第一節(jié) 電位器式傳感器

電位器式傳感器是一種把機(jī)械線位移或角位移輸入量通過傳感器電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電阻或電壓輸出的傳感器。電位器是一種常用的機(jī)電元件，由電阻元件和滑臂等部件組成。作為傳感元件，它能將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出。電位器式傳感器除了用于線位移和角位移測量外，還廣泛應(yīng)用于測量壓力、加速度及液位等物理量。

電位器式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，對環(huán)境條件要求不高，輸出信號(hào)較強(qiáng)，一般不需放大，并易實(shí)現(xiàn)函數(shù)關(guān)系的轉(zhuǎn)換。但電阻元件與滑臂間由于存在磨損，壽命較短，且阻值范圍窄，分辨率有限，故其精度一般不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，主要適合于變化緩慢的物理量的測量。

電位器式傳感器種類較多，根據(jù)輸入-輸出特性的不同，電位器式電阻傳感器可分為線性電位器和非線性電位器兩種；根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，又可分為線繞式、薄膜式和光電式等。目前常用的以單圈線繞式電位器居多。

一、工作原理

電位器式電阻傳感器一般由電阻元件、骨架及滑臂（滑動(dòng)觸點(diǎn)）等組成，滑臂相對于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或螺旋運(yùn)動(dòng)。當(dāng)被測量發(fā)生變化時(shí)，通過滑臂觸點(diǎn)在電阻元件上產(chǎn)生移動(dòng)，該觸點(diǎn)與電阻元件間的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)位移（被測量）與電阻之間的轉(zhuǎn)換，這就是電位器式傳感器的工作原理。

（一）線性電位器

常用的線性直線位移式電位器傳感器其原理如圖2-1所示。其電阻元件由金屬電阻絲繞成，電阻絲截面積相等，電阻值沿長度變化均勻。電位器傳感器工作時(shí)可作為變阻器用，也可作為分壓器用。

設(shè)該電位器全長為x_max，總電阻為R_max，當(dāng)滑臂由A到B移動(dòng)位移x后，A到滑臂間的電阻值為

可見，電位器式傳感器作變阻器用時(shí)，其電阻值為位移x的函數(shù)。

若作分壓器用，設(shè)加在電位器A、B之間的電壓為U_max，則輸出電壓為

如圖2-2所示為線性角位移式電位器傳感器的原理圖。若作為變阻器使用，則電阻值與角度的關(guān)系為

若作分壓器使用，則有

線性線繞式電位器的骨架截面處處相等，且材料均勻，導(dǎo)線節(jié)距相同。線性直線位移式電位器的工作原理如圖2-3所示，由分壓原理可得

于是有

式（2-5）、式（2-6）中的k_R和k_u分別稱為電位器傳感器的電阻靈敏度和電壓靈敏度，它們?yōu)槌?shù)，即：改變測量值x引起的輸出R_x和U_x的變化為線性變化。

（二）非線性電位器

在一些傳感器的應(yīng)用中，需要輸入量（位移）和輸出電壓之間呈現(xiàn)某種函數(shù)規(guī)律的非線性變化，此時(shí)便需要非線性電位器，它可以實(shí)現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意函數(shù)，常用的非線性電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式和電位給定式四種。

與線性電位器不同，非線性電位器輸出電阻（或電壓）與滑臂行程之間是非線性函數(shù)關(guān)系，與滑臂位置有關(guān)，故其靈敏度是變量。

二、線性電位器式傳感器的基本特性

（一）階梯特性

如圖2-4所示為繞n匝電阻絲的線性電位器式傳感器的階梯特性曲線圖。由線繞式電位器的結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)滑臂在多匝導(dǎo)線上移動(dòng)時(shí)，電位器的阻值和輸出電壓不是連續(xù)變化，而是階躍式地變化。滑臂每移動(dòng)過一匝線圈，電阻就突然增加一匝阻值，輸出電壓就產(chǎn)生一次階躍。若總共移動(dòng)n匝，則輸出電壓就產(chǎn)生n次階躍，其階躍值為

