第21章电位器式电阻传感器课件.ppt
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1、第2章 电阻式传感器12.1 电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 位移信号位移信号位移信号位移信号电信号电信号电信号电信号转换元件转换元件转换元件转换元件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。常见的有电视机、复读机、收音机音量调节器。常见的有电视机、复读机、收音机音量调节器。常见的有电视机、复读机、收音机音量调节器。2位移位移位移位移 电位器电位器电位器电位器 电位器电位器电位器电位器(线位移或角位移)(线位移或角位移)2.1 电位器式传感器分类3按结构形式不同:按结构形式不同:按结构形式不同:按结构形式不同:薄膜电位器薄膜电位器 薄膜电位器通常有两种:一种
2、是薄膜电位器通常有两种:一种是碳膜碳膜电位器,另一种是电位器,另一种是金金属膜属膜电位器。电位器。碳膜电位器是在绝缘骨架表面喷涂一层均匀的电阻液,碳膜电位器是在绝缘骨架表面喷涂一层均匀的电阻液,经烘干聚合制成电阻。电阻液由石墨、碳膜、树脂材料配合经烘干聚合制成电阻。电阻液由石墨、碳膜、树脂材料配合而成。而成。金属膜电位器是在绝缘基体上用高温蒸镀或电镀方法,涂金属膜电位器是在绝缘基体上用高温蒸镀或电镀方法,涂上一层金属膜而制成。金属膜为合金锗铑、铂铜、铂铑锰等。上一层金属膜而制成。金属膜为合金锗铑、铂铜、铂铑锰等。导电塑料电位器导电塑料电位器 由由塑料粉和导电材料塑料粉和导电材料(合金、石墨、碳
3、黑等)压制而成,(合金、石墨、碳黑等)压制而成,它又称为实心电位器。该电位器耐磨性较好、寿命长、电刷它又称为实心电位器。该电位器耐磨性较好、寿命长、电刷容许的接触压力较大,适用于振动、冲击等恶劣工作环境,容许的接触压力较大,适用于振动、冲击等恶劣工作环境,能承受较大功率。但温度影响较大,接触电阻大,精度不高。能承受较大功率。但温度影响较大,接触电阻大,精度不高。2.1 电位器式传感器分类光电电位器光电电位器n主要由主要由电阻体、光电导层电阻体、光电导层和和导电电极导电电极等组成。等组成。1-光电导层;光电导层;2-基体;基体;3-薄膜电阻薄膜电阻带;带;4-电刷窄光束;电刷窄光束;5-光电级光
4、电级当无光照射时,因光电导材料暗当无光照射时,因光电导材料暗电阻极大,电阻带与电极之间可电阻极大,电阻带与电极之间可视为断路,当窄光束视为断路,当窄光束4(电刷)照(电刷)照射在窄间隙上时,电阻带与电极射在窄间隙上时,电阻带与电极接通,这样在外电源接通,这样在外电源E的作用下,的作用下,负载电阻上输出的电压随着光束负载电阻上输出的电压随着光束(电刷)移动而变化。(电刷)移动而变化。2.1 电位器式传感器分类n是一种是一种非接触式非接触式电位器,用光束代替电刷。电位器,用光束代替电刷。n具有耐磨性好,精度、分辨率高,寿命长(可达亿万次循具有耐磨性好,精度、分辨率高,寿命长(可达亿万次循环)、可靠
5、性好等优点。环)、可靠性好等优点。2.1 电位器式传感器分类7按结构形式不同:按结构形式不同:按结构形式不同:按结构形式不同:按特性不同按特性不同按特性不同按特性不同:vv线性电位器式传感器线性电位器式传感器线性电位器式传感器线性电位器式传感器vv 非线性电位器式传感器非线性电位器式传感器非线性电位器式传感器非线性电位器式传感器n 特征特征:骨架截面处处相等,由材料和截面: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。均匀的电阻丝按等节距绕制。2.1 电位器式传感器2.1.1 线性电位器线性电位器n 电位器输出端接负载,其输出特性称为电位器输出端接负载,其输出特性称为负负载特性载特性
