第一节 电位器式传感器

电位器式传感器是一种把机械线位移或角位移输入量通过传感器电阻值的变化转换为电阻或电压输出的传感器。电位器是一种常用的机电元件，由电阻元件和滑臂等部件组成。作为传感元件，它能将机械位移转换成与之成一定函数关系的电阻或电压输出。电位器式传感器除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度及液位等物理量。

电位器式传感器结构简单，体积小，重量轻，价格低廉，性能稳定，对环境条件要求不高，输出信号较强，一般不需放大，并易实现函数关系的转换。但电阻元件与滑臂间由于存在磨损，寿命较短，且阻值范围窄，分辨率有限，故其精度一般不高，动态响应较差，主要适合于变化缓慢的物理量的测量。

电位器式传感器种类较多，根据输入-输出特性的不同，电位器式电阻传感器可分为线性电位器和非线性电位器两种；根据结构形式的不同，又可分为线绕式、薄膜式和光电式等。目前常用的以单圈线绕式电位器居多。

一、工作原理

电位器式电阻传感器一般由电阻元件、骨架及滑臂（滑动触点）等组成，滑臂相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动或螺旋运动。当被测量发生变化时，通过滑臂触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，从而实现位移（被测量）与电阻之间的转换，这就是电位器式传感器的工作原理。

（一）线性电位器

常用的线性直线位移式电位器传感器其原理如图2-1所示。其电阻元件由金属电阻丝绕成，电阻丝截面积相等，电阻值沿长度变化均匀。电位器传感器工作时可作为变阻器用，也可作为分压器用。

设该电位器全长为x_max，总电阻为R_max，当滑臂由A到B移动位移x后，A到滑臂间的电阻值为

可见，电位器式传感器作变阻器用时，其电阻值为位移x的函数。

若作分压器用，设加在电位器A、B之间的电压为U_max，则输出电压为

如图2-2所示为线性角位移式电位器传感器的原理图。若作为变阻器使用，则电阻值与角度的关系为

若作分压器使用，则有

线性线绕式电位器的骨架截面处处相等，且材料均匀，导线节距相同。线性直线位移式电位器的工作原理如图2-3所示，由分压原理可得

于是有

式（2-5）、式（2-6）中的k_R和k_u分别称为电位器传感器的电阻灵敏度和电压灵敏度，它们为常数，即：改变测量值x引起的输出R_x和U_x的变化为线性变化。

（二）非线性电位器

在一些传感器的应用中，需要输入量（位移）和输出电压之间呈现某种函数规律的非线性变化，此时便需要非线性电位器，它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数，常用的非线性电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式四种。

与线性电位器不同，非线性电位器输出电阻（或电压）与滑臂行程之间是非线性函数关系，与滑臂位置有关，故其灵敏度是变量。

二、线性电位器式传感器的基本特性

（一）阶梯特性

如图2-4所示为绕n匝电阻丝的线性电位器式传感器的阶梯特性曲线图。由线绕式电位器的结构可知，当滑臂在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。滑臂每移动过一匝线圈，电阻就突然增加一匝阻值，输出电压就产生一次阶跃。若总共移动n匝，则输出电压就产生n次阶跃，其阶跃值为

当滑臂从m-1匝移至m匝时，滑臂瞬间使相邻两匝线圈短接，于是电位器的总匝数从n匝减少到n-1匝，即在每一次电压阶跃中又产生一次小阶跃，这个小阶跃的电压设为ΔU_n，有

为了方便实际应用，工程上常将实际阶梯特性曲线简化为如图2-5所示的理想阶梯特性曲线。

在理想情况下，特性曲线各个阶梯的大小完全相同，此时穿过每个阶梯中点的直线即是理论直线，阶梯曲线围绕理论直线上下波动，从而产生一定的偏差，这种偏差就是电位器的阶梯误差。该阶梯误差通常用理想阶梯特性曲线对理论直线最大偏差值与最大输出电压值之比的百分数表示，即

（二）负载特性

一般情况下，电位器输出端是接有负载的。当接入负载时，由于负载电阻和电位器的比值为有限值，此时所得的特性为负载特性。负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。带负载的电位器的电路如图2-6所示，电位器的负载电阻为R_L，可理解为测量仪表的内阻或放大器的输入电阻，则此电位器的输出电压为

设电阻的相对变化，负载系数，则电位器的相对输出电压为

此为电位器传感器负载特性的一般形式。可见，当m≠0，即R_L不是无穷大时，Y与r的关系为非线性。

空载时，电位器的输出电压为U_x，接入负载R_L后，输出电压为U_L，两者之间的相对误差为

对于线性电位器来说，，故有

三、典型应用

电位器式传感器主要用来测量位移，但通过其他敏感元件如膜片、膜盒及弹簧管等进行转换，也可间接实现对压力、加速度等其他物理量的测量。

1.电位器式位移传感器

电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移，或几度到360°的角度。如图2-7所示为推杆式位移传感器。传感器由外壳1、带齿条的推杆2、以及由齿轮3、4、5组成的齿轮系统将被测位移转换成旋转运动，旋转运动通过离合器6传送到线绕式电位器的轴8上，轴8上安装的电刷9因推杆位移而沿电位器绕组11滑动，通过轴套10和焊在轴套上的螺旋弹簧7及电刷9来输出电信号。弹簧7还可保证传感器的所有活动系统复位。

2.电位器式压力传感器

工程技术中所称的“压力”实际上就是物理学中所说的“压强”，是指介质垂直均匀作用于单位面积上的力。

电位器式压力传感器是利用弹性组件（如弹簧管、膜片或膜盒）把被测的压力信号变换为弹性组件的位移，然后再将此位移转换为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应地发生变化。

如图2-8所示为一种电位器式压力传感器。在弹性敏感组件膜盒的内腔通入被测流体，在流体压力的作用下膜盒中心产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，引起传感器的电阻值发生变化，因而输出一个与被测压力成比例的电压信号。

3.电位器式加速度传感器

电位器式加速度传感器如图2-9所示。惯性质量块1在被测加速度的作用下，使片状弹簧2产生正比于被测加速度的位移，从而引起电刷4在电位器的电阻元件3上滑动，输出一个与加速度成比例的电压信号。

电位器式加速度传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出信号大。其缺点是精度不高，动态响应较差，不适合测量快速变化量。