电位传感器

电位器传感器是一个可变电阻器，施加电源电压，它的输入值是集流触点的线性或角位移，输出值是该触点所承受的电压，其大小随着其位置的变化而变化变化。

电位传感器设计用于将线性或角位移转换为电信号，以及在连续类型的自动和自动设备中再现最简单的功能依赖性。

电位传感器接线图

按阻值，电位传感器分为

• 具有恒定电阻的薄片；

• 连续缠绕的线圈；

• 带有电阻层。

由于某些设计缺陷，层状电位传感器用于进行相对粗略的测量。

在此类传感器中，以特殊方式名义上选择的恒定电阻器被焊接到薄片上。

薄片是一种具有交替导电和非导电元件的结构，集电极触点在其上滑动。当集电器从一个导电元件移动到另一个导电元件时，连接到它的电阻器的总电阻会发生变化，变化量对应于一个电阻的标称值。电阻的变化可以在很宽的范围内发生。测量误差由接触垫的尺寸决定。

层状电位器传感器

线式电位器传感器专为更准确的测量而设计。通常，他们的设计是由 getinax、textolite 或陶瓷制成的框架，细线缠绕在一层上，一圈一圈地转动，集电器在其清洁的表面上滑动。

线径决定 精度等级 电位器传感器（高为0.03-0.1mm，低为0.1-0.4mm）。线材：锰铜、铁铬合金、贵金属合金。滑环由较软的材料制成，以防止电线磨损。

电位器传感器的优点：

• 设计简单；

• 体积小，重量轻；

• 静态特性的高度线性；

• 特性的稳定性；

• 交流电和直流电操作的可能性。

电位器传感器的缺点：

• 存在滑动触点，这可能会由于触点迹线氧化、转弯摩擦或滑块弯曲而造成损坏；

• 由于负载导致的操作错误；

• 相对较小的转换系数；

• 高灵敏度阈值；

• 噪音的存在；

• 在脉冲放电的影响下对电腐蚀的敏感性。

电位传感器的静态特性

不可逆电位传感器的静态特性

让我们以带有连续线圈的电位计传感器为例。在电位器端子上施加交流或直流电压U，输入值为位移X，输出值为电压Uout。对于空闲模式，传感器的静态特性是线性的，因为关系成立：Uout = (U / R) r，

其中 R 是线圈电阻； r 是线圈一部分的电阻。

鉴于 r / R = x / l，其中 l 是线圈的总长度，我们得到 Uout = (U / l) x = Kx [V / m]，

其中 K 是传感器的转换（传输）系数。

显然，这样的传感器不会响应输入信号符号的变化（传感器是不可逆的）。有些方案对签名的变化很敏感。这种传感器的静态特性具有如图所示的形式。

电位器传感器的可逆电路

可逆电位传感器的静态特性

由于存在各种类型的错误，由此产生的理想特性可能与真实特性有很大差异：

1.死区。

输出电压逐圈离散地变化，即。当输入值较小且 Uout 不变时，会出现此区域。

电压跳变的大小由以下公式确定：DU = U / W，其中 W 是匝数。

灵敏度阈值由线圈导线的直径决定：Dx = l / W。

死区电位传感器

2. 由于线径、电阻和绕线间距的变化，静态特性不规则。

3、电机回转轴与导套之间产生的齿隙误差（采用压缩弹簧减小）。

4.摩擦造成的误差。

在驱动电位器传感器电刷的元件功率较低时，由于摩擦可能会出现停滞区。

刷子压力必须仔细调整。

5、负载影响造成的误差。

根据负载的性质，在静态和动态模式下都会发生错误。对于有源负载，静态特性会发生变化。输出电压值将根据以下表达式确定：Uout = (UrRn) / (RRn + Rr-r2)

这些。 Uout = f (r) 取决于 Rn。 Rn >> R 可以证明 Uout = (U / R) r；

当 Rn 近似等于 R 时，相关性是非线性的，传感器的最大误差将在滑块偏离 (2/3))l 时出现。通常选择 Rн / R = 10 … 100。x = (2/3) l 处的误差大小可以通过以下表达式确定：E = 4/27η，其中 η= Rн / R — 负载系数。

负载下的电位传感器

a——带负载的电位传感器等效电路，b——负载对电位传感器静态特性的影响。

电位传感器的动态特性

传输功能

推导传递函数，以负载电流为输出值比较方便；它可以使用等效生成器定理来确定。 B = Uout0 / (Rvn + Zn)

考虑两种情况：

1. 负载是纯有源 Zn = Rn 因为 Uout0 = K1x In = K1x / (Rin + Rn)

其中 K1 是传感器的怠速。

应用拉普拉斯变换，我们得到传递函数 W (p) = In (p) / X (p) = K1 / (Rin + Rn) = K

这样，我们就得到了一个无惯性的连接，也就是传感器具有与这个连接对应的所有频率和时间特性。

等效电路

2.带有有源元件的感性负载。

U = RvnIn + L (dIn / dt) + RnIn

应用拉普拉斯变换，我们得到 Uoutx (p) = In (p) [(Rvn + pL) + Rn]

通过变换，可以得到形式为 W (p) = K / (Tp + 1) 的传递函数——一阶非周期性连接，

其中 K = K1 / (Rvn + Rn)

T = L / (Rvn + Rn);

电位器传感器的内部噪声

如图所示，当电刷从一圈移动到另一圈时，输出电压会突然变化。步进产生的误差以锯齿波电压的形式叠加在传递函数的输出电压上，即是噪音。如果刷子振动，运动也会产生噪音（干扰）。振动噪声的频谱在音频范围内。

为了消除振动，受电弓由几根不同长度的金属丝折叠在一起制成。那么每根线材的自然频率就会不同，这样可以防止技术共振的出现。热噪声水平很低，在特别敏感的系统中会考虑到它们。

功能电位传感器

需要注意的是，在自动化中经常使用函数传递函数来获取非线性依赖关系，它们的构造方式有以下三种：

• 沿线圈改变导线的直径；

• 线圈间距变化；

• 使用具有特定配置的框架；

• 通过操纵具有不同大小电阻的线性电位器的部分。

例如，要按照第三种方法获得二次依赖，需要线性改变框架的宽度，如图所示。

功能电位器传感器

多圈电位器

传统的电位器传感器的工作范围有限。其值由框架的几何尺寸和线圈匝数决定。它们不能无限增加。因此，多圈电位器传感器得到了应用，其中电阻元件以几匝螺旋线扭曲，其轴必须旋转几次，以便电机从线圈的一端移动到另一端，即。这种传感器的电气范围是 3600 的倍数。

多圈电位器的主要优点是它们的高分辨率和精度，这是由于电阻元件的长度大而整体尺寸小。

光电电位器

光电电位器 — 是带有电阻层的传统电位器的非接触模拟，其中的机械接触被光电导的接触取代，这当然会提高可靠性和使用寿命。来自光电电位计的信号由用作滑块的光探头控制。它由特殊的光学设备形成，并且可以由于外部机械作用而沿着光电导层移动。在光层曝光的位置，会发生过量（与暗相比）光电导，并形成电接触。

光电电位计按用途分为线性型和功能型。

由于异形电阻层（双曲线、指数、对数），功能光电电位计允许将光源的空间运动转换为具有给定功能形式的电信号。