6、,不接负载或负载无穷大,输出特性,不接负载或负载无穷大,输出特性称称空载特性空载特性。2.1 电位器式传感器9A A、C C全长为全长为全长为全长为x xmaxmax,总电阻为,总电阻为,总电阻为,总电阻为R Rmaxmax;A A、B B长为长为长为长为x x如果在如果在如果在如果在A A、C C之间加上电压之间加上电压之间加上电压之间加上电压U Umaxmax,当电阻丝直径与材质一定时,则电阻当电阻丝直径与材质一定时,则电阻R随导线长度随导线长度l而变化。而变化。一、空载特性一、空载特性一、空载特性一、空载特性A A、B B间电阻间电阻间电阻间电阻R Rx x为:为:为:为:A A、B B
7、间电压间电压间电压间电压U Ux x为:为:为:为:2.1 电位器式传感器10如果在电位器如果在电位器如果在电位器如果在电位器A A、B B两端加上两端加上两端加上两端加上电压电压电压电压U Umax max ,则输出电压为:则输出电压为:则输出电压为:则输出电压为:下图所示为电位器式角度传感器。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n n对某一匝节距为对某一匝节距为对某一匝节距为对某一匝节距为 t t 线圈来说,电阻变化量为:线圈来说,电阻变化量为:线圈来说,电阻变化量为:线圈来说,电阻变化量为:11骨架宽和高骨架宽和高2.1 电位器式传感器n n电阻灵敏度
8、:电阻灵敏度:电阻灵敏度:电阻灵敏度:n n电压灵敏度:电压灵敏度:电压灵敏度:电压灵敏度:12结论: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线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率率有关外有关外,还与骨架尺寸还与骨架尺寸h和和b、导线横截面积、导线横截面积A(导线直径导线直径d)、绕线节距)、绕线节距t等结构参数有关等结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位电压灵敏度还与通过电位器的电流器的电流I的大小有关。的大小有关。二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率二、阶梯特性、阶梯误差、分辨率n电刷在与一匝导线接触过程中,虽有小位
9、移,电刷在与一匝导线接触过程中,虽有小位移,但阻值无变化。但阻值无变化。n当电刷离开这一匝,接触下一匝时,电阻突然当电刷离开这一匝,接触下一匝时,电阻突然增加,特性曲线出现阶跃。增加,特性曲线出现阶跃。n其阶跃值其阶跃值即视在分辨脉冲为即视在分辨脉冲为132.1 电位器式传感器2.1 电位器式传感器n n在移动过程中,会使得临近的两匝短路,电位器总匝数从在移动过程中,会使得临近的两匝短路,电位器总匝数从在移动过程中,会使得临近的两匝短路,电位器总匝数从在移动过程中,会使得临近的两匝短路,电位器总匝数从n n n n减小到减小到减小到减小到(n-1)(n-1)(n-1)(n-1),总阻值的变化使
10、得在视在分辨率之中还产,总阻值的变化使得在视在分辨率之中还产,总阻值的变化使得在视在分辨率之中还产,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。生了次要分辨脉冲,即大的阶跃之中还有小的阶跃。生了次要分辨脉冲,即大的阶跃之中还有小的阶跃。生了次要分辨脉冲,即大的阶跃之中还有小的阶跃。n n大的阶跃为主要分辨脉冲大的阶跃为主要分辨脉冲大的阶跃为主要分辨脉冲大的阶跃为主要分辨脉冲n n小的阶跃为次要分辨脉冲小的阶跃为次要分辨脉冲小的阶跃为次要分辨脉冲小的阶跃为次要分辨脉冲142.1 电位器式传感器n n视在脉冲为二者之和:视在脉冲为二者之和:视在脉冲为二者之和:
11、视在脉冲为二者之和:n n例:一个电位器,总电压为例:一个电位器,总电压为例:一个电位器,总电压为例:一个电位器,总电压为10V10V,匝数为,匝数为,匝数为,匝数为1010,电,电,电,电刷从第刷从第刷从第刷从第5 5匝到第匝到第匝到第匝到第6 6匝过程中,计算电压的变化情匝过程中,计算电压的变化情匝过程中,计算电压的变化情匝过程中,计算电压的变化情况。况。况。况。15jj+12.1 电位器式传感器16jj+12.1 电位器式传感器17 工工工工程程程程上上上上常常常常把把把把实实实实际际际际阶阶阶阶梯梯梯梯曲曲曲曲线线线线简简简简化化化化成成成成理理理理想想想想阶阶阶阶梯梯梯梯曲曲曲曲线线
