電位器的電壓靈敏度。當電阻絲直徑與材質一定時，則電阻R隨導線長度L而變化。28December2024左圖為典型的電位器式傳感器的結構原理。它由電阻元件（包括骨架和金屬電阻絲）和電刷（活動觸點）兩個基本部分組成。由圖可見，當有機械位移時，電位器的動觸點產(chǎn)生位移，而改變了動觸點相對于電位參考點（A點）的電阻，從而實現(xiàn)了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉換。電位器式傳感器有線性和非線性電位器式傳感器兩大類。3.1.1電位器式傳感器的結構常用電位器式傳感器有：直線位移型、角位移型、非線性型28December2024圖3-1電位器式傳感器原理圖a）直線位移式b）轉角位移式1－金屬電阻絲2－骨架3－電刷28December2024電位器式傳感器結構形式電位器式傳感器分類滑線式半導體式骨架式分段電阻式液體觸點式電位器式傳感器結構如右圖所示。

28December20243.1.2線性電位器式傳感器線性電位器式傳感器的理想空載（負載電阻）特性曲線應具有嚴格的直線性關系。圖3-2是線性電位器式傳感器原理圖。由圖可見，線性電位器式傳感器的骨架截面處處相等，由材料均勻的金屬電阻絲按相等截距繞制成電阻元件，因此其最大電阻值為：

式中，為導線的電阻率；為導線的截面積；和分別為骨架的寬度和高度；為電位器線圈的總匝數(shù)。圖3-2線性電位器式傳感器原理圖a）結構圖b）原理圖28December2024由于電位器單位長度上電阻值處處相等，當電刷行程為時，對應的空載輸出電阻和輸出電壓分別為：

和 式中，和分別為電位器電刷的最大行程和加于電位器兩端的最大電壓；和分別為線性電位器的電阻靈敏度和電壓靈敏度。由于，為導線間的節(jié)距，因此和可表示為： 和 式中，為導線中的電流。28December2024實際上繞線線性電位器的變換是一匝一匝進行的，電刷每移過一匝，輸出電壓（或電阻）產(chǎn)生一個增量（），其值為：

由此可見，繞線線性電位器傳感器的輸入輸出特性不是線性的，而是一條階梯特性曲線。其理想階梯特性曲線見圖3-3。由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的電壓分辨率，其定義為：在工作行程內電位器產(chǎn)生一個可測得出的輸出電壓變化量與最大輸出電壓之比的百分數(shù)，即：

圖3-3繞線線性電位器傳感器理想階梯特性曲線28December2024由圖3-3可求出繞線線性電位器傳感器的階梯誤差，其定義為理想階梯特性曲線與理想的理論直線的最大偏差值與最大輸出電壓之比的百分數(shù)，即：

上面研究的是線性電位器的空載特性。實際上，由于負載電阻，當傳感器帶負載時的工作特性稱為負載特性。由于負載效應的存在，傳感器的負載特性與理想空載特性之間存在著偏差稱為負載誤差。負載誤差與負載電阻的大小有關，負載電阻愈大，負載誤差愈小，反之亦然。28December2024例3-1帶負載線性電位器傳感器電路見圖3-4。圖中，，，，，。求負載誤差。若，負載誤差又是多少？解：由式（3-2）和式（3-3）可求得位移時傳感器電阻和空載輸出電壓分別為：

由圖可求得帶負載時的輸出電壓為：

圖3-4帶負載電位器傳感器電路圖28December2024

引起的負載誤差為：若負載，可求得輸出電壓為：

引起的負載誤差為：

由此可見，欲使負載誤差小于1.0%，必須保證負載電阻以上。28December20243.1.3非線性電位器傳感器非線性電位器傳感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)關系的一種電位器觸感器，也稱為函數(shù)電位器傳感器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其它任意函數(shù)，因此可以滿足控制系統(tǒng)的特殊要求。常用的非線性電位器傳感器有變骨架式、變截距式和分路電阻式等。對廣大用戶而言，常用分路電阻式，因此僅討論分路電阻式非線性電位器傳感器。28December2024分路電阻式非線性電位器傳感器分路電阻式非線性電位器傳感器的工作原理實際上是通過折線逼近法來實現(xiàn)函數(shù)變換關系的，見圖3-6。圖3-6分路電阻式非線性電位器傳感器a）特性曲線

b）電路圖

28December20243.1.4電位器式傳感器的應用1.電位器式壓力傳感器

如圖3-8所示，彈性敏感元件波紋管在被測壓力P作用下，產(chǎn)生彈性位移，通過連桿帶動電位器的電刷在電阻絲上滑動，因而輸出一個與被測壓力成比例的電壓信號。圖3-8電位器式壓力傳感器原理28December20243.1.4電位器式傳感器的應用2.電位器式位移測量

電位器式傳感器測量的基本參數(shù)是直線位移或轉角位移，因此，凡能轉變成位移