3传感器技术及其应用.ppt

第3章 电位器式传感器;3.1.1 线性电位器;图3.1 电位器式位移传感器原理图;假设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,那么输出电压为 图3.2所示为电位器式角度传感器。作变阻器使用,那么电阻与角度的关系为 作为分压器使用,那么有 ;图3.2 电位器式角度传感器原理图 ;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3.3所示的位移传感器来说,因为 其灵敏度应为 ;图3.3 线性线绕电位器示意图 ;图3.3 线性线绕电位器示意图; 式中,SR、SU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线绕电位器绕线总匝数。 由上式可以看出,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。 ;3.1.2 阶梯特性、阶梯误差和分辨率;图3.4 局部剖面和阶梯特性1电刷2电阻丝3短路线;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;主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和导线直径的比。假设电刷的直径太小,尤其使用软合金时,会促使形成磨损平台;假设直径过大,那么只要有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,一般取电刷与导线直径比为10可获得较好的效果。 工程上常把图3.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图3.5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;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 ;从图3.5中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,那么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??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值的百分数表示,即 ;图3.5理想阶梯曲线;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到达的最高精度。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)。 ;3.2.1 非线性电位器;图3.6 变骨架高度式线性电位器 ;1.骨架变化的规律;当Δx→0时,那么有 由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为 ; 2. 阶梯误差与分辨率 ;3.结构特点; 图3.7 对称骨架式 〔a)骨架坡度太高;〔b)对称骨架减少坡度; 图3.8 阶梯骨架式非线性电位器;图3.9 变节距式非线性电位器;3.2.2 变节距式非线性线绕电位器; 2. 阶梯误差和分辨率 由图3.9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, 。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 ;3. 结构与特点;3.2.3 分路〔并联〕电阻式非线性电位器;图3.10分路电阻式非线性电位器 〔a〕分路电阻式非线性电位器;〔b〕输出特性;图3.10(b)中，曲线1为电阻输出特性，曲线2为电压输出特性，曲线3为要求的特性。;假设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,那么 求出I后,那么;2. 误差分析;3.结构与特点;3.3 负载特性与负载误差;图3.11带负载的电位器电路; 相对输出电压为 电阻相对变化 对于线性电位器电阻相对变化就是电阻相对行程，即 ;电位器的负载系数为： 在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为： 接入负载Rf后的输出电压Uxf为： 电位器在接入负载电阻Rf后的负载误差为：;两式带入上式,那么得 图3.12所示为δf与m、X的曲线关系。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。对线性电位器,当电刷处于行程中间位置时,其