第2-1章电位器式电阻传感器教学案例

第2章电阻式传感器*2.1电位器式电阻传感器位移信号电信号转换元件2.1电位器式传感器—工作原理常见的有电视机、复读机、收音机音量调节器。*位移电位器电位器（线位移或角位移）2.1电位器式传感器—分类*按结构形式不同：光电电位器主要由电阻体、光电导层和导电电极等组成。1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻带；4-电刷窄光束；5-光电级当无光照射时，因光电导材料暗电阻极大，电阻带与电极之间可视为断路，当窄光束4（电刷）照射在窄间隙上时，电阻带与电极接通，这样在外电源E的作用下，负载电阻上输出的电压随着光束（电刷）移动而变化。2.1电位器式传感器—分类是一种非接触式电位器，用光束代替电刷。具有耐磨性好，精度、分辨率高，寿命长（可达亿万次循环）、可靠性好等优点。光电电位器是一种非接触式电位器。它用光束代替一般电位器上的活动触点--电刷。电阻型光电电位器主要由电阻体、光电导层和导电电极等组成。光电电位器的制作过程是：先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光导电层，然后在光导电层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个狭窄的间隙。平时无光照时。电阻体和导电电极之间由于光电导层阻值很大而呈绝缘状态。当光束照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端便有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移换为电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移换为电压信号输出。1-光电导层；2-基体；3-薄膜电阻带；4-电刷窄光束；5-光电级2.1电位器式传感器—分类*按结构形式不同：按特性不同：线性电位器式传感器非线性电位器式传感器特征：骨架截面处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝按等节距绕制。2.1电位器式传感器2.1.1线性电位器电位器输出端接负载，其输出特性称为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。2.1电位器式传感器*A、C全长为xmax，总电阻为Rmax；A、B长为x如果在A、C之间加上电压Umax,当电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度l而变化。一、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。A、B间电阻Rx为：A、B间电压Ux为：2.1电位器式传感器*如果在电位器A、B两端加上电压Umax,则输出电压为：下图所示为电位器式角度传感器。电位器式角度传感器2.1电位器式传感器对某一匝节距为t线圈来说，电阻变化量为：*骨架宽和高骨架宽和高2.1电位器式传感器电阻灵敏度：电压灵敏度：*结论：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、分辨率电刷在与一匝导线接触过程中，虽有小位移，但阻值无变化。当电刷离开这一匝，接触下一匝时，电阻突然增加，特性曲线出现阶跃。其阶跃值即视在分辨脉冲为*2.1电位器式传感器2.1电位器式传感器在移动过程中，会使得临近的两匝短路，电位器总匝数从n减小到(n-1)，总阻值的变化使得在视在分辨率之中还产生了次要分辨脉冲，即大的阶跃之中还有小的阶跃。大的阶跃为主要分辨脉冲小的阶跃为次要分辨脉冲*2.1电位器式传感器视在脉冲为二者之和：例：一个电位器，总电压为10V，匝数为10，电刷从第5匝到第6匝过程中，计算电压的变化情况。*jj+12.1电位器式传感器*jj+12.1电位器式传感器*工程上常把实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图2-5所示。2.5理想阶梯曲线2.1电位器式传感器*电压分辨率: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2.5理想阶梯曲线2.1电位器式传感器*行程分辨率: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2.1电位器式传感器*从图中可见，在理想情况下，特性曲线每个阶梯的大小完全相同,，则通过每个阶梯中点的直线即是理论直线，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。2.1电位器式传感器*电位器的阶梯误差γj通常以理想阶梯特性曲线对理论特性直线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示，即2.1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。在实际中的改善：(1)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）(2)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*空载时输出电压或电阻与电刷行程之间具有非线性关系。常见有变骨架、变节距、分路电阻或电位给定四种。