《机械工程测试技术》课程教学资源（上课讲稿）06 电位器式传感器

电位器式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室

电位器式传感器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室

目录一、含义二、组成三、工作原理四、类型五、优缺点六、应用补充问题1、电位器在电子电路中的作用是什么？2、电位器传感器有哪几种噪声？3、电位器的空载和负载特性的含义是什么？4、什么是非线性电位器？5、电位器的非线性误差与哪些参量有关？为什么？

目 录 一、含义 二、组成 三、工作原理 四、类型 五、优缺点 六、应用 补充问题 1、电位器在电子电路中的作用是什么？ 2、电位器传感器有哪几种噪声？ 3、电位器的空载和负载特性的含义是什么？ 4、什么是非线性电位器？ 5、电位器的非线性误差与哪些参量有关？为什么？

一、含义1）被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。又称电位差计或变阻器式传感器。2）电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换的为与其成一定函数关系的电阻或电压的机电传感元件。3电位器式传感器是一种可以将线位移或角位移转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出，用以测量位移、角度、压力和加速度等非电量的传感器。二、组成电位器电刷（活动触点机构）和电阻器两部分组成。电阻器是由电阻非常高的极细绝缘导线，按照一定的规律紧密整齐地绕在一个绝缘骨架上制成的。电刷通常由具有弹性的金属薄片或金属丝制成。电刷与电阻器之间有一定的接触压力，以使两者在相对滑动过程中保持可靠的接触和导电。电刷与电阻器间的接触面，是将电阻元件上的绝缘导线的绝缘层磨掉并抛光，形成一个电刷可在其上均匀滑动的光滑接触道。每匝电阻丝能随时与电刷导电，又能保证匝间彼此绝缘。又细分为：电位器传感器实际上由电阻丝、骨架（二者组成电阻器）、电刷三部分组成。三、工作原理在机械位移作用下，使电刷在变阻器上移动，将被测位移量转换为电阻值的变化，当变阻器中通过一定电流时，则在电刷所在位置处即可得到与被测量成一定函数关系的电压输出。7，知：当1变化时，R变化。由R=PA如图示，电刷位移为xR:R,=→xL

一、含义 1）被测量的变化导致电位器阻值变化的敏感元件称为电位器传感器。 又称电位差计或变阻器式传感器。 2）电位器是一种将机械位移（线位移或角位移）转换的为与其成一定函数 关系的电阻或电压的机电传感元件。 3）电位器式传感器是一种可以将线位移或角位移转换为与它成一定函数关 系的电阻或电压输出，用以测量位移、角度、压力和加速度等非电量的传感器。 二、组成 电位器电刷（活动触点机构）和电阻器两部分组成。 电阻器是由电阻非常高的极细绝缘导线，按照一定的规律紧密整齐地绕在 一个绝缘骨架上制成的。 电刷通常由具有弹性的金属薄片或金属丝制成。 电刷与电阻器之间有一定的接触压力，以使两者在相对滑动过程中保持可 靠的接触和导电。 电刷与电阻器间的接触面，是将电阻元件上的绝缘导线的绝缘层磨掉并抛 光，形成一个电刷可在其上均匀滑动的光滑接触道。 每匝电阻丝能随时与电刷导电，又能保证匝间彼此绝缘。 又细分为： 电位器传感器实际上由电阻丝、骨架（二者组成电阻器）、电刷三部分组 成。 三、工作原理 在机械位移作用下，使电刷在变阻器上移动，将被测位移量转换为电阻值 的变化，当变阻器中通过一定电流时，则在电刷所在位置处即可得到与被测量 成一定函数关系的电压输出。 由 A l R =  ，知：当 l 变化时， R 变化。 如图示，电刷位移为 x x l R  Rx = U R x L I

..IR =IR1U..U.=.X=kv.x1工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，实现将位移转换为电阻的变化。四、类型1、按结构形式可分为线绕式、非线绕式。线绕式电位器适合于对较大位移（数mm到几十mm）的测量，测量直线位移采用平板型骨架，测量角位移则多采用圆形骨架。线绕单圈线电位器工作特性稳定，制造精度易于保证目前应用居多。非线绕式有：金属膜电位器、合成膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器、半导体电位器、分段电阻式等。2、按工作特性可分为线性和非线性（出数）两种。3、按测量位移种类可分为直线位移型、角位移型。4、按触点不同分为滑动触点式、液体触点式等。五、优缺点1、优点：1）结构简单，小而轻，价格便宜，有一定可靠性：2）输出特性精度高，而且性能稳定；3）理论上可以实现线性的及任意函数的特性曲线：4）受温度、湿度、电磁场干扰，放射性等环境因素影响较小；5）输出信号较大（输出功率大）一般不需放大，可用指示仪表直接接收信号，简化了测量曲路，故在农机试验中应用较多，例如：测量拖拉机踏板和方向盘的线位移和角位移，农机具的牵引阻力等。2、缺点：1）存在磨擦，动态响应差，这就要求有较大的输入能量；2）滑动部分产生摩损，影响电位器的寿命及可靠性，也使其工作速度受

