4.1电位器式位移传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

4.1 电位器式位移传感器 基础知识 电位器式角位移传感器结构原理 电位器式位移传感器通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系 的电阻或电压输出。普通 直线电位器和圆形电位器 都可分别用作直线位移和 角位移传感器。图1所示 为电位器式位移传感器 结构原理图。 图1 位移传感器工作原理 物体的位移引起电位器移动端的电阻变化，阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。输入与输出可用下式表示： 式中：U0 为传感器输出信号电压；x为被测量位移；L 为传感器敏感电阻长度；Ui 为输入电压，可以是直流，也可以是交流。 角位移传感器的性能指标主要有灵敏度、线性度、稳定性等，下面分别进行讨论： （1）传感器输出线性度 它是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，有零基线性度、端基线性度、独立线性度及绝对线性度等四种表示方法。线性度定义如图2所示，定义式为： 图2 线性度示意图 式中： 为传感器在全量程上的最大偏差值； 为传感器的量程。 （2）独立线性度。从具有斜率和它所在位置的参考直线的实际函数特性的最大偏差，选择最小化的最大偏差，它是由总施加 电压的百分比来 表示的。在指定的 理论电气行程上 测量其大小。 如图3所示： 图3 独立线性度示意图 （3）绝对线性精度 绝对线性度要比独立线性度更难以取得。因为它是来自所有被定义的参考直线的实际函数特性最大偏差。它用总施加电压百分比来表述，在理论电气行程上测量其值。在实际输出上要求有一个索引参考点。 直线的参考线也许是由指定的上下两条理论上的端输出比率所有定义的线相对于各自的理论电气行程。除非另有说明,这些端输出比率分别是(0，0)和(1，0)。 绝对线性度的数学表达式：e/E = A(θ/θT)+B +/-C 其中A是给定的斜率，B是θ=0时的截矩，除非另有说明：A=1，B=0。 （4）灵敏度。传感器输出的变化量△Y与引起此变化量的输入变化量△X之比即为静态灵敏度，表达示为： 传感器的校正曲线的斜率就是其灵敏度。线性传感器，斜率处处相同，灵敏度K是一个常数。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。即： （5）输出平滑性。输出平滑性是指传感器在测量时，输出信号随时间的稳定性，如图4所示。 输出平滑性受到接触阻抗的变化，分辨率和在输出中其他微量非线性输出的影响，是影响传感器性能的重要指标之一。可用下式表示： 式中：UCC：峰-峰值最大变化，输出信号的最大波动值；U0：传感器的理论输出信号电压。 图4 输出平滑性示意图 图5 使用功耗与温度关系图 （6）降功耗曲线。传感器的输出功率与温度之间的关系称为降功耗曲线。一般以传感器在-55 ℃到70 ℃时功耗为100 %，70 ℃到125 ℃之间时功耗开始下降直至零。所以在使用时应注意环境温度与功耗的关系。其关系图如图5所示： 图6 迟滞特性图 （7）迟滞。传感器在正反行程中的输出输入曲线不重合性称为迟滞。迟滞可用偏差量与满量程输出之比的百分数表示，如下式： 式中：△Hmax正反行程间输出的最大差值；YFS为传感器的满量程输出。 迟滞特性如图6所示。 （8）重复性。重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。 实际输出校正曲线的重复特性，正行程最大重复性偏差为△Rmax1，反行程最大重复性偏差为△Rmax2。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者△Rmax除以满量程输出y的百分数表示： 检测时也可以选取几个测试点，对应每一个点多次从一个方向趋进，获得输出值系列yi1，yi2，yi3……，yin算出最大值与最小值之差为重复性偏差△Ri，在几个△Ri中取出最大值作为重复性误差。 重复特性如图7： 图7 重复特性示意图 （9）分辨率与阀值。分辨率是指传感器在规定测量范围内能检测出被测输入量最小变化值。有时对该值相对满量程输入值的百分数表示为分辨率。 阀值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成“死区”，则将这个区的大小称为阀值；更多情况下阀值主要取决于传感器噪声的大小。传感器能检测出被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示： 式中：M—被测量最小变化量值；c—系数；N—噪声电平；K—传感器灵敏度。 （10）稳定性。稳定性