线绕电位器式传感器的工作原理与应用

线绕电位器式传感器的核心，即转换元件，是精密电位器，如图2.1所示。它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件。

图2.1　电位器式电阻传感器的转换关系

精密电位器在电路中的符号如图2.2所示，它由电阻元件和电刷两部分组成，电刷就是输出的抽头端。

图2.2　精密电位器的电路符号图

工作时，在电阻元件的两端，即1、2端加上固定的直流工作电压，从1、3端就有电压输出，并且，这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关，当电刷臂随着被测量产生位移时，输出电压也发生相应的变化，这是精密电位器的基本工作原理。

1）线绕电位器的结构和原理

如图2.3所示，线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。

图2.3　线绕电位器式传感器的结构

线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等。绕组即电阻元件，由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成，其两个引出端1、2是电压输入端。电刷由电刷头和电刷臂组成，电刷头一般焊接在电刷臂上，电刷被绝缘地固定在电位器的转轴上。绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光的方法去掉漆层，以保证与电刷头之间有良好的接触。电刷经导电环引出至输出端3。电位器的转轴随外界被测量一起转动。

当电位器转轴转动时，电刷臂随之移动，电刷头在绕组上滑动接触，在工作电压U0作用下，电位器输出电压Usc与转轴转动量成对应关系，从而实现机电信号的转换。

2）线绕电位器的输出特性

在图2.2中，设输入工作电压为U0，输出电压为Usc，电位器的总电阻为R0，总行程为L0，电刷的行程为L，相应的电阻R称为输出端电阻。在空载下，当电刷的行程为L时，输出端电压为

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图2.4　线绕电位器的负载特性曲线

3）减小电位器负载误差的方法

在实际电路中，电位器的输出端总是带有一定的负载，而最大负载误差产生在电位器工作范围的2/3附近，这对电位器工作是很不利的，为此，需要采取一些措施减小电位器的负载误差，以提高机电转换的精度。减小电位器负载误差的方法有多种，这里介绍负载系数减小法。

由电位器的负载输出特性可知，在分压系数K一定时，随着负载系数a的减小，输出电压Ux将增大，并接近于空载输出电压Usc。因此，在条件许可的情况下，应尽量使负载系数a减小，即尽量采用较大的负载电阻RL。

【例2.1】　设电位器的总电阻R0＝1 kΩ，要求负载误差δmax≤0.1%，试用负载系数减小法确定负载电阻RL。

4）线绕电位器的阶梯特性、误差和分辨率

由线绕电位器的结构可知，当电刷在变阻器的线圈上移动时，电位器的阻值随电刷从一圈移动到另一圈是不连续变化的，故输出电压Ux也不连续变化，而是阶跃地变化。电刷每移动一匝线圈，输出电压产生一次跳跃，移动n匝，则输出电压产生n次电压阶跃，其阶跃值为

因此，线绕电位器的实际输出特性曲线如图2.5所示。

图2.5　线绕电位器的实际输出特性曲线

工程上，总是将实际输出特性理想化为阶梯状特性曲线，这样给使用带来方便。如图2.6所示，通过每个阶梯的直线为理论特性线，阶梯特性曲线围绕该直线上下波动，从而产生一个偏差，就称为阶梯误差。

图2.6　线绕电位器的阶梯特性