x l IR  IRx = x kv x l U U =  =  0 工作原理：通过改变电路中电阻值的大小，实现将位移转换为电阻的变化。 四、类型 1、按结构形式可分为线绕式、非线绕式。 线绕式电位器适合于对较大位移（数 mm 到几十 mm）的测量，测量直线 位移采用平板型骨架，测量角位移则多采用圆形骨架。 线绕单圈线电位器工作特性稳定，制造精度易于保证目前应用居多。 非线绕式有：金属膜电位器、合成膜电位器、导电塑料电位器和光电电位 器、半导体电位器、分段电阻式等。 2、按工作特性可分为线性和非线性（出数）两种。 3、按测量位移种类可分为直线位移型、角位移型。 4、按触点不同分为滑动触点式、液体触点式等。 五、优缺点 1、优点： 1）结构简单，小而轻，价格便宜，有一定可靠性； 2）输出特性精度高，而且性能稳定； 3）理论上可以实现线性的及任意函数的特性曲线； 4）受温度、湿度、电磁场干扰，放射性等环境因素影响较小； 5）输出信号较大（输出功率大）一般不需放大，可用指示仪表直接接收 信号，简化了测量曲路，故在农机试验中应用较多，例如：测量拖拉机踏板和 方向盘的线位移和角位移，农机具的牵引阻力等。 2、缺点： 1）存在磨擦，动态响应差，这就要求有较大的输入能量； 2）滑动部分产生摩损，影响电位器的寿命及可靠性，也使其工作速度受

到限制，适合于测量变化较缓慢的量；3）滑动接触点的接触电阻不稳定，易于产生误差，尤其当变换器在振动条件下工作时，则更为不利；4）对于电阻值是有级变化的电位器，分辨率较低（因为受到电阻丝直径的限制），测量精确度受到影响；5）存在着较大噪声。由于电位器具有特殊的优点，因此，它不仅广泛地用于电量和非电量的测量技术中，而且在电子工程中的应用也十分广泛。六、应用主要用于线位移、角位移的测量，还可用于角度（转角）、压力、加速度、液位、高度等物理量的测量。例如：测量汽车踏板的线位移和方向盘的转动角度，农机具的牵引阻力等

到限制，适合于测量变化较缓慢的量； 3）滑动接触点的接触电阻不稳定，易于产生误差，尤其当变换器在振动 条件下工作时，则更为不利； 4）对于电阻值是有级变化的电位器，分辨率较低（因为受到电阻丝直径 的限制），测量精确度受到影响； 5）存在着较大噪声。 由于电位器具有特殊的优点，因此，它不仅广泛地用于电量和非电量的测 量技术中，而且在电子工程中的应用也十分广泛。 六、应用 主要用于线位移、角位移的测量，还可用于角度（转角）、压力、加速度、 液位、高度等物理量的测量。 例如：测量汽车踏板的线位移和方向盘的转动角度，农机具的 牵引阻力等

补充问题1、电位器在电子电路中的作用是什么？电位器的基本作用有二：其一，作变阻器用；其二，作分压器用。Uo00RxRxBABARRUi作变阻器时，R=Ro，当电刷在电阻元件上滑动时，引起Ro.变化（在0与R之间变化）Ro4U,，当电刷在电阻元件上滑动时，U。在0和U,之作分压器时，U。RoE间变化。2、电位器传感器有哪几种噪声？由于结构上的特点，电位器传感器还有较大的噪声。电刷与电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。归纳起来有下面几种噪声。1）电阻噪声：来自电位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加在电阻的工作电流上。2）接触噪声：由电刷沿电位器移动时因接触电阻变化引起的，接触电阻变化的原因是接触面积的变化和压力波动，由于轨道和电刷的磨损、污物和氧化物的积累，随着使用时间的增加，这种噪声也随着增加。3）磨擦电噪声。4）振动噪声或高速噪声：由电刷运动时的抖动和弹跳引起的。3、电位器的空载和负载特性的含义是什么？1）电位器的工作特性。指输出电压U。（或R）与电刷实际行程x的函数关系

