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2.1.1 线性电位器
线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂,以及安装在滑臂上的电刷组成。线绕电位器传感元件有直线式、旋转式或两者相结合的形式。线性线绕电位器骨架的截面积处处相等,由材料和截面积均匀的电阻丝等节距绕制而成。直线位移电位器式传感器如图2-1所示。
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图2-1 直线位移电位器式传感器示意图
假定全长为L的电位器其总电阻为R,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动距离为x后至C点,则A点到电刷C间的阻值为
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若加在电位器A、B两端的电压为U,则A、C间的输出电压为
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图2-2所示为电位器式角度传感器。同理,电阻与角度的关系为
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输出电压与角度的关系为
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1. 阶梯特性
电刷在电位器的线圈上移动时,线圈长度一匝一匝变化,因此电位器阻值不是随电刷移动呈连续变化。电刷在与导线中某一匝接触的过程中,虽有微小的位移,但电阻值并无变化,因而输出电压也不会改变,在输出特性曲线上对应出现平直段;当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此特性曲线相应出现阶跃段。这一特性称为线绕电位器的理想阶梯特性,如图2-3所示。
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图2-2 电位器式角度传感器
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图2-3 线绕电位器的理想阶梯特性
对理想阶梯特性的线绕电位器,在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压之比的百分数,称为电位器的电压分辨率,即
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式中,n为线绕式电位器线圈的总匝数。
2. 负载特性
电位器空载特性相当于负载开路或负载等效电阻为无穷大时的情况。而一般情况下,电位器接有负载,如图2-4所示,接入负载时,由于负载电阻与电位器的比值为有限值,所以负载特性曲线与理想空载特性有一定差异。一般表达式为
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式中,为相对输出电压;
为电刷的相对变化;
为负载系数的倒数。
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图2-4 带负载的电位器电路
3. 负载误差
负载特性曲线偏离理想空载特性曲线的偏差称为电位器的负载误差,对于线性电位器,负载误差为其非线性误差。
线性电位器负载误差的大小可由下式计算:
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式中,为电阻相对变化率;
为电位器的负载系数。
线性电位器负载误差δf与m、X的曲线关系如图2-5所示。
由图2-5可见,无论m为何值,X=0和X=1,即电刷分别在起始位置和最终位置时,负载误差都为0;当X=1/2时,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也会随之增加。
若要求负载误差在整个行程中都保持在3%以内,就必须要求在负载误差最大的X=1/2时,其负载误差也要小于3%,即
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由上式可知,m应小于0.12,即必须使Rf>10R。但是,有时负载满足不了这个条件,一般可以采取限制电位器工作区间的办法减小误差,或将电位器的空载特性设计为某种上凸的曲线,即设计出非线性电位器,使其带负载时满足线性关系,以消除误差。
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图2-5 线性电位器负载误差δf与m、X的曲线关系