12、线线,如如如如图图图图2-52-5所示所示所示所示。2.5 理想理想阶梯曲线阶梯曲线2.1 电位器式传感器18电电电电压压压压分分分分辨辨辨辨率率率率:在在在在电电电电刷刷刷刷行行行行程程程程内内内内,电电电电位位位位器器器器输输输输出出出出电电电电压压压压阶阶阶阶梯梯梯梯的的的的最最最最大大大大值值值值与与与与最最最最大大大大输输输输出出出出电电电电压压压压U Umaxmax之之之之比比比比的百分数的百分数的百分数的百分数 2.5 理想理想阶梯曲线阶梯曲线2.1 电位器式传感器19行行行行程程程程分分分分辨辨辨辨率率率率:在在在在电电电电刷刷刷刷行行行行程程程程内内内内,能能能能使使使使电电
13、电电位位位位器器器器产产产产生生生生一一一一个个个个可可可可测测测测出出出出变变变变化化化化的的的的电电电电刷刷刷刷最最最最小小小小行行行行程程程程与与与与整个行程之比的百分数整个行程之比的百分数整个行程之比的百分数整个行程之比的百分数2.1 电位器式传感器20从图中可见,在理想从图中可见,在理想情况下,特性曲线每情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相个阶梯的大小完全相同同,,则通过每个阶梯,则通过每个阶梯中点的直线即是中点的直线即是理论理论直线,直线,阶梯曲线围绕阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带它上下跳动,从而带来一定误差来一定误差,这就是这就是阶阶梯误差梯误差。2.1 电位器式传感器21n n
14、电电电电位位位位器器器器的的的的阶阶阶阶梯梯梯梯误误误误差差差差j j j j 通通通通常常常常以以以以理理理理想想想想阶阶阶阶梯梯梯梯特特特特性性性性曲曲曲曲线线线线对对对对理理理理论论论论特特特特性性性性直直直直线线线线的的的的最最最最大大大大偏偏偏偏差差差差值值值值与与与与最最最最大大大大输输输输出出出出电电电电压压压压值值值值的的的的百百百百分数表示,即分数表示,即分数表示,即分数表示,即2.1 电位器式传感器n n 阶阶阶阶梯梯梯梯误误误误差差差差和和和和分分分分辨辨辨辨率率率率的的的的大大大大小小小小都都都都是是是是由由由由线线线线绕绕绕绕电电电电位位位位器器器器本本本本身身身身工
15、工工工作作作作原原原原理理理理所所所所决决决决定定定定的的的的,是是是是一一一一种种种种原原原原理理理理性性性性误误误误差差差差,它它它它决决决决定定定定了了了了电电电电位位位位器器器器可可可可能能能能达达达达到到到到的的的的最最最最高高高高精精精精度度度度。在在在在实实实实际际际际设计中的设计中的设计中的设计中的改善方法改善方法改善方法改善方法:n n(1)(1)(1)(1)增增增增加加加加匝匝匝匝数数数数,即即即即减减减减小小小小导导导导线线线线直直直直径径径径(小小小小型型型型电电电电位位位位器器器器通通通通常选常选常选常选0.5mm0.5mm0.5mm0.5mm或更细的导线)或更细的导
16、线)或更细的导线)或更细的导线)n n(2)(2)(2)(2)增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器增加骨架长度(如采用多圈螺旋电位器)。222.1.2 2.1.2 非线性电位器非线性电位器非线性电位器非线性电位器23空载时输出电压或电空载时输出电压或电空载时输出电压或电空载时输出电压或电阻与电刷行程之间具阻与电刷行程之间具阻与电刷行程之间具阻与电刷行程之间具有非线性关系。常见有非线性关系。常见有非线性关系。常见有非线性关系。常见有变骨架、变节距、有变骨架、变节距、有变骨架、变节距、有变骨架、变节距、分路电阻或电位给定分路电阻或电
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