补充问题 1、电位器在电子电路中的作用是什么？ 电位器的基本作用有二：其一，作变阻器用；其二，作分压器用。 作变阻器时， Rx = ROA ，当电刷在电阻元件上滑动时，引起 ROA 变化（在 0 与 R 之间变化） 作分压器时， i OB OA O U R R U = ，当电刷在电阻元件上滑动时， UO 在 0 和 Ui 之 间变化。 2、电位器传感器有哪几种噪声？ 由于结构上的特点，电位器传感器还有较大的噪声。 电刷与电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑 动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。 归纳起来有下面几种噪声。 1）电阻噪声：来自电位器上自由电子的随机运动，这种噪声电子流叠加 在电阻的工作电流上。 2）接触噪声：由电刷沿电位器移动时因接触电阻变化引起的，接触电阻 变化的原因是接触面积的变化和压力波动，由于轨道和电刷的磨损、污物和氧 化物的积累，随着使用时间的增加，这种噪声也随着增加。 3）磨擦电噪声。 4）振动噪声或高速噪声：由电刷运动时的抖动和弹跳引起的。 3、电位器的空载和负载特性的含义是什么？ 1）电位器的工作特性。 指输出电压UO （或 Rx ）与电刷实际行程 x 的函数关系。 R Rx O A B A R Rx O B Ui U0

特性曲线为直线的电位器称为线性电位器。特性曲线不是直线的电位器则称非线性（出数）电位器。2）空载特性。电位器空载运行时的工作特性称为空载特性，其特性方程式为：RR, =-x=kRoxLU,.R,U.Uo=R.R,=T-x=kvx式中：k、k,分别是电阻、电压灵敏度。对于线性电位器，k。、k,的理论值应为常数，即电位器的理想特性应为线性特性，但是由于工艺等原因，kr、k,并非常数，因而其实际特性呈非线性，存在非线性误差（即线性度）。线性电位器的非线性误差越小，线性度越高，空载特性越好。3）负载特性。电位器负载运行时的特性称为电位器的负载特性。电位器的相对负载误差：U。-UL×100%r=U。4、什么是非线性电位器？非线性电位器是指其输出电压（或电阻）与电刷行程x之间具有非线性关系的电位器。理论上讲，这种电位器可以实现任何出数关系，故又称其为涵数电位器，或电位器函数转换器。常用的非线性电位器以变骨架式与变节距式居多。当输入量与变阻器位移x成某种函数关系时，若要获得与输入量成线性关系的输出（电阻），则应用此种类型的传感器，这种传感器骨架形状需根据输入量来确定。非线性型变阻器式传感器有时亦被称为线性化装置，因为它能把输入一位移的非线性关系转换成输入一电阻的线性关系

特性曲线为直线的电位器称为线性电位器。 特性曲线不是直线的电位器则称非线性（出数）电位器。 2）空载特性。 电位器空载运行时的工作特性称为空载特性，其特性方程式为： x k x L R Rx R = =  x kv x L U R R U U i x i O =  =  =  式中： R k 、 v k 分别是电阻、电压灵敏度。 对于线性电位器， R k 、 v k 的理论值应为常数，即电位器的理想特性应为 线性特性，但是由于工艺等原因， R k 、 v k 并非常数，因而其实际特性呈非线性， 存在非线性误差（即线性度）。线性电位器的非线性误差越小，线性度越高，空 载特性越好。 3）负载特性。 电位器负载运行时的特性称为电位器的负载特性。 电位器的相对负载误差： 100% − = O O L L U U U r 4、什么是非线性电位器？ 非线性电位器是指其输出电压（或电阻）与电刷行程 x 之间具有非线性关 系的电位器。 理论上讲，这种电位器可以实现任何出数关系，故又称其为涵数电位器， 或电位器函数转换器。 常用的非线性电位器以变骨架式与变节距式居多。 当输入量与变阻器位移 x 成某种函数关系时，若要获得与输入量成线性关 系的输出（电阻），则应用此种类型的传感器，这种传感器骨架形状需根据输入 量来确定。 非线性型变阻器式传感器有时亦被称为线性化装置，因为它能把输入—位 移的非线性关系转换成输入—电阻的线性关系

5、电位器的非线性误差与哪些参量有关？为什么？电位器的非线性误差：11×100%。r, =[1-R(-R.1+:R(R对任何一个具体的电位器，式中的总电阻R为常数，因此r是电刷实际行程电阻R，和负载电阻R，的函数，当R,为定值时，r仅仅是R，的单值函数。由上式不难看出，当R=0或R=R时，=0。而当R,=R,时，r为最大值，当R为定值时，r又仅仅是R，的单值函数，由上式也不难看出，R，越大（负载越小），r越小，空载时，r=0，反之，R，越小（负载越大），r越大

5、电位器的非线性误差与哪些参量有关？为什么？ 电位器的非线性误差： ] 100% 1 (1 ) 1 [1  + − = − R R R R r x L x L 。 对任何一个具体的电位器，式中的总电阻 R 为常数，因此 L r 是电刷实际 行程电阻 Rx 和负载电阻 RL 的函数，当 RL 为定值时， L r 仅仅是 Rx 的单值函数。 由上式不难看出，当 Rx =0 或 Rx = R 时， L r =0。而当 2 R R x = 时， L r 为最大值， 当 Rx 为定值时， L r 又仅仅是 RL 的单值函数，由上式也不难看出， RL 越大（负 载越小）， L r 越小，空载时， L r =0，反之， RL 越小（负载越大）， L r 越大