电位器式传感器
线性线绕电位器。
1.节距变化规律
变节距式电位器是在保持ρ、A、b、h不变的条件 下,用改变节距t的方法来实现所要求的非线性特性,如 图2.9所示。由（2.13）、（2.14）式,可导出节距的基 本表达式为
t
2(b h)
A dR
2I (b
A dU
h
dx
dx
(2.18)
第2章 电位器式传感器
)min
3
其中可取
tmin d (0.03 ~ 0.04)mm
第2章 电位器式传感器
2.2.3 分路（并联）电阻式非线性电位器 1．工作原理 对于图2.8所示的阶梯骨架式电位器通过折线逼近
法实现的函数关系,采用分路电阻非线性电位器也可以 实现,如图2.10所示。这种方法是在同样长度的线性电 位器全行程上分若干段,引出一些抽头,通过对每一段并 联适当阻值的电阻,使得各段的斜率达到所需的大小。 在每一段内,电压输出是线性的,而电阻输出是非线性的。
第2章 电位器式传感器
2.2 非线性电位器
2.2.1 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。
第2章 电位器式传感器
图2.6 变骨架高度式线性电位器
第2章 电位器式传感器
1.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、
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
U max
eba
n U max
1 100% n
(2.10)
第2章 电位器式传感器
第2章 电位器式传感器
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。
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、 测加速度、测扭矩、测温度等测试系统。目前已成为生产过程检测 以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。
第2章 电位器式传感器
第2章 电位器式传感器
2.1 线性电位器 2.2 非线性电位器 2.3 负载特性与负载误差 2.4 电位器式传感器的应用
第2章 电位器式传感器
2.1 线性电位器
2.1.1 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。图2.1所示为电位器式位移传感器原理图。如 果把它作为变阻器使用,假定全长为xmax的电位器其总 电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A 向B移动x后,A点到电刷间的阻值为
图2.9 变节距式非线性电位器
第2章 电位器式传感器
2. 阶梯误差和分辨率
由图2.2可见,变节距式电位器的骨架截面积不变, 因而可近似地认为每匝电阻值相等,即可以认为阶跃值 相等。故阶梯误差计算公式和线性线绕电位器阶梯误
差的计算公式完全相同,见(2.12)式。但行程分辨率不一
样,这是由于分辨率取决于绕距,而变绕距电位器绕距是
值的百分数表示,即
j
( 1 Umax 2n U max
)
1 2n
100%
(2.12)
第2章 电位器式传感器
图2.5 理想阶梯特性曲线
第2章 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)。
U1 I
第2章 电位器式传感器
2. 误差分析 分路电阻式非线性电位器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 特性曲线最大斜率段上
j
1 2
(
U x
)max
gt
U max
100%
ebd
1 2
(
U x
)
max
gt
U max
100%
(2.20) (2.21)
电阻式传感器可分为两大类：
1、电位器式传感器
2、应变片式传感器
第2章 电位器式传感器
第2章 电位器式传感器
电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电 子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转 换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使 用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种 参数。
变化的,其最大绕距tmax发生在特性斜率最低处,故行程 分辨率公式与线性线绕电位器不同,不能直接用匝数n表
示,而应为
eby
tmax xmax
100%
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3. 结构与特点
骨架制造比较容易,只能适用于特性曲线斜率变化
不大的情况,一般
tmax tmin
(
dU dx
)max
(
dU dx
除了电压分辨率外,还有行程分辨率,其定义为: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,即
xmaxebyFra bibliotekn xmax
1 100% n
(2.11)
第2章 电位器式传感器
从图2.5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特 性曲线,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。电位器的阶梯误差δj通常以理想阶梯特 性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压
Rx
x xmax
Rmax
(2.1)
第2章 电位器式传感器
图2.1 电位器式位移传感器原理图
第2章 电位器式传感器
若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之
间的电压为Umax,则输出电压为
Ux
x xmax
U max
(2.2)
图2.2所示为电位器式角度传感器。作变阻器使用,
则电阻与角度的关系为
(2.15) (2.16)
第2章 电位器式传感器
2. 阶梯误差与分辨率
变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其
行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有
xmax
eby
t xmax
n xmax
1 100% n
但由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也
是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶
r3 // R3 R3
(2.19)
第2章 电位器式传感器
若仅知要求的各段电压变化ΔU1、ΔU2和ΔU3,那么 根据允许通过的电流确定ΔR1、ΔR2和ΔR3,或让最大斜 率段电阻为ΔR3（无并联电阻时）压降为ΔU3,则
求出I后,则
I U3 R3
R2
U2 I
R1
梯误差为
j
1 2
(
dU dx
)max
t
U max
100%
(2.17)
第2章 电位器式传感器
3.结构特点
变骨架式非线性电位器理论上可以实现所要求的许 多种函数特性,但由于结构和工艺上的原因, 对于所实现 的特性有一定的限制,为保证强度,骨架的最小高度 hmin>3～4mm, 不能太小。特性曲线斜率也不能过大,否 则骨架高度很大或骨架坡度太高,骨架型面坡度α应小于 20°～30°。坡度角太大,绕制时容易产生倾斜和打滑,从 而产生误差,如图2.7(a)所示,这就要求特性曲线斜率变化 不能太激烈,为减小坡度可采用对称骨架,如图2.7(b)所示。
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。这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电
位器为例来对骨架变化规律进行分析。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
SR
R x
2(b
h)
At
为减小具有连续变化特性的骨架的制造和绕制困难, 也可对特性曲线采用折线逼近,从而将骨架设计成阶梯形 的,如图2.8所示。
第2章 电位器式传感器
图2.7 对称骨架式 （a)骨架坡度太高;（b)对称骨架减少坡度
第2章 电位器式传感器
图2.8 阶梯骨架式非线性电位器
第2章 电位器式传感器
2.2.2 变节距式非线性线绕电位器 变节距式非线性线绕电位器也称为分段绕制的非
Ra
a amax
Rmax
作为分压器使用,则有
Ua
x xmax
U max
(2.3) (2.4)
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图2.2 电位器式角度传感器原理图
第2章 电位器式传感器
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
Rmax
2(b
A
h)n
U Umax
(2.7)
n
第2章 电位器式传感器
图2.4 局部剖面和阶梯特性
第2章 电位器式传感器
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