當(dāng)滑臂從m-1匝移至m匝時(shí)，滑臂瞬間使相鄰兩匝線圈短接，于是電位器的總匝數(shù)從n匝減少到n-1匝，即在每一次電壓階躍中又產(chǎn)生一次小階躍，這個(gè)小階躍的電壓設(shè)為ΔU_n，有

為了方便實(shí)際應(yīng)用，工程上常將實(shí)際階梯特性曲線簡化為如圖2-5所示的理想階梯特性曲線。

在理想情況下，特性曲線各個(gè)階梯的大小完全相同，此時(shí)穿過每個(gè)階梯中點(diǎn)的直線即是理論直線，階梯曲線圍繞理論直線上下波動(dòng)，從而產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差就是電位器的階梯誤差。該階梯誤差通常用理想階梯特性曲線對理論直線最大偏差值與最大輸出電壓值之比的百分?jǐn)?shù)表示，即

（二）負(fù)載特性

一般情況下，電位器輸出端是接有負(fù)載的。當(dāng)接入負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載電阻和電位器的比值為有限值，此時(shí)所得的特性為負(fù)載特性。負(fù)載特性偏離理想空載特性的偏差稱為電位器的負(fù)載誤差。帶負(fù)載的電位器的電路如圖2-6所示，電位器的負(fù)載電阻為R_L，可理解為測量儀表的內(nèi)阻或放大器的輸入電阻，則此電位器的輸出電壓為

設(shè)電阻的相對變化，負(fù)載系數(shù)，則電位器的相對輸出電壓為

此為電位器傳感器負(fù)載特性的一般形式。可見，當(dāng)m≠0，即R_L不是無窮大時(shí)，Y與r的關(guān)系為非線性。

空載時(shí)，電位器的輸出電壓為U_x，接入負(fù)載R_L后，輸出電壓為U_L，兩者之間的相對誤差為

對于線性電位器來說，，故有

三、典型應(yīng)用

電位器式傳感器主要用來測量位移，但通過其他敏感元件如膜片、膜盒及彈簧管等進(jìn)行轉(zhuǎn)換，也可間接實(shí)現(xiàn)對壓力、加速度等其他物理量的測量。

1.電位器式位移傳感器

電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移，或幾度到360°的角度。如圖2-7所示為推桿式位移傳感器。傳感器由外殼1、帶齒條的推桿2、以及由齒輪3、4、5組成的齒輪系統(tǒng)將被測位移轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過離合器6傳送到線繞式電位器的軸8上，軸8上安裝的電刷9因推桿位移而沿電位器繞組11滑動(dòng)，通過軸套10和焊在軸套上的螺旋彈簧7及電刷9來輸出電信號(hào)。彈簧7還可保證傳感器的所有活動(dòng)系統(tǒng)復(fù)位。

2.電位器式壓力傳感器

工程技術(shù)中所稱的“壓力”實(shí)際上就是物理學(xué)中所說的“壓強(qiáng)”，是指介質(zhì)垂直均勻作用于單位面積上的力。

電位器式壓力傳感器是利用彈性組件（如彈簧管、膜片或膜盒）把被測的壓力信號(hào)變換為彈性組件的位移，然后再將此位移轉(zhuǎn)換為電刷觸點(diǎn)的移動(dòng)，從而引起輸出電壓或電流相應(yīng)地發(fā)生變化。

如圖2-8所示為一種電位器式壓力傳感器。在彈性敏感組件膜盒的內(nèi)腔通入被測流體，在流體壓力的作用下膜盒中心產(chǎn)生位移，推動(dòng)連桿上移，使曲柄軸帶動(dòng)電刷在電位器電阻絲上滑動(dòng)，引起傳感器的電阻值發(fā)生變化，因而輸出一個(gè)與被測壓力成比例的電壓信號(hào)。

3.電位器式加速度傳感器

電位器式加速度傳感器如圖2-9所示。慣性質(zhì)量塊1在被測加速度的作用下，使片狀彈簧2產(chǎn)生正比于被測加速度的位移，從而引起電刷4在電位器的電阻元件3上滑動(dòng)，輸出一個(gè)與加速度成比例的電壓信號(hào)。

電位器式加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，能承受惡劣環(huán)境條件，輸出信號(hào)大。其缺點(diǎn)是精度不高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，不適合測量快速變化量。