变骨架高度式非线性电位器2.1电位器式传感器2.1电位器式传感器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，为理想情况;而一般情况下,电位器接有负载,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,（负载特性相对于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。*2.1.3负载特性与负载误差当电位器的负载电阻RL≠∞（带负载时），则输出电压UL应为（可视为RL与Rx并联，后与（R-Rx）串联）2.1电位器式传感器*2.1.3负载特性与负载误差2.1电位器式传感器电位器的负载系数电阻的相对变化*2.1.3负载特性与负载误差2.1电位器式传感器带入UL表达式，整理得到：理想空载特性(此时，RL=∞，m=0)*实际负载特性2.1.3负载特性与负载误差(2-19)(2-20)比较(2-19)(2-20)，由于存在RL，使得m≠0，导致负载与空载输出之间产生偏差。负载误差为：2.1电位器式传感器*2.1.3负载特性与负载误差(2-19)(2-20)2.1电位器式传感器*由(2-19)得到右图可知，电位器负载系数m越大（RL越小），相对输出电压Y越小，输出电压U越低，则非线性误差越大；反之，U越高，非线性误差越小。曲线为下垂曲线。2.1.3负载特性与负载误差2.1电位器式传感器*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r=X=1/2时,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。减少方法：尽量减小负载系数，通常希望m<0.1，为此可采用高输入阻抗放大器；2.1.3负载特性与负载误差2.1电位器式传感器由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。2.1.4电位器的结构与材料*2.1电位器式传感器—特点*1.电位器式传感器的优点:(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。2.电位器式传感器的缺点:（1）因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，故需要较大的输入能量；（2）由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；（3）动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。2.1电位器式传感器—应用*电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。1.下图是电位器式位移传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻是电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路2.1电位器式传感器—应用*2、电位器式压力传感器**2、电位器式压力传感器2.1电位器式传感器—应用**2、电位器式压力传感器当被测流体通入弹性敏感元件膜盒的内腔时，在流体压力作用下，膜盒硬中心产生弹性位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电位器的电刷在电阻体上滑动，输出与被测压力成正比的电压信号2.1电位器式传感器—应用**2、电位器式压力传感器2.1电位器式传感器—应用图2.16电位器式压力传感器流体压力作用膜盒硬中心推动连杆上移曲柄带动电刷在电位器绕组上滑动输出一个与被测压力成比例的电压信号2.1电位器式传感器—应用*航空飞行高度传感器**3、电位器式加速度传感器惯性质量块2.1电位器式传感器—应用惯性质量块在被测加速度的作用下使片状弹簧产生正比于加速度的位移电刷在电位器上滑动输出一与加速度成比例的电压信号电位器电位器式液位传感器设计设计一只电位器式液位传感器，液面上限比下限高100mm，当达到液位上限时，一只继电器吸合，发出电流控制信号，而在其余液面高度均要有电压输出。继电器的线圈电阻为1250Ω，吸合电流5mA，若要求该液位传感器的非线性误差δmax<0.8%，输出电压灵敏度Usc/l＞60mv/mm，试求该电位器的总电阻Rmax，总长度L和电源激励电压Usr。解：要利用已知的非线性误差、电压灵敏度设计电位器总长度及选择符合条件的电压。电位器式传感器接入负载后存在非线性误差，负载误差推导过程如下：则负载时输出电压为：空载输出电压为：U0=XUmax非线性误差为：当X=1/2时,负载非线性误差最大：∴m=0.032;又RL=1250Ω;∴Rmax=mRL=0.032×1250Ω=40ΩUsr=IRL=5×10-3×1250V=6.25V;∴L=6250/60mm=104mm所以根据设计要求应选择总阻值为40，总长度为104mm电位器,电源激励电压Usr为6.25V，这样便可构成满足上述要求的电位器式位移测量系统。例1、试分析电位器式传感器的负载特性？什么是负载误差？如何减小负载误差？解：接入负载时：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非线性误差。未接入负载时，电位器的输出电压为：接入负载后的负载误差为：由上式知，无论m为何值时，X为0或1时（即起始或最终位置），误差为零，在X=1/2时，负载误差最大。若要减少误差，一般可限制电位器工作区间；或将电位器的空载特性设计成某种上凸的曲线，即设计出非线性电位器也可减小非线性误差，使非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的误差抵消。*本章作业：第2章应变式传感器单击此处编辑母版标题样式休息一下*