电位计式传感器：结构简单，价格低廉

电位计式传感器的敏感元件是电阻和随被测量移动的滑片（或称电刷），可直接测量平移、转动等位移量。电位计式传感器有多种类型，按传感器电阻的构成可分为绕线式和非绕线式两大类；按测量物理量的形式分，则有线位移式电位计和角位移式电位计两种。

1.绕线式电位计

（1）绕线式电位计的形式

绕线式电位计的电阻由电阻丝绕制在一个形状固定的骨架上形成，有直线位移、角位移和非线性等不同的类型，如图2-4所示。

图2-4 绕线式电位计的类型

a）直线位移型 b）角位移型 c）非线性型（变骨架）

直线位移型电位计其电阻沿长度方向电阻均布，用于测量平移；角位移型电位计的电阻由电阻丝均匀地绕制在圆环或扇形骨架上形成，用于测量角位移；非线性型电位计的输出量与位移呈非线性关系，有变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式等不同的形式。

（2）绕线式电位计的特点

绕线式电位计的优点是结构简单、使用方便、稳定性好、直线性好，适用于较大位移的测量；其缺点是分辨率受线径和螺距的影响（一般＞20μm）、能耗较高、R_x呈阶梯变化、耐磨性差、寿命较短等。

2.非绕线式电位计

由于绕线式电位计式传感器存在较多的缺点，性能优良的非绕线式电位应用日渐增多，非绕线式电位计常用的有薄膜式和导电塑料式两种类型。

（1）薄膜式电位计

薄膜式电位计有两种结构形式：一种是炭膜电位计，另一种为金属膜电位计。

炭膜电位计：在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻膜。电阻液由石墨、炭墨、树脂材料配制而成。这种电位计的优点是分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好，其缺点是接触电阻大，噪声也比较大。

金属膜电位计：在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀的方法，涂覆一层金属膜而成。相比于绕线式电位计，金属薄膜式电位计无阶梯误差，此外，还具有耐温、寿命长、精度高等特点。金属薄膜式电位计的电阻值不大，因而其应用范围受到一定的限制。

（2）导电塑料式电位计

导电塑料式电位计的电阻由塑料粉及导电材料的粉末（合金、石墨、炭黑等）压制而成，其特点是线性好、灵敏度高、使用寿命长，但导电塑料式电位计的精度不高，导电塑料的耐温和耐湿性差，接触电阻也相对较大。

3.电位计传感器产生测量误差的因素

式（2-1）所表示的电位计式传感器的输出表达式，其测量条件是传感器之后连接的测量电路输入电阻为无穷大（电位计的输出端为开路），且电源电压为恒定。实际的测量条件则有所不同，这会使传感器产生相应的测量误差。

（1）负载电流造成的误差

当电位计接入测量电路后（图2-5），其负载电阻R_L≠∞，因此，I_L≠0。

图2-5 有负载电流时的电位计等效电路

R′—带负载电位计等效电阻 R′_x—带负载电阻的等效 R_x

当电位计接入负载后，其输出电压U′₀为

式中；（传感器电阻与负载电阻比值）。

从式（2-4）可知，只有当R_L→∞时，才有m→0，U′₀→U_iX=U₀。负载电流产生的相对误差如式（2-5）表示：

从式（2-5）可知，负载电阻R_L大，负载电流所引起的误差就小，要保证在整个行程范围内的负载误差＜1%～2%，需要传感器的负载电阻R_L＞（10～20）R。(www.xing528.com)

（2）绕线螺距造成的误差

对于绕线式电位计来说，电阻丝有螺距，电位计电刷在螺距的范围内移动（或转动）时，其输出电压是没有变化的。因此，绕线式电位计的R_x和U₀呈阶梯变化，如图2-6所示。可见，电位计电阻在相同长度下，匝数多，螺距小，其分辨率高，阶梯误差也小。

图2-6 绕线式电位计的阶梯误差

a）绕线式电位计螺距 b）绕线式电位计输出特性

（3）电源电压波动造成的误差

测量过程中，电源电压U_i的波动，将直接导致电位计输出电压U₀的变化，造成测量误差。为减小电源电压波动造成的测量误差，通常采用如下措施：

1）稳定电源电压。采用稳压电路，使U_i稳定不变，以减小电源电压波动引起的测量误差。

2）采用相对电压检测方式。采用相对电压方式（U_s/U_b）的传感器输出电路如图2-7所示。当电源电压U_i变化时，电压U_s随之变化，但U_b也变，从而在电源电压波动时，代表被测量的U_s/U_b基本不变。

（4）温度变化造成的误差

当环境温度变化时，电位计电阻值会随之变化，从而造成测量误差。减小温度对传感器测量误差的措施如下：

1）加温度传感器。增设一个温度传感器，用以监测温度的变化，并通过控制器进行温度修正。

图2-7 相对电压法消除电压波动误差

R₁—串联电阻 R₂—电位计电阻

2）加温度补偿电阻。在测量电路中加温度补偿电阻，以抵消温度变化时电位计电阻的改变量。

4.电位计式传感器的特点

（1）电位计式传感器的优点

1）结构简单。电位计式传感器的结构简单，体积小，质量轻，价格低廉。

2）性能稳定。电位计的信号输出较为稳定，对环境条件要求不高。

3）输出信号较强。电位计式传感器的输出信号较强，一般不需放大。

4）线性度较高。传感器的输出信号与被测量之间有良好的线性关系。

（2）电位计式传感器的缺点

1）故障率较高。电刷与传感器电阻之间存在摩擦，容易导致接触不良而使传感器失效。

2）测量精度较低。由于电刷与电阻之间的接触电阻和较低的分辨率，使得其精度不高，不适于精密测量。

3）动态响应较差。不适用于被测量瞬间变化或连续变化的动态测量，主要用于测量稳定或变化较缓慢的被测参量。

4）需要消耗电能。电位计工作方式消耗的电能较大。

5.电位计式传感器的应用

电位计式传感器主要用于测量线位移、角位移，通过弹性体的转换作用，将力、压力、转矩等转换为相应的线位移和角位移，电位计式传感器就可以测量力、压力、转矩和加速度等各种参数。

在汽车上，电位计式传感器的应用实例有：节气门位置传感器、量板式空气流量传感器、电位计式转向盘转矩传感器、电位计式液面传感器、废气再循环阀开度传感器、空调风门位置传感器、加速踏板位置